Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Трансформатор

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 1.12).

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС , поэтому в ней возникает ток , создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Рис. 1.12. Простейший трансформатор и его условное изображение на схемах.
 и – количество витков в обмотках

Ситуация резко меняется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки R и в ней возникает переменный ток . Теперь полный магнитный поток Ф в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток , создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током , направлен навстречу потоку , создаваемому током  в первичной обмотке:

 . (1.27)

Отсюда следует, что токи  и  изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180 °.

Другой важный вывод состоит в том, что ток  в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Ф в сердечнике должен быть в режиме нагрузки таким же, как и в режиме холостого хода, так как напряжение на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника  переменного тока. Так как магнитные потоки  и  пропорциональны  и , можно записать для первичной обмотки:

 . (1.28)

Для вторичной обмотки:

 . (1.29)

Следовательно:

 . (1.30)

Знак минус означает, что напряжения  и  находятся в противофазе, так же как и токи  и  в обмотках. Поэтому фазовый сдвиг  между напряжением  и током  в первичной обмотке равен фазовому сдвигу  между напряжением  и током  во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление R, то .

Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

 . (1.31)

Коэффициент K есть коэффициент трансформации. При K > 1 трансформатор называется повышающим, при K < 1 – понижающим.

Эти соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P1, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P2, передаваемой нагрузке.

.

Отсюда следует, что:

.

То есть токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков. Принимая во внимание, что , можно получить следующее соотношение:

 . (1.32)

Рис. 1.13. Трансформатор без ферромагнитного сердечника: а) схематическое обозначение; б) эквивалентная схема замещения трансформатора

Отношение  можно рассматривать как эквивалентное активное сопротивление первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление R. Таким образом, трансформатор «трансформирует» не только напряжения, но и сопротивления.

Т-образная схема заме­щения трансформатора. Рассмотрим на примере трансформатора без ферромагнитного сердечника (рис. 1.13 а).

Трансформатор можно представить как двухконтурную цепь. В таком случае, для каждого контура можно записать уравнения Кирхгофа:

  (1.33)

где М – это взаимная индуктивность, которая определяется как:

 . (1.34)

Здесь  и   – количество витков первичной и вторичной обмоток,  – часть потока, образованная первичной катушкой, пронизывающая вторичную катушку,  – часть потока, образованная вторичной катушкой, пронизывающая первичную катушку.

Если напряжения и токи – гармонические функции, то уравнения (1.33) можно записать в комплексной форме:

 . (1.35)

Эти уравнения равносильны следующим:

 . (1.36)

Последнее уравнение является контурными уравнениями, которые соответствуют схеме рис.1.13 б. Следовательно, эта схема может рассматриваться в качестве замещения трансформатора без ферромагнитного сердечника.

Методика решения задач