Ćwiczenie 352. Badanie charakterystyk transformatora

Transkrypt

1 Ćwiczenie 35. Badanie charakterystyk transformatora. Literatra. Podstawy Fizyki tom. 3 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker PWN 005. Fizyka krótki krs Czesław Bobrowski WNT Fizyka tom J. Orear WNT Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki Część II Irena Krk, Jansz Typek, Wydawnictwo czelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin. Tematy teoretyczne Indkcja magnetyczna, definicja tesli, strmień indkcji magnetycznej i jego jednostka, prawo indkcji elektromagnetycznej Faradaya, regła Lenza, indkcja własna i wzajemna obwodów, prąd sinsoidalnie zmienny, moc skteczna prąd zmiennego, solenoid, transformator (nieobciążony, obciążony, charakterystyki transformatora. 3. Metoda pomiarowa Przy życi woltomierzy oraz amperomierzy (mltimetrów mierzone jest napięcie oraz natężenia na obwodzie pierwotnych oraz wtórnym transformatora. Badany jest transformator nieobciążony oraz obciążony. 4. Zestaw pomiarowy źródło zasilania, rezystor o reglowanej rezystancji, transformator (zwojenie pierwotne, zwojenie wtórne, rdzeń ferromagnetyczny, dwa woltomierze (mltimetry (do pomiar napięcia na zwojeni pierwotnym oraz na zwojeni wtórnym dwa amperomierze (do wypożyczenia w pokoj Obsłga transformatora Transformator składa się z dwóch zwojeń: pierwotnego (po lewej stronie, wtórnego (po prawej stronie. Zasilanie należy podłączyć do zwojenia pierwotnego, natomiast na zwojeni wtórnym badamy napięcie i natężenie prąd przetworzonego przez transformator.

2 Liczbę zwojów na każdym zwojeni należy odczytać smjąc liczby zwojów pomiędzy gniazdami przeznaczonymi na kable zasilające. Na przykładowym rysnk powyżej widać, że w zwojeni pierwotnym zostały żyte wszystkie zwoje, czyli (licząc od doł: N= = 40 Natomiast w przypadk zwojenia wtórnego: N = = 70 Dokładniej ilstrje to drgie zdjęcie. Tabela pomocnicza - łatwiająca stawienie właściwej przekładni transformatora Liczba Składniki liczby = Przebieg ćwiczenia A Badanie transformatora nieobciążonego Transformatorem nieobciążonym nazywamy transformator, do którego zwojenia wtórnego nie podłączono żadnego odbiornika prąd. W tym zadani do zwojenia wtórnego podłączony jest tylko woltomierz, który ma bardzo dżą rezystancję (kilka megaomów. Oznacza to, że w zwojeni wtórnym płynie prąd o pomijalnie małym w tym przypadk natężeni ( dziesiąte części mikroampera. Podłączyć kład jak na rysnk: Aby miernik niwersalny spełniał rolę woltomierza prąd zmiennego, należy: wykorzystać gniazda oznaczone COM oraz VΩHz, pokrętłem wybrać zakres 0V, a przyciskiem DC/AC napis AC na wyświetlacz (AC= Alternated Crrent = prąd zmienny. Na tym zakresie dokładność pomiarów napięcia wynosi C =0,5%, czyli niepewność pomiar napięcia obliczymy jako (= 0,005

