Электрические машины. Часть 1: Трансформаторы (стр. 1 )

Министерство образования и науки  Российской Федерации

Северный (Арктический) федеральный университет имени

Электрические машины. Часть 1: Трансформаторы.

Методические указания

к выполнению лабораторных работ.

2014

Рассмотрены и рекомендован к изданию

методической комиссией института Энергетики и транспорта

Северного (Арктического) федерального университета имени

«  »  2014 г.

Составитель

, ст. преподаватель

Рецензент

УДК 621.3

Электрические машины. Часть 1. Трансформаторы. :Методические указания к выполнению лабораторных работ. / сост. . – Архангельск: С(А)ФУ, 2014. – 47 с.

Подготовлены кафедрой электротехники и энергетических систем С(А)ФУ.

Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов изучающих дисциплины «Электротехника и электроника», «Общая электротехника», «Электромеханика»  и «Электрические машины» в соответствии с Государственным образовательным стандартом.

При изучении данных курсов лабораторные работы способствуют более глубокому усвоению программного материала. С этой целью в методических указаниях приведены теоретические сведения по основным разделам изучаемого курса, порядок выполнения лабораторных работ, а также требования к выполнению, оформлению и защитам.

Предназначены для студентов  всех специальностей очной, очно-заочной и заочной форм обучения.

Ил. 63 Табл. 30 Библиогр. 3 назв.

  © Северный (Арктический)

  федеральный университет имени  , 2014

© , 2014 г.

Общие методические указания.

Методические указания содержат сведения по теории трансформаторов, порядок выполнения лабораторных работ, а также требования к их оформлению и защитам.

Содержание и последовательность изложения материала в указаниях соответствуют программе дисциплин «Электротехника и основы электроники», «Общая электротехника», «Электрические машины» и «Электромеханика» для технических специальностей вузов.

Цель лабораторного практикума – дать студентам достаточно полное представление о трансформаторах, их назначении, устройстве и принципе действия, а также основных характеристиках. При этом студенту предполагается практически продемонстрировать знания основных законов электротехники; привить начальные навыки экспериментальной работы; дать практическое представление о системах единиц измерения и их практическом использовании; закрепить навыки статистической обработки данных реальных экспериментов.

Задачей лабораторного практикума является освоение теории физических явлений, положенных в основу создания и функционирования трансформаторов, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета характеристик трансформаторов для решения широкого круга задач.

При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчислений, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики.

Требования к оформлению лабораторной работы.

Лабораторные работы необходимо выполнять в виде отдельного отчета для каждого студента индивидуально.

На титульном листе отчета помещаются следующие сведения: наименование работы, номер группы, фамилию и инициалы студента и преподавателя, вариант задания.

Отчет должен содержать кратко сформулированную цель работы, схему, порядок выполнения работы (номера и названия опытов), результаты опытов в табличной форме, формулы, необходимые для расчетов, графики и векторные диаграммы, построенные по результатам проведения лабораторной работы. Графики и векторные диаграммы строят в масштабе на миллиметровке.

Текст, формулы и числовые выкладки должны быть выполнены аккуратно и без помарок.

Буквенные обозначения и единицы физических величин должны соответствовать ГОСТу.

При расчетах придерживаются определенного порядка: сначала искомую величину выражают формулой, затем подставляют в неё известные значения величин, записывают результат расчета.

Правила выполнения и защиты работ.

Для успешного выполнения работы студент обязан подготовиться к ее выполнению дома, используя описание работы. В практикуме для каждой работающей группы каждая работа выполняется в соответствии со своим вариантом в единственном экземпляре. Поскольку, студентам (особенно в первой половине семестра) часто приходится выполнять работы, теоретические основы которых еще не прочитаны в лекционном курсе, то для более глубокого понимания рекомендуется изучить материал, представленный на соответствующих страницах учебного пособия.

Каждый студент сдает работу в индивидуальной беседе с преподавателем, предъявляя ему письменный отчет, обязательно включающий в себя основы теории, схему эксперимента, таблицы и графики исходных данных, а при необходимости - результаты статистической обработки. Все параметры и данные измерений должны быть приведены с указанием их размерностей. Форма защиты лабораторных работ определяется преподавателе

Основные сведения теории трансформаторов.

Назначение и области применения.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения. К этим трансформаторам относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т. п.), испытательные и измерительные трансформаторы и т. д.

Принцип действия трансформаторов.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U1. К другой обмотке,

Рис. 1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора.

называемой вторичной, подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

       e1 = –w1(dФ/dt),        (1)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

       е2 = –w2(dФ/dt),        (2)

где w1 и w2 — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих U2 < U1.

Из (1) и (2) видно, что ЭДС е1 и е2, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков w1 и w2 в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

На рис. 1, б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — понижающий.

Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению [(dФ/dt)=0], поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

по назначению – силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.;

по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;