Содержание
Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д), как и в других мощных устройствах, является одним из важнейших параметров. КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности переменного тока, потребляемой нагрузкой к активной мощности, потребляемой от электросети. Формула определения кпд записывается следующим образом:
(1)
В реальных условиях трансформатор может работать не только в номинальном режиме. Для оценки степени его загрузки по току используется коэффициент загрузки 
, где I2Н — номинальный выходной ток трансформатора. Тогда ток вторичной обмотки можно записать следующим образом:
После подстановки этого выражения в формулу (1), выражение для вычисления кпд трансформатроы принимает следующий вид:
(5)
Потери в сердечнике трансформатора Pc не зависят от выходного тока I2, а значит и от коэффициента загрузки β. Их можно назвать потерями холостого хода. Если исследовать выражение (5) на экстремум по β, то КПД трансформатора будет иметь максимум при . При этом коэффициент загрузки βОПТ = 0,5 . 0,6. Зависимость потерь в сердечнике трансформатора, его обмотках и КПД от β приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 Зависимость КПД трансформатора от коэффициента загрузки β
Потери в обмотках согласно закону Ома пропорциональны квадрату тока и коэффициента загрузки. При постоянном потребляемом токе, что обычно выполняется в маломощных силовых трансформаторах задаемся номинальным током нагрузки (β = 1). В мощных трансформаторах, где ток нагрузки обычно изменяется во времени значение коэффициента загрузки выбирается β ≈ βОПТ, что соответствует наименьшим потерям. Крутизна этой зависимости невысокая, максимум выражен слабо и, поэтому, условие не является строгим. Для иллюстрации приведём типовые значения КПД и коэффициента мощности χ на частоте 50 Гц для маломощных трансформаторов. Эта зависимость показана на рисунке 2 [31].
Рисунок 2 Зависимость реализуемого КПД и коэффициента мощности χ от требуемой активной мощности трансформатора
Из графиков, приведенных на рисунке 2, видно, что с ростом выходной мощности растут и максимально достижимые энергетические показатели трансформатора.
- Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
- СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С.
- Режимы работы трансформатора
Вместе со статьей "Коэффициент полезного действия трансформатора" читают:
Сведения из теории. Трансформатор представляет собой две катушки индуктивности, объединенные одним общим магнитным потоком. Магнитный поток проходит по стальному или ферритовому сердечнику. В трансформаторе используется два физических явления – возбуждение переменного магнитного поля с помощью катушки с проводом и возбуждение напряжения переменного тока в другой катушке переменным магнитным полем. Первичная катушка индуктивности (W1) возбуждает переменный магнитный поток при подаче на нее напряжения (U1) переменного тока. Вторичная катушка индуктивности (W2) превращает в электродвижущую силу (U2) переменный магнитный поток возбужденный первичной катушкой. Трансформатор работает только на переменном (пульсирующем) токе, потому, что напряжение во вторичной катушке индуктивности появляется только при переменном магнитном потоке, а он возможен только при переменном или пульсирующем токе в первичной катушке. Отношение числа витков (W1,W2) первичной и вторичной катушек, или отношение ЭДС на их концах, или токов, называется коэффициентом передачи (трансформации) трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора повышающего напряжениебольше единицы, а понижающего напряжение — меньше. Вторичных обмоток трансформатора может быть несколько, столько же будет коэффициентов передачи. Потребляемая трансформатором мощность (P1) передается из первой катушки второй, а так же расходуется на преодоление сопротивлений первой и второй катушек, кроме того, часть мощности расходуется на потери магнитного потока. Для оценки качества трансформатора используется коэффициент полезного действия трансформатора (К.П.Д)
Мощность Р1 = I1(A) х U1(V). P 2 = I 2( A ) x U 2( V )
В общем случае, количество катушек с проводниками может быть несколько, но катушка (обмотка) на которую подается напряжение, считается первичной, остальные — вторичными.
Цель работы: Закрепить навыки работы с приборами по измерению тока, напряжения и мощности. Освоить метод измерения мощности трансформатора, коэффициента трансформации, К.П.Д., попрактиковаться в соединении деталей методом пайки.
1. Записать тему и зарисовать схему в тетрадь.
2. Собрать схему и подключить обмотку с меньшим количеством витков к источнику переменного напряжения 1 вольт.
3. Измерить напряжения на первичной и вторичной обмотке U1 и U2. без нагрузки.
4. Рассчитать коэффициент передачи.
5. Подключить нагрузку к вторичной обмотке трансформатора.
6.Подать напряжение переменного тока на первичную обмотку и измерить ток и напряжение в обоих обмотках трансформатора.