3 Amperomierz analogowy podłączyć wykorzystjąc gniazda oraz ~A i wybierając zakres 3A~ (oznaczony czerwoną kropką. Klasa dokładności nowego amperomierza analogowego wynosi,5 a starego 0,5. Oznacza to, ze niepewność natężenia prąd mierzonego przez te mierniki obliczymy odpowiednio ze wzorów: (I= 0,05I oraz (I= 0,005I. Amperomierz cyfrowy firmy PeakTech podłączamy do gniazd COM oraz 0A i lb do gniazd COM oraz ma. Na wszystkich zakresach dokładność tego amperomierza wynosi C =0,5%, czyli (I= 0,005I. W zasilacz wybrać gniazda oznaczone AC. WAGA: podczas wykonywania doświadczenia należy cały czas obserwować prąd płynący przez amperomierz analogowy. Nie może on przekroczyć wartości 3A! WAGA! Całe ćwiczenie składa się z pięci zadań. Każdego ćwiczącego obowiązje znajomość wszystkich zadań. Ze względ na pracochłonność części zadań należy wykonać pomiary do co najmniej 3 zadań wskazanych przez bezpośredniego opiekna. Wskazane jest, aby ćwiczący wykonał co najmniej: - jedno z zadań, - zadanie 3, - jedno z zadań 4, 5. Zadanie. Celem tej części ćwiczenia jest zbadanie mocy pobieranej ze źródła przez nieobciążony transformator Czynności pomiarowe: wybrać liczbę zwojów w zwojeni pierwotnym N =70 a w zwojeni wtórnym N =70 zwojów. Przekładnia transformatora z=n /N =. Taki transformator nie zmienia napięcia, lecz słży jako separator oddzielający obwód zasilany od zasilającego (obwód wtórny z pierwotnym nie jest bezpośrednio połączony elektrycznie- moc do obwod wtórnego przenoszona jest przez zmienne pole magnetyczne w rdzeni. Za pomocą zworki na zasilacz stawić kolejno napięcie zasilające równe V, 4V itd., tak jak to zaznaczono w tabeli i wykonać pomiar zależności napięcia w obwodzie wtórnym od napięcia zasilania i natężenia prąd I w obwodzie pierwotnym. Wyniki mieścić w tabeli. Tabela. 3

4 z ( I (I P [W] (P N N ( Niepewności napięcia, czyli ( oraz natężenia, czyli (I, obliczamy kierjąc się wagami podanymi powyżej, przy opisie przyrządów, a niepewność mocy ze wzor: (P = I ( + ( I Zadanie Celem tego zadania jest zbadanie, jak napięcie na zwojeni wtórnym transformatora zależy od jego przekładni Czynności pomiarowe: stawić przy pomocy zworki napięcie zasilające na V. Wybrać liczbę zwojów w zwojeni wtórnym N =70 liczbę zwojów w zwojeni pierwotnym zmieniać tak, jak podano w tabeli, mierząc za każdym razem napięcie i natężenie prąd w obwodzie pierwotnym i wtórnym. Sposób podłączenia przewodów w obwodzie pierwotnym w cel zyskania określonej liczby zwojów opisano w części Obsłga transformatora. Wyniki zebrać w tabeli. Tabela. ( I (I P [W] (P N ( N /N / ( / 8,50 4,67 56,5 70, , ,7 0,63 6 0, ,50 Obliczyć moc P pobieraną ze źródła oraz sprawdzić, czy potwierdza się zależność N /N = /. Moc P w zwojeni pierwotnym nieobciążonego transformatora obliczać ze wzor P = I. Niepewności (I, ( oraz (P policzyć wedłg wskazówek podanych w zadani. Ponadto: ( + ( = 4

5 B Badanie transformatora obciążonego W transformatorze obciążonym w zwojeni wtórnym włączony jest odbiornik. W tym doświadczeni odbiornikiem będzie rezystor o zmienianej (przez mierzącego wartości rezystancji, na którym to rezystorze będzie wydzielała się pobierana z zwojenia pierwotnego energia. Należy podłączyć kład wedłg schemat na rysnk: (przeczytaj wagi na temat obsłgi mierników Dalej przedstawione jest zdjęcie prawidłowo połączonego obwod. Z źródło zasilania R rezystor o reglowanej rezystancji T transformator woltomierz (zwojenie pierwotne woltomierz na (zwojenie wtórne I amperomierz (zwojenie pierwotnebywa zastępowany miernikiem analogowym Rys.. Transformator obciążony (zdjęcie kład. I miliamperomierz (zwojenie wtórne Mierniki wykorzystywane w doświadczeni mogą być różnego typ, dlatego poniżej opiszę tylko ogólne zasady ich podłączania. W reglowanym rezystorze R wykorzystjemy zaciski oznaczone kolorem czarnym i czerwonym. Mierniki żyte jako woltomierze (, powinny być stawione na zakres 0V, a przewody podłączone do gniazd COM oraz VΩ tych mierników. Amperomierz cyfrowy I przedstawiony na zdjęci może być zastąpiony jednym z dostępnych amperomierzy analogowych. Zadanie3. 5

