自控元件单相变压器实验

2021-2022学年第一学期自动控制元件实验报告实验名称： 单相变压器实验 姓 名： 学 号： 班 级： 组 别： 同组成员： 实验时间： 年 月 日一、实验目的1. 掌握测试变压器参数和特性曲线的方法。 2. 掌握通过测得参数和曲线分析变压器特性的基本能力。 3. 分析理论计算结果与实验结果的差异，研究影响实验数据的影响因素，包含测试方法、测试仪表、测试环境等。 4. 培养在设计或应用单相变压器过程中，能够根据节能环保和可持续发展原则，分析变压器特性的基本能力。 5. 培养团队分工与合作能力，提升自身在团队中承担任务的能力。 二、实验内容1、空载实验 1.1 变压器的变比 设变压器的一次绕组匝数为N1,二次绕组匝数为N2则变压器空载时，其变 比k=N1N2U10U20 1 其中U10为一次绕组所加电压额定电压,U20为二次绕组开路电压。 1.2 变压器的激磁阻抗 变压器空载时的等效电路如图1所示。图 1 变压器空载等效电路Z1=R1+jXi，其中R1为一次绕组电阻，很小；Xi为一次绕组漏电抗，很小；Zm=Rm+jXm ，其中Rm为激磁电阻，它是表征铁心的铁心损耗的等效电阻；Xm为激磁电抗，它是表征铁心磁化性能的等效电抗。 由于|Z1| |Zm|，忽略 ，可得激磁阻抗|Zm|U10I10 2由于空载电流很小，它在一次绕组电阻上产生的铜耗很小，可以忽略，所以 空载输入功率可以认为就是供给铁心损耗的，所以RmP0I102 3于是Xm=|Zm|2Rm2 4为了实验时的安全以及便于选择仪表，空载实验通常在变压器的低压侧加电 压，高压侧开路，此时测出的值为折算到低压侧的值。 1.3 变压器的空载特性 空载特性即U10=f(I10)。空载时二次侧开路，一次侧相当于一个带铁心的线圈。实验时，对于U10不同的电压值，测出相应的电流值I10，就可以描绘出所 谓的空载特性曲线。 根据U10=4.44fN1m,m=BmS,得Bm=m/S;而H=I10N1/L，所以有 BmU10 (5) HI10 (6) 从式（5）、（6）可以看出U10=f(I10)实际上是一条坐标按比例变化了的铁心磁 化曲线,它是非线性的，在电流比较小的一段范围内接近线性，随着电流增大,非线性越来越严重，出现饱和特性。而U10I10BH,这说明不同的工作点处，变压器的激磁阻抗是变化的，铁心的磁导率也是变化的。 2、短路实验 把二次绕组短路，一次绕组加一可调低电压U10，调节此低电压，使一次绕组的电流I10达到额定值，测量此时的一次电压Uk（短路电压）、输入功率Pk和一次电流Ik（短路电流）。 变压器短路的等效电路如2图所示。图 2 变压器短路等效电路此时Zm=Rm+jXm支路和Z2'=R2'+jX2'支路是并联的。由于短路电压很小,因此短路实验时变压器铁心内的主磁通很小，激磁电流和铁耗均可忽略不计，激磁支路相当于开路，输入功率可认为全部用于一次和二次绕组的电阻铜耗上，于是 有短路阻抗 |Zm|=|Z1+Z2'|=UkIk 7 短路电阻Rk=R1+R2'PkIk2 (8)短路电抗Xk=X1+X2'=|Zk|2Rk2 (9)通常取R1=R2'=Rk2,X1=X2'=Xk2一般短路实验是高压边接电源，低压边短路，因为低压边承受过载电流的能 力强些，而高压边加的U1很小，传递到低压边的U2更小，这样实验比较安全。 由空载实验和短路实验得到的参数，就可以得出实验用变压器的等效电路。由空载实验和短路实验得到的参数，就可以得出实验用变压器的等效电路。3、 实验设备及仪表1. 单向变压器一台（被测对象）已知参数:额定电压:高压绕组220V;低压绕组127V额定电流:高压绕组0.3A;低压绕组0.4A2. 三相交流调压器一台3. 仪表的配备(每个实验组配给的仪表)交流电压表：量程范围0 500V毫安表：量程范围0 100mA功率表：量程范围0 37.5W万用表4、 实验步骤及实验数据1.变压器空载实验空载实验线路图如图3所示。图3 变压器空载实验电路图（1） 按图 3连接实验线路，一次侧低压（127V）绕组加电压U10，电压值从电源电压显示读数读取，一次侧接有一电流表和一功率表，分别用于测量空载电流I10 和空载功率P10；二次侧高压（220V）绕组开路，接一电压表，测量U20。一次侧电流表量程为50mA，功率表同名端相连，量程为37.5W；二次侧电压表量程为220V。 （2） U10从小到大依次取表 1 中的电压值，测量I10的数值，数据记录于表 1中。表1 变压器空载实验数据U10(V)0 20406080100115127140152160I10(mA)015.2521.2525.328.7532.2535.538.5542.2548.553.5（3）在上面（2）的测量过程中，当一次侧加额定电压 127V 时，除测量I10外,还测量U20和P0，数据记录于表 2。 