7. Рассчитать мощность первичной и вторичной обмотки и К.П.Д.
8. Записать результаты и расчеты в тетрадь.
ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве нагрузки при определении К.П.Д. должно быть активное сопротивление или лампочка накаливания.
1. Какое устройство называется трансформатором, для чего он предназначен?
2. Как определяется коэффициент трансформации?
3. Почему при определении коэффициента трансформации не подключается нагрузка?
4 .Можно ли использовать трансформатор, повышающий напряжение в качестве понижающего, если можно, то как это сделать?
5. Какое явление действует в трансформаторе — индукция или самоиндукция, или оба сразу?
6. Сколько может быть первичных обмоток, а сколько вторичных?
7. Почему коэффициент полезного действия трансформатора всегда меньше единицы ( 100 процентов)? Куда расходуется часть мощности первичной обмотки?
1. Вольтметр (Ампервольтомметр) — два.
2. Амперметр (Ампервольтомметр) — два.
4. Блок питания переменного напряжения.
5. Трансформатор — 1 ед.
6. Активная нагрузка (резистор или лампочка накаливания)
7. Соединительные концы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 30
Схемы выпрямления переменного тока. Принцип работы, построение схем и характеристики.
Сведения из теории. Основное свойство диода состоит в том, что он имеет маленькое сопротивление при прохождении тока в "прямом" направлении и большое сопротивление при прохождении тока в "обратном" направлении. По-другому говоря, диод пропускает ток преимущественно в одном направлении. Это свойство диодов используется для преобразования переменного тока в пульсирующий, который изменяет свою величину, но течет в одном направлении. Пульсации тока затем сглаживаются специальными устройствами — фильтрами, простейшим из которых является конденсатор большой емкости, который не успевает полностью разрядится на нагрузку при снижении величины тока проходящего через диод. Конденсатор, при отсутствии нагрузки, может зарядиться до амплитудного значения переменного напряжения Uа = 1,41 x U2.
Устройства, преобразующие переменный ток в пульсирующий называются выпрямителями. Существуют различные схемы выпрямителей, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Однополупериодная схема выпрямителя пропускает ток только при одном полу- периоде переменного напряжения, при втором полупериоде ток через диод почти не течет. Обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно максимальному (амплитудному) напряжению половины периода, плюс напряжение на конденсаторе и диод должен выбираться из условия
U обр > 1,41 x U 2 + Uo
где Uобр — обратное напряжение диода
U2 — входное напряжение на выпрямитель
Uo — выходное напряжение с выпрямителя
Двухполупериодная с средней точкой схема выпрямителя пропускает ток при обоих полу- периодах, по разным диодам (Д1 и Д2) но работают оба диода на одну нагрузку. Обратное напряжение диода выбирается из условия
Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя пропускает ток при обоих полу- периодах, но по разным диодам (Д1 и Д4) в одном направлении и (Д2 и Д3) в другом направлении. Работают все диоды на одну нагрузку. Обратное напряжение диода выбирается из условия Uобр > 1,41 x U2
Двухполупериодная с удвоением напряжения схема выпрямителя пропускает ток при обоих полу периодах, по разным диодам (Д1 и Д2) и на разные конденсаторы. Напряжение на нагрузку попадает с двух конденсаторов сразу и поэтому удваивается. Обратное напряжение диода выбирается из условия
Максимальный ток, проходящий по диодам, должен быть больше максимального тока в нагрузке во всех случаях.
Цель работы: Познакомиться с существующими схемами выпрямления переменного тока, особенностями их работы и характеристиками схем. Попрактиковаться в соединении деталей методом пайки, получить навык в работе с справочными данными.
1.Записать тему и зарисовать схемы выпрямителей.
2.Измерить напряжение U2.
3.Определить типы диодов, которые можно применить для каждой из схем по результатам измерений напряжения U2 и максимального выходного напряжения Uо.
4 Максимальный ток выбрать исходя из данных нагрузки (лампочки).
5.Собрать каждую из схем, и измерить напряжения при подключенной и отключенной нагрузке, записав результаты в таблицу.
| Нагрузка на выходе |
1. Как протекают токи в однополупериодном выпрямителе ?
2. Как протекают токи в двухполупериодном выпрямителе ?
3. Как протекают токи в мостовом выпрямителе ?
4. Как протекают токи в выпрямителе с умножением напряжения?
5. Каковы преимущества и недостатки каждой схемы?
6. Какое напряжение называется входным, а какое выходным напряжением ?
7. Каково обратное падение напряжения на диодах на каждой из схем ?
8. На каком из выпрямителей ток выхода меньше, одно или двухполупериодном?
