Лабораторна робота № 3.8. Визначення ККД трансформатора

Мета роботи – вивчити явища самоіндукції та взаємоіндукції; визначити залежність ККД трансформатора від струму навантаження.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: явище електромагнітної індукції; явище самоіндукції; індуктивність; явище взаємної індукції, трансформатор.

[ 1, т.2§§ 10.1, 10.2, 10.5; 2, §§ 122, 123, 128, 129; 3, §§ 9.8, 9.9; 4, т.2 §§ 60, 61, 66]

Трансформатор – пристрій для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги. При цьому частота змінного струму не змінюється. Трансформатор складається з двох обмоток (первинної та вторинної) з різною кількістю витків, які індуковано зв’язані магнітним осердям (рис. 3.8.1).

Змінний струм, що проходить по первинній обмотці, створює змінний магнітний потік. Цей магнітний потік по магнітному осердю передається на вторинну обмотку, в якій збуджується змінна ЕРС. Для кращої передачі магнітного потоку з первинної обмотки на вторинну, осердя виготовляють із матеріалів з великим m, до яких відносяться феромагнетики.

Розрізняють два режими роботи трансформатора: холостий хід і робота навантаженого трансформатора. У режимі холостого ходу вторинна обмотка трансформатора розімкнена (трансформатор не навантажений). При цьому струм у первинній обмотці мінімальний і визначається опором обмотки змінному струму:

, (3.8.1)

де R ₁ – активний опір обмотки; w =2π ν – циклічна частота змінного струму (ν = 50 Гц); L ₁ – індуктивність обмотки; w L ₁ – індуктивний опір первинної обмотки.

Робота трансформатора на навантаження супроводжується зменшенням індуктивного опору первинної обмотки, струм у ній зростає пропорційно до навантаження. Нехтуючи втратами енергії, які у сучасних трансформаторах не перевищують 2 %, на підставі закону збереження енергії можна записати, що потужність струму в обох обмотках трансформатора практично однакова, тобто:

. (3.8.2)

Трансформатор характеризується коефіцієнтом трансформації:

. (3.8.3)

Якщо К > 1, трансформатор називають підвищувальним, якщо К < 1 – знижувальним.

Розрізняють два види втрат потужності в трансформаторі: втрати в міді та втрати в сталі. До перших відносяться втрати потужності на розігрів обмоток згідно з законом Джоуля – Ленца. Для зменшення цих втрат обмотки виготовляють з провідників які мають малий опір.

Втрати в сталі зводяться до трьох факторів: виділення тепла за рахунок струмів Фуко; втрати енергії, зв’язані з перемагнічуванням осердя; розсіяння магнітних силових ліній. Для боротьби зі струмами Фуко осердя виготовляють з тонких пластин ізольованих одна від одної. Для боротьби з втратами на перемагнічування, осердя виготовляють з феромагнетика з малою коерцитивною силою. Коерцитивна сила – це напруженість такого зовнішнього магнітного поля, яка необхідна для розмагнічування осердя. Зменшення втрат за рахунок розсіяння силових ліній досягають спеціальною геометричною формою осердя.

ККД називається відношення корисної потужності до витраченої:

. (3.8.4)

Якщо втрати потужності виразити через D Р, формулу (3.8.4) можна записати у вигляді:

. (3.8.5)

Як правило:

, (3.8.6)

де , − потужності теплових втрат відповідно в первинній та вторинній обмотці; – потужність холостого ходу (враховуються всі види втрат, крім теплових). Тому остаточний вираз для ККД трансформатора набуде такого вигляду:

. (3.8.7)