6 Czynności pomiarowe: W zwojeni pierwotnym wybrać N =40 a we wtórnym N =70 zwojów. stawić zworką napięcie zasilające z =V stawić amperomierz w obwodzie wtórnym na zakres 0A (należy odłączyć przewody od miernika, przełącznikiem wybrać zakres ~0A i następnie podłączyć przewody do gniazd wejściowych COM i 0A Amperomierz analogowy w obwodzie pierwotnym nadal stawiony ma być na zakres 3A. Zmieniać wartość opor w obwodzie wtórnym. W tym cel przeswać stopniowo swak reglowanego rezystora od wartości największego opor (patrz rysnek obok do wartości, przy której natężenie prąd I w obwodzie wtórnym osiągnie ok. 0,5A. Zapisać wartości, I oraz i I w tabeli 3. R=R max Tabela 3 I I P P η= ( (I ( [ma] (I [W] (P [W] (P P /P (η Celem tego ćwiczenia jest potwierdzenie, że: Transformator wprowadza straty mocy: Opracowanie pomiarów: Moc wydzielaną w obwodzie pierwotnym i wtórnym oraz sprawność transformatora obliczyć ze wzorów: 6

7 P P = I ; P = I ; η = P Niepewności wyliczyć stosjąc się do wskazówek w zadani. Ponadto: P P ( η = ( P + ( P P Transformator dopasowje oporność wyjściową do oporności wejściowej: W kładach elektronicznych transformator słży często do tego, aby dostosować oporność (rezystancję obwod wejściowego do rezystancji obwod wyjściowego. W elementarny sposób można dowodnić, że straty mocy są najmniejsze, gdy opór zewnętrzny i opór wewnętrzny są równe. Na przykład, gdy oporność wyjściowa wzmacniacza wynosi 4Ω niecelowe jest stosowanie głośników 8Ω, gdyż część mocy wzmacniacza zostanie niewykorzystana. Jednym ze sposobów dopasowania obwodów jest zastosowanie transformatora, którego oporność obwod pierwotnego i wtórnego są dopasowane odpowiednio do wyjścia pierwszego kład i wejścia następnego. Aby zbadać rezystancję wejściową i wyjściową transformatora sporządzić wykresy I ( oraz I ( i stosjąc metodę regresji liniowej wyznaczyć rezystancję wejściową oraz rezystancję wyjściową transformatora. Wartość bezwzględna współczynnika kiernkowego zyskanych prostych odpowiada rezystancji transformatora (zyskane proste można opisać równaniami: =-R I +b oraz =-R I +b ; b,b - pewne stałe, R, R - rezystancja wejściowa i wyjściowa transformatora. Wyznaczyć też niepewności R i R korzystając ze wzorów regresji liniowej. Zadanie 4. Transformator może słżyć do obniżania napięcia zmiennego. Ta cecha wykorzystywana jest powszechnie w zasilaczach do rządzeń powszechnego żytk, które wymagają zazwyczaj do zasilania napięcia znacznie mniejszego niż 30V. Transformator obniża to napięcie separjąc równocześnie zasilane rządzenie od, niebezpiecznego dla życia, napięcia sieciowego. Aby obniżyć napięcie zwojenie wtórne powinno mieć mniej zwojów niż zwojenie pierwotne. Jednocześnie trzeba pamiętać, aby straty mocy pobieranej ze źródła były jak najmniejsze. Dlatego zwojenie pierwotne powinno posiadać dżą liczbę zwojów N. W typowych transformatorach sieciowych powszechnego żytk N wynosi przeważnie ponad tysiąc zwojów a N kilkadziesiąt zwojów. Wtedy indkcyjność zwojenia pierwotnego jest dża (indkcyjność L ~ N, zawada zwojenia jest również dża, a prąd I niewielki. Nasz doświadczalny transformator nie spełnia tych warnków, gdyż słży on jedynie do celów doświadczalnych (maksymalne N wynosi zaledwie 40 zwojów. Znaczne obniżenie napięcia pozwala przy tej samej (pomijając straty pobieranej mocy znacznie zwiększyć natężenie prąd, co wykorzystje się np. przy spawarkach elektrycznych. Czynności pomiarowe: Aby przeprowadzić to doświadczenie należy przy stałym napięci zasilającym z, stałej liczbie zwojów zwojenia wtórnego N i stałej oporności obciążenia zbadać zależność napięcia i natężenia prąd w obwodzie wtórnym od napięcia i natężenia w obwodzie pierwotnym przy różnych przekładniach transformatora. 7