9. На какой схеме напряжение выхода больше, одно или двухполупериодной?
10. Когда напряжение на выходе выпрямителя больше, с нагрузкой или без нее?
11. Зачем нужны фильтры в выпрямителях?
1. Вольтметр (Ампервольтомметр) — два.
2. Трансформатор понижающий 6v, 12v, 24v. — один
3. Лампочки накаливания 6v, 12v, 24v. — одна
4. Диоды выпрямительные — 4 шт.
5. Конденсаторы полярные — 2 шт.
6. Соединительные концы.
7. Макетная плата.
8. Паяльник, припой, флюс.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 31
Стабилизатор напряжения электронный.
Сведения из теории. Электронный стабилизатор напряжения в своей основе содержит параметрический стабилизатор, принцип работы которого рассмотрен ранее. Усилитель на транзисторе Т2, подключен своей базой к стабилитрону Д2 и поэтому напряжение на базе постоянно. Стабилитроном и его балластным резистором образован первый делитель напряжения (Д2,R2). Нагрузка и усилитель на гальваническом каскаде усиления (Т2,Т3) образуют второй делитель напряжения. База транзистора Т2 включена в диагональ моста образованного двумя делителями напряжения, поэтому любое изменение напряжения на нагрузке приведет к изменению тока базы таким образом, что изменит сопротивление транзистора Т3 и восстановит напряжение на нагрузке, что и требуется. Напряжение на нагрузке всегда будет стремиться к напряжению на стабилитроне. Если к стабилитрону подключить переменный резистор Rп1 в качестве делителя напряжения то напряжение на нагрузке можно регулировать, так как напряжение на нагрузке теперь будет равно напряжению на подвижном контакте переменного резистора.
Цель работы. Закрепить навыки работы с мультиметром по измерению параметров, усвоить принцип работы схемы стабилизатора, освоить сборку и наладку электронных схем. Научится правильно планировать расположение деталей на макетной плате. Научится снимать карту состояния схемы.
1.Проверить комплектность и исправность деталей схемы.
2.Изучить принципиальную схему и спланировать расположение деталей.
3.Собрать устройство на макетной плате, следуя принципиальной электрической схеме.
4.Подключть к выходу схемы лампочку накаливания, напряжение питания которой равно максимальному напряжению выхода. Визуально проверить правильность монтажа и подать напряжение питания 10v. Если схема собрана правильно и детали исправны, стабилизатор работает сразу. Проверьте регулирование напряжения выхода, покрутив ручку переменного резистора делителя.
5.Снимите карту состояния схемы, измерив напряжения во всех электрических узлах схемы относительно общего "плюса". Для этого обозначить узел "плюс" цифрой 0, остальные оцифровать 1,2,3, и т.д. Измерить и записать напряжения между точками 0-1, 0-2, 0-3, и т.д.
Карта состояния схемы.
| Точки снятия режима | 0 — 1 | 0 — 2 | 0 — 3 | 0 — 4 | 0 — 5 | 0 — 6 | 0 — 7 |
| Значения напряжения |
6.Снять карту состояния схемы при максимальном напряжении выхода, нулевом и половинном.
1. Какие электронные схемы называются стабилизаторами напряжения или тока?
2. Что называется параметрическим стабилизатором напряжения?
3. Чему равна сумма напряжений на мощном транзисторе (Э-К) и нагрузке стабилизатора (лампочке накаливания).
4. Чему равна сумма напряжений на резисторе Rб и стабилитроне?
5. Изменяется ли напряжение на выходе стабилизатора при изменении напряжения на входе?
6. Как работает схема защиты стабилизатора от короткого замыкания на выходе?
7. Что такое «карта состояния схемы», зачем она нужна?
1. Вольтметр (Ампервольтомметр) — один.
2. Блок питания с регулированием выходного напряжения.
3. Транзистор — 3 шт.
4. Резистор постоянный — 4 шт.
5. Резистор переменный — 1 шт.
6. Стабилитрон — 1 шт.
7. Лампочка накаливания — 1 шт.
8. Конденсатор постоянной емкости полярный — 1 шт.
Известно, что электрическая энергия передаётся на большие расстояния при напряжениях, превышающих уровень, используемый потребителями. Применение трансформаторов необходимо для того, чтобы преобразовывать напряжения до требуемых значений, увеличивать качество процесса передачи электроэнергии, а также уменьшать образующиеся потери.
Описание и принцип работы трансформатора
Трансформатор представляет собой аппарат, служащий для понижения или повышения напряжения, изменения числа фаз и, в редких случаях, для изменения частоты переменного тока.
