实验五  单相变压器实验

    一、实验目的

    1．巩固判别变压器绕组同名端(同极性端)的方法；

    2．测定变压器空载特性，并通过空载特性曲线判定磁路的工作状态；

    3．测定变压器的外特性；

    4．学习利用变压器短路实验测量变压器铜损的方法。

    二、实验原理

    1．变压器绕组同名端的判定

    判别在磁场上有相互联系的各绕组间的同名端，是进行绕组间相互正确连接的前提。例如：一台变压器有多个原绕组和副绕组需要串联或并联使用时：几个变压器绕组间需要串联或并联使用时；三相变压器绕组间需要接成不同接线组别时。

本实验将通过常用的交流电压表法，判别单相变压器原、副绕组的同名端，以巩固学习成果。实验方法如图5—1所示。

图 5-1 用交流电压表法判别变压器绕组同名端实验电路

先把各绕组其中一个端点(如端点2与4)相联。在端点1和2间加交流电压U₁₂，再用电压表测量1与3和3与4间的电压U₁₃和U₃₄。若U₁₃=U₁₂+U₃₄，则可判定2和4是异名端。若U₁₃＝U₁₂－U₃₄，则可判定2和4是同名端。

2．变压器的空载实验

变压器原边加额定电压，副边开路的工作状态称变压器空载。空载实验测得的电流称为空载电流I₀，测得的功率P₀，称空载损耗。空载损耗包括原边电阻R₁上的铜损耗Pcuo和铁心损耗P_Fe，(涡流损耗和磁滞损耗)。即P₀=P_CUO+P_Fe＝I₀²R₁+P_Fe。通常变压器空载电流很小，I₀＝5～12％I_N左右。R₁也很小，故空载损耗可认为就是铁心损耗，P₀≈P_Fe。

变压器的变比是在空载时测定的，变比K_u为： ，式中U₁为原边电压，U₂₀为副边空载时的电压。

变压器空载时，原边电压U₁与空载电流I₀的关系：I₀＝f (U₁)称为空载特性曲线，如图5—2所示。空载特性曲线和铁心的磁化曲线形状是一样的。空载特性可以反映变压器磁路的工作状态。磁路工作的最佳状态是U_l等于原边额定电压时，工作点在空载特性曲线接近饱和而又没有达到饱和状态的拐点处，如图5—2中的A点所示。如果工作点偏低(如图中的B点)，空载电流很小，说明磁路远离饱和状态，可以适当减少铁心的截面或适当减少线圈匝数，如果工作点偏高（如图中C点），空载电流太大，则说明磁路已达到饱和状态，应适当增大铁心截面或适当增加绕组的匝数。

图 5-2 变压器空载特性曲线

3．变压器的外特性实验

变压器原、副绕组都具有内阻抗，即使原边电源电压U₁不变，副边电压U₂也将随负载电流I₂的变化而变化。在U₁一定，负载功率因数cos 不变时，U₂与I₂的关系：U₂＝f（I₂）称为变压器的外特性。对于电阻性或电感性负载，U₂随负载电流I₂的增大而减少，如图5—3所示。

4．变压器的短路实验

短路实验是将变压器副边短路，原边加较低的电压，使原边电流达到额定值情况下所进行的实验。实验中原边所加电压U_S称为短路电压，短路实验所测得的功率损耗P_S称为短路损耗，即

图 5—3 变压器的外特性

式中R₂为变压器副边电阻。因为短路时电压很低，铁心中的磁通密度与其额定磁通密度相比小得多，故短路实验时铁损是很小的，因为I_1S≈I_1N，I_2S≈I_2N，则可以认为短路损耗就是变压器额定运行时的铜损耗。即

从变压器空载、短路实验测得的铁损和铜损，可以求得变压器额定运行时的效率为

其中P_2N为变压器额定运行时副边输出的有功功率。

三、实验内容及步骤

1．判别变压器原、副绕组的同名端

按原理1中叙述的方法，原边加额定电压220V，判别原、副绕组的同名端。

2．空载实验

按图5—4接线，本实验中空载实验采用从低压边做的方法，即从副绕组(低压边)加电压110V，原绕组开路。

图 5—4 空载实验

调节自耦调压器使输出电压U为低压侧额定值U_2N，并测高压侧电压U₁₀，低压空载电流I₂，空载损耗P，计算电压比K₀，填入表5—1中。

表5—1

    将电压U升高到1.2U_2N值，然后逐渐降低至0.2U_2N为止，取7—9个点。读取相应的电压、电流和功率，填入表5—2中。

表5—2

    注意：因变压器空载时功率因数很低(约0.2)，所以测取功率时应选用低功率因数功率表。

    3．测定变压器的外特性(电阻性负载)

    按图5—5连接线路，用自耦调压器维持单相变压器原边电压U₁始终为220V。从空载起至副边电流达额定值为止，在此范围内读取五、六个点数据(包括空载点和满载点)，记录在表5—3中。

图 5-5 外特性实验

表5—3

4．短路实验

图 5-6 短路实验

用导线将副边短路，按图5—6接线。由于短路电压一般都很低，只有额定电压的百分之几，所以调压器一定要旋到零位才能闭合电源开关。然后逐渐增加电压，使短路电流达到高压侧额定电流值。测定此时的电压、电流和功率的数值，填人表5—4中。

表5—4

    四、实验设备

    1．自耦调压器(在电源箱上，包括指示电压表，熔断器)一套；

    2．交流电流表(TS—B—04)；（TS—B—05)； (TS—B—31)三只；

    3．交流电压表(TS—B—30)一只；

    4．低功率因数功率表一只；

    5．单相变压器(200VA，220／110V)一台；

    6．白炽灯负载单元板(TS—B—23)一块；

    7．滑线电阻器一只。

    8．导线若干。

    五、实验报告要求

1．根据测量数据计算变比K_u；

2．绘制本台变压器空载特性及外特性曲线；

    3．根据外特性曲线，求出满载时的电压变化率；

    式中U₂为变压器副边电流为额定值时的副边电压；

    4．回答问题：

    （1）根据你所绘制的空载特性曲线，说明你所使用的变压器副边匝数设计得是否合理?为什么?

（2）一台变压器铭牌丢失，不知原边的额定电压是多少?你能否通过实验作出正确判定?