表 2 空载输入功率和输出电压U10(V)U20(V)P0(W)1272123.652.变压器短路实验短路实验线路图如图4所示。图4 短路实验线路图按图4接好线路，在高压绕组上加电源电压，先将调压器输入(电压Uk)调到0 V位置，再将低压绕组两端头(1 和3)短路，而后逐渐增大电源电压，当高压绕组电流达到额定值(Ik=0.32A)时，读Uk和Pk的值，填入表3中。表3 变压器短路实验数据表测试数据计算Ik（A）Uk（V）Pk（W）功率因数0.3218.495.60.9464575455、 实验分析及结论1、变压器的变比 根据式（1）和表 2 中的数据，计算一次侧 127V 低压绕组、二次侧 220V 高 压绕组的变压器变比为 k=N1N2U10U20=127212=0.62、变压器的激磁阻抗 根据式（2）、（3）和（4）以及表 1 和表 2 中的数据，计算一次侧取 127V 低压绕组、二次侧取 220V 高压绕组的变压器得激磁阻抗为 |Zm|U10I10=12738.55=3.3激磁电阻为 RmP0I102=3.65W38.55x38.55A=2.5m激磁电抗为 Xm=|Zm|2Rm23.33、 空载电路的功率因数 cos0=P0P1=P0U10I10=3.650.03855×127=0.74554、变压器的空载特性 根据表 1 的实验数据，以I10为横坐标、U10为纵坐标，绘制变压器空载时一 次绕组的特性曲线U10=f(I10),如图 5 所示。 图5 变压器空载特性曲线图中曲线 1 是对实验数据进行拟合后得到的曲线。为了更清楚地看出曲线的变化趋势，通过计算U10I10，还绘制了U10I10=g(I10)的曲线，这条曲线间接地表示了磁导率的变化过程。从两条曲线的变化过程可以看出：（1） 变压器空载时，一次侧电流随着一次侧电压增大而非线性增大，且上升越来越缓慢。（2） 变压器空载时，一次侧绕组的电压与电流比值随电流增加而增大，当增大到一定值后，开始缓慢下降。5、变压器的短路阻抗 根据式（7）和表3中的数据计算得变压器的短路阻抗|Zm|=|Z1+Z2'|=UkIk =18.490.32 =57.78 6、变压器的 T 型等效电路图6 变压器短路的T 型等效电路7、变压器短路时的功率因数cos=PkUkIk=5.60.32×18.49=0.946六、变压器节能环保相关问题探讨H级干式变压器：我国目前常用的干式配电变压器主要是F级绝缘的环氧树脂浇注型或缠绕型的产品，最近，国内推出一种采用Nomex绝缘纸作绝缘的H级绝缘干式变压器。通过F1级耐火能力、E2级环境适应能力和承受C2级热冲击能力试验，证明它具有良好的电气性能、机械性能和较高的耐热等级，并且是一种安全性好的环保产品，能在多种恶劣的环境下运行，值得推广使用。1.特点：（1） 耐热绝缘等级高，过载能力强Nomex纸的耐热绝缘等级属C级，在高温下具有非常稳定的化学性能，可在220 C的高温下长期安全使用。干式变压器绝缘等级定格为H级(180C),留有较大的过载裕度，因而具有较大的过载能力。（2）机械性能好，局部放电少，抗短路能力强Nomex纸比普通绝缘纸有较高的机械强度。干式变压器的高压绕组采用H级绝缘漆包扁铜线绕制，分段层式结构，有效地降低了层间电压;低压绕组采用优质的、导电性能好、局部放电少的铜箔绕制，层式结构，大大降低了轴向短路力。高压绕组和低压绕组同属包裹型线圈，均以Nomex纸作层间绝缘，并用H级绝缘胶缠绕、包封，高温固化形成一个整体。这样，高低压绕组都被封在Nomex纸的保护层中，并且H级绝缘漆和Nomex纸都具有一定的弹性，因而具有较好的机械性能和较强的抗短路能力。另外，由于制造过程不采用环氧树脂真空浇注或缠绕，所以消除了存在气泡的危险，即使万一绕组内部含有微小的气泡，也不会像环氧树脂绕组那样对产品造成危害。（3）环境适应力和抗污秽、盐雾能力强由于高低压绕组都被封在Nomex纸的保护层中，而Nomex纸抗盐雾及防污秽能力强，且化学稳定性好，潮湿对Nomex纸的电气性能影响又很小，所以H级干变有较好的环境适应性，有较好的耐潮、耐碱、耐污秽能力。（4）安全性好Nomex纸可以长期耐受220 C的高温，在起火的情况下具有自熄能力。即使在完全分解的情况下，也不会产生烟雾和有害气体。万一发生火灾,也便于扑救。H级干式变压器由于具备以上特点，除适用于一般场合外，还特别适用于某些对电气设备要求特别苛刻的场所，如易燃、湿热、昼夜温差大、对噪音水平严格控制的地方以及大气污秽或盐雾严重的地区。