Автоматизированный комплекс для изучения трансформатора

Целью данной статьи является создание автоматизированного комплекса для изучения принципа действия и параметров трансформатора.

Трансформатор – один из наиболее эффективных электрических аппаратов, способных преобразовывать переменный ток одного номинала (напряжение) в другой, с малыми потерями энергии.

Основное применение трансформаторов связано с передачей электрической энергии на большие расстояния.

При передаче электроэнергии по проводным линиям длиной в сотни и тысячи километров возникают потери энергии, связанные с сопротивлением проводов.

Потеря мощности на нагрев проводов:

А поскольку

Р=I*U, то очевидно, что для передачи той же мощности следует уменьшать ток и увеличивать напряжение.

Уменьшать сопротивление линии путем увеличения сечения проводов невыгодно, так как увеличивается масса проводников, возникают значительные механические нагрузки на опоры и изоляторы линий электропередач. Поэтому напряжение на электростанциях повышают до 110, 220, 750 кВ, иногда и выше, у потребителей электроэнергии напряжение понижают до необходимых значений.

Описание автоматизированного комплекса для изучения трансформатора

Схема автоматизированного комплекса

Для снятия характеристик мы использовали измерительный комплекс, который включает в себя следующее:

1. Блок реле, переключающий вольтметр между разными участками цепи.

2. Релейный драйвер, который управляет блоком рел.

3. Вольтметр, измеряющий напряжение на участках цепи.

4. Входной регистр, снимающий показания с вольтметра и передающий на магистральный крейт КАМАК.

5. Магистральный крейт, через которого происходит управление релейным драйвером и входным регистром и снятие данных.

6. Контролер крейта, который является связующим звеном между ПК и магистральным крейтом.

7. Персональный компьютор, который получает, обрабатывает и выводит данные.

Трансформаторный модуль

В трансформаторном модуле рисунок расположен на передней стенке. Из рисунка следует, что первичная обмотка подключена к генератору переменного тока (к бытовой сети), она имеет большее количество витков; вторичная обмотка, к которой может быть подключена нагрузка, имеет меньшее количество витков. Такой трансформатор называется понижающим. На передней стенке размещены светодиоды: в первичную обмотку – оранжевые, во вторичную – зеленые, в магнитопровод – плоские красные. При включении динамической схемы светодиоды переключаются по реверсивной схеме “вперед-назад”, имитируя изменение направления тока в первичной обмотке, изменение направления магнитного поля, появление Э. Д. С. во вторичной обмотке. При построении модели учитывалось правило буравчика.

В комплексе для исследования параметров применен промышленный унифицированный трансформатор 1Ф4. 702. 005. В дополнительном блоке находятся: реостат с сопротивлением 30 Ом, мощностью 150 Вт; блок реле.

В рабочем режиме к вторичной обмотке подключена нагрузка. Когда ток нагрузки I2 растет, падает напряжение на этой обмотке U2, U1 поддерживается напряжением питающей сети, но ток I1 возрастает. Любое изменение тока нагрузки во вторичной обмотке трансформатора сопровождается изменением тока, потребляемого трансформатором из сети. Намагничивающая сила вторичной обмотки, согласно правилу Ленца, будет стремиться уменьшить поток первичной обмотки. Поэтому по виткам первичной обмотки должен проходить такой ток, который возбуждал бы магнитный поток и, кроме того, компенсировал размагничивающее действие вторичной обмотки.

В данном случае нашей целью было измерение КПД данного трансформатора при различной нагрузке, который рассчитывается по формуле:

Для этого необходимо знать токи и напряжения на обоих обмотках трансформатора.

Так как удобней пользоваться одним измерительным прибором, в нашем случае вольтметром, мы вычисляем токи, как отношение падения напряжения на нагрузке к сопротивлению нагрузки. Сопротивления известно, а напряжения мы измеряем.

Напряжение мы мереям непосредственно на обмотках. Таким образом, можно получить все необходимые данные.

Зная токи и напряжения обмоток, можно определить мощности Р1 и Р2 для различных токов нагрузки. Результаты измерений представлены в таблице.

U1,В I1,А Р1,Вт U2,В I2,А Р2,Вт КПД 223 0,17 37,91 24,4 1 24,4 0,64 223 0,26 58 24,2 2 48. 4 0,83 223 0,37 82,51 23,5 3 70,5 0,85 223 0,47 107,81 23 4 92 0,87 223 0,59 130,5 22,4 5 112 0,85 223 0,68 151,64 21,6 6 129,6 0,85

Примечание: Мы проводили опыты с реостатом, обладающим активным сопротивлением, соs φ которого равен единице и. Потребляемая трансформатором мощность P1 больше отдаваемой мощности P2 на величину потерь в стали Pст (потери на перемагничивание) и в проводах обмоток Pм (нагрев проводов)

Р1=Р2+Рст+Рм

Видно, что при повышении тока нагрузки К. П. Д. трансформатора возрастает, этот коэффициент максимален при токе нагрузки 4А. Из этого опыта следует, что при проектировании устройств, содержащих трансформатор, необходимо согласовывать мощность трансформатора и нагрузки

Зависимость КПД трансформатора от тока нагрузки

Токи в этом режиме соотносятся как:

Т. е. обратно пропорционально напряжениям:

U1/U2=I2/I1; отсюда следует, что при понижении напряжения во вторичной обмотке можно получить больший ток.

Заданная мощность трансформатора обеспечивается при необходимом поперечном сечении магнитопровода:

Sсеч. (см2)=1,3

Число витков обмоток:

1. Трансформатор служит для преобразования переменного электрического тока одного номинала в другой. Это необходимо для снижения потерь в линиях электропередач.

2. Назначение трансформатора – передача электрической энергии от генератора к потребителю без значительных потерь мощности. КПД промышленных трансформаторов Р2/Р1 достигает 0,99. Это достигается применением оптимальной для данного трансформатора нагрузки или расчетом трансформатора под определенную нагрузку. При этом отношение токов I2/I1 обратно пропорционально отношению напряжений:

I2/I1=U1/U2

3. Это значит, что у понижающего трансформатора ток вторичной обмотки больше тока первичной обмотки на коэффициент трансформации. Для нашего трансформатора КПД составляет 0,92 при токе нагрузки 5 А

4. Чем больше мощность, потребляемая от трансформатора, тем интенсивней должен быть магнитный поток, магнитопровод должен быть большего сечения:

Scеч. (см2) = 1,3

5. Число витков обмоток рассчитывают по формуле:

6. Трансформатор является достаточно эффективным прибором, он широко применяется в промышленности и в быту.

Заключение

Данный автоматизированный комплекс позволяет производить многократные измерения и вычисления без особого труда. Благодаря автоматизации мы получаем данные с большой точностью. Вследствие большого количества измерений и большой точности, можно получить минимальную погрешность

Приложение

Автоматизированный комплекс

Магистральный крейт КАМАК, релейный драйвер, входной регистр

Схема электрическая принципиальная.