8 W tym cel: stawić napięcie zasilające Z =V, a swak reglowanego rezystora w górnym położeni (maksymalna oporność. Podłączyć w zwojeni pierwotnym amperomierz analogowy i wybrać zakres pomiarowy równy 3A. W zwojeni wtórnym wybrać zakres amperomierza cyfrowego równy 00mA (odłączyć przewody od miernika, przełącznikiem wybrać 00m A~, a następnie podłączyć przewody do gniazd COM oraz ma. W zwojeni wtórnym wybrać liczbę zwojów N =4 Zmieniając liczbę zwojów w zwojeni pierwotnym, tak jak w tabeli 4, zapisać wartości, I oraz i I. Tabela 4 ( I ( I N N ( I ( I z = N N 4 0, ,5 70 0, ,7 98 0,4 0,3 6 0, 40 0,0 Narysować wykres zależności napięcia od liczby zwojów N. Wyjaśnić przyczynę nieliniowości zyskanego wykres. Niepewności (I, ( oraz ( / policzyć wedłg wskazówek podanych w zadani i wzor podanego w zadani. Zadanie 5. Transformator może słżyć do podwyższania napięcia zmiennego Prąd płynący w przewodnik powodje jego rozgrzewanie się i straty mocy tym większe, im większe jest natężenie płynącego prąd. Moc prąd wyraża zależność P=. I, zatem taką samą moc możemy przesłać stosjąc dże natężenie prąd i niskie napięcie, lb na odwrót. Dlatego do przesyłania prąd z elektrowni stosje się wysokie napięcie (np. 00kV, dzięki czem natężenie prąd w przewodach jest znacznie niższe i straty są mniejsze. W tym cel w elektrowniach stosje się transformatory podwyższające napięcie, a w miejsc odbior transformatory obniżające je do bardziej bezpiecznego napięcia 30V. Podwyższanie napięcia (do ok.5kv niezbędne jest też w kineskopach telewizorów i lampach monitorów i oscyloskopów starszego typ. Aby przeprowadzić to doświadczenie należy przy stałym napięci zasilającym z, stałej liczbie zwojów zwojenia wtórnego N i stałej oporności obciążenia R zbadać zależność napięcia i natężenia prąd I w obwodzie wtórnym od napięcia i natężenia I w obwodzie pierwotnym przy różnych przekładniach transformatora. W tym cel: 8

9 stawić napięcie zasilające Z =V, a swak reglowanego rezystora R w górnym położeni (maksymalna oporność. Podłączyć w zwojeni pierwotnym amperomierz analogowy starego typ i wybrać przełącznikiem zakres pomiarowy równy A. W zwojeni wtórnym wybrać zakres amperomierza cyfrowego równy 0A (należy odłączyć przewody od miernika, przełącznikiem wybrać zakres ~0A i następnie podłączyć przewody do gniazd wejściowych COM i 0A W zwojeni pierwotnym wybrać liczbę zwojów N =4 Zmieniając liczbę zwojów w zwojeni wtórnym, tak jak w tabeli 5, zapisać wartości, I oraz i I. Tabela 5. ( I ( I N N ( I ( I N N 4 4,00 56,33 70,67 84,00 98,33,67 6 3, ,33 Wykreślić zależność (N - napięcia od ilości zwojów zwojenia wtórnego N. Zarówno w tabeli 4 jak i w tabeli 5 ostatnie dwie kolmny ( t.j. N /N oraz / powinny być, zgodnie z wiel podręcznikami, identyczne. Jeśli tak nie jest (w granicach niepewności pomiarowej proszę wyjaśnić, z czego wynikają rozbieżności. 9