Существуют следующие типы устройств:
- силовые;
- измерительные;
- малой мощности;
- импульсные;
- пик-трансформаторы.
Статический аппарат состоит из следующих основных конструктивных элементов: двух (или более) обмоток и магнитопровода, который также называют сердечником. В трансформаторах напряжение подаётся на первичную обмотку, и с вторичной снимается уже в преобразованном виде. Обмотки связаны индуктивно, посредством магнитного поля в сердечнике.
Наряду с прочими преобразователями, трансформаторы обладают коэффициентом полезного действия (сокращённо — КПД), с условным обозначением . Данный коэффициент представляет собой соотношение эффективно использованной энергии к потреблённой энергии из системы. Также его можно выразить в виде соотношением мощности, потребляемой нагрузкой к потребляемой устройством из сети. КПД относится к одному из первостепенных параметров, характеризующих эффективность производимой трансформатором работы.
Виды потерь в трансформаторе
Процесс передачи электроэнергии с первичной обмотки на вторичную сопровождается потерями. По этой причине происходит передача не всей энергии, но большей её части.
В конструкции устройства не предусмотрены вращающиеся части, в отличие от прочих электромашин. Это объясняет отсутствие в нём механических потерь.
Так, в аппарате присутствуют следующие потери:
- электрические, в меди обмоток;
- магнитные, в стали сердечника.
Энергетическая диаграмма и Закон сохранения энергии
Принцип действия устройства можно схематически в виде энергетической диаграммы, как это показано на изображении 1. Диаграмма отражает процесс передачи энергии, в ходе которого и образуются электрические и магнитные потери .
Согласно диаграмме, формула определения эффективной мощности P2 имеет следующий вид:
где, P2 — полезная, а P1 — потребляемая аппаратом мощность из сети.
Обозначив суммарные потери ΔP, закон сохранения энергии будет выглядеть как: P1=ΔP+P2 (2)
Из этой формулы видно, что P1 расходуется на P2, а также на суммарные потери ΔP. Отсюда, коэффициент полезного действия трансформатора получается в виде соотношения отдаваемой (полезной) мощности к потребляемой (соотношение P2 и P1).
Определение коэффициента полезного действия
С требуемой точностью для расчёта устройства, заранее выведенные значения коэффициента полезного действия можно взять из таблицы №1:
| Суммарная мощность, Вт | Коэффициент полезного действия |
|---|---|
| 10-20 | 0,8 |
| 20-40 | 0,85 |
| 40-100 | 0,88 |
| 100-300 | 0,92 |
Как показано в таблице, величина параметра напрямую зависит от суммарной мощности.
Определение КПД методом непосредственных измерений
Формулу для вычисления КПД можно представить в нескольких вариантах:
(3)
Данное выражение наглядно отражает, что значение КПД трансформатора не больше единицы, а также не равно ей.
Следующее выражение определяет значение полезной мощности:
где U2 и J2 — вторичные напряжение и ток нагрузки, а cosφ2 — коэффициент мощности, значение которого зависит от типа нагрузки.
Поскольку P1=ΔP+P2, формула (3) приобретает следующий вид:
(5)
Электрические потери первичной обмотки ΔPэл1н зависят от квадрата силы протекающего в ней тока. Поэтому определять их следует таким образом:
(6)
(7)
где rmp — активное обмоточное сопротивление.
Так как работа электромагнитного аппарата не ограничивается номинальным режимом, определение степени загрузки по току требует использования коэффициента загрузки , который равен:
где J2н — номинальный ток вторичной обмотки.
Отсюда, запишем выражения для определения тока вторичной обмотки:
Если подставить данное равенство в формулу (5), то получится следующее выражение:
(10)
Отметим, что определять значение КПД, с использованием последнего выражения, рекомендовано ГОСТом.
Резюмируя представленную информацию, отметим, что определить коэффициент полезного действия трансформатора можно по значениям мощности первичной и вторичной обмотки аппарата при номинальном режиме.
Определение КПД косвенным методом
Из-за больших величин КПД, которые могут быть равны 96% и более, а также неэкономичности метода непосредственных измерений, вычислить параметр с высокой степенью точности не представляется возможным. Поэтому его определение обычно проводится косвенным методом.
Обобщив все полученные выражения, получим следующую формулу для вычисления КПД:
Подводя итог, следует отметить, что высокий показатель КПД свидетельствует об эффективно производимой работе электромагнитного аппарата. Потери в обмотках и стали сердечника, согласно ГОСТу, определяют при опыте холостого хода, либо короткого замыкания, а мероприятия, направленные на их снижение, помогут достичь максимально возможных величин коэффициента полезного действия, к чему и необходимо стремиться.
