四川大学电机学实验报告

四川⼤学电机学实验报告
实验报告书
课程名称：电机学
实验项⽬：三相变压器的空载及短路实验专业班组：
成绩评定：
评阅教师：
报告撰写⼈：学号：
同组⼈员：学号：
学号：
学号：
⽬录
⼀、实验⽬的 (3)
⼆、实验原理 (3)
三、实验器材 (6)
四、实验内容及步骤 (7)
五、误差分析 (17)
六、实验总结 (19)
⼀、实验⽬的：
1 ⽤实验⽅法求取变压器的空载特性和短路特性。

2 通过空载及短路实验求取变压器的参数和损耗。

3 计算变压器的电压变化百分率和效率。

4掌握三相调压器的正确联接和操作。

5 复习⽤两⽡特法测三相功率的⽅法。

⼆、实验原理：
1、电⼒系统采⽤的是三相供电制，所以电⼒系统中⽤得最多的是三相变压器。

当三相变压器的⼀、⼆次绕组以⼀定的接法联接，带上三相对称负载，⼀次绕组接对称的三相电源时，其⼯作在对称情况，此时各相电压、电流⼤⼩相等，相位相差120度。

此可取三相中任意⼀相进⾏分析计算，也即将三相问题简化为单相问题。

2、三相变压器主要有两种结构形式，⼀种是由三台单相变压器组合⽽成，称为三相组式变压器或三相变压器组;另⼀种形式是三柱式铁⼼变压器，称为⼼式变压器。

两种形式的变压器磁路系统完全不同。

3、电⼒变压器有五种联接组，分别是：
①Y，d11联接组：⽤于低压侧电压超过400V，⾼压侧电压在35kV以下，容量5600kV·A以下的场合。

②YN，d11联接组：⽤在⾼压侧需要中性点接地，电压⼀般在35～110kV以上的场合。

③Y，yn0联接组：⽤在低压侧为400V的配电变压器中，供给三相负载和单相照明负载，⾼压侧电压不超过35kV，容量不超过1800kV·A。

④YN ，y0联接组：⽤于⾼压侧中性点需要接地的场合。

⑤Y ，y0联接组：⽤在只供三相动⼒负载的场合。

最常⽤的联接⽅式是Y ，y0和Y ，d11两种。

4、变压器在进⾏能量传递过程中，内部有绕组的铜耗和铁⼼的铁耗，使变压器输出功率⼩于输⼊功率。

输出有功功率与输⼊有功
5、变压器中，常⽤变⽐来衡量变压器⼀、⼆次电压变换的幅度。

变⽐的定义是变压器⼀次绕组与⼆次绕组电势之⽐，⽤符号K 表⽰，即：
图1 三相变压器电压变⽐实验接线图
6、电⼒变压器中，空载电流的⽆功分量远远⼤于有功分量，所以空载电流基本上属于⽆功性质，空载电流⼜称为激磁电流或励磁电流。

空载电流的数值不⼤，⼤约为额定电流的2％-10％。

⼀般来说，变压器的容量越⼤，空载电流的百分数越⼩。

变压器从电⽹吸取的功率，除极少部分消耗在原绕组电阻损耗外，主要⽤于供给铁⼼损耗，由于铁耗的存在，激磁电流除磁化电流分量i 0r(i Fe)外，还有很⼩的铁耗分量i 0a(i m)。

磁化电流远远⼤于铁耗电流，所以变压器空载时功率因数很低。

变压器空载时，⼆次绕组开路，所以输出功率为零，但变压器要
从电源中吸取⼀⼩部分有功功率，⽤来补偿变压器内部的功率损耗，这部分功率转化为热能散逸出去，称为空载损耗。

图2 三相变压器空载实验接线图
7、短路实验参数与温度有关，
短路试验时温度与实际运⾏时不同，
需温度换算。

图3 三相变压器短路实验接线图
8、所谓标⼳值是⽤实际值与同⼀单位的某⼀选定的基准值之⽐，即
标⼳值＝实际值(任意单位)/基准值(与实际值相同单位)。

标⼳值是相对值，⽆单位。

某物理量的标⼳值⽤原来的符号右下⾓加“*”表⽰。

在电机中，常选各物理量的额定值作为基准值：
（1）额定相电压和相电流作为相电压和相电流的基准值；额定电压和电流作为线电压和线电流的基准值；
（2）电阻、电抗和阻抗采⽤同⼀个基准值，这些参数都是⼀相的值，所以阻抗基准值是额定相电压与额定相电流的⽐值；
9、利⽤变压器的基本⽅程式，可对变压器运⾏性能进⾏分析计算。

但是，由于
⼀、⼆次绕组匝数不相等，所以⼀、⼆次绕组感应电势不等，再加上⼀、⼆次绕组之间⽆电的直接联系，所以计算变得很复杂。

为了分析求解⽅便，在电机学中对变压器和电机的分析常采⽤折算法。

所谓折算，就是把⼀次和⼆次绕组的匝数变换成同⼀匝数的⽅法，即把实际变压器模拟为变⽐为1的等效变压器来研究。

图4 变压器T形等效电路
三、实验设备与仪器
1、三相组式变压器：
额定容量SN：6KVA 额定电压U1N/U2N：660V/380V
额定电流I1N/I2N:5.26A/9.09A 接法：Y/Y
2、测量⽤仪表：
T10-A型N12305电流表 T10-T型N2559电压表
T51N082201型电流表
3、可变电阻
四、实验内容与步骤：
1 测变⽐K。

2 空载实验，测取空载特性。

U
0=f(I
) P
=f(u
) cos＆
=f(u
)
3短路实验，测取短路特性
U
k =f(I
k
) P
k
) cos＆
k
=f(I
k
)
实验线路及步骤。

接线图见篮⾊部分
按上图调压器原边接电源，付边接电流插合⼀边，电流插合另⼀边接变压器低压
绕组，⾼压绕组开路，合上电源开关K ，调节调压器付边输出电压，合外施电压为低压绕组额定电压的⼀半左右（即U 20≈0.5U 2N ）对应不同的外施电压，测量⾼低压绕组的U AB ,U BC ,U CA ,U ab ,U bc ,U ca ,对应不同外施电压测量三组数据。

记录于下表：
注意：K=
3
C
B A K K K ++ ⽽ K A =
ab
AB ab
U AB
U U U =
同理 bc
BC U U B K =
ac
AC
U U Kc =
变⽐K 是三次数据的平均值。

实验结果:根据实验数据可知，三相变压器的变⽐为K=3.
2 空载实验
实验线路如上图空载实验在低压侧进⾏，调压器原边接电源，付边接电流插合⼀端，电流插合别⼀端接低压侧⾸端a,b,c,⾼压侧开路。

仪表接线如下图
合上电源开关K 之前，应将调压器⼿柄调到输出电压为零的位置，然后闭合开关K ，将电流插销插⼊插盒，电压测针插在正确位置。

调节调压器使输出电压
为低压绕级额定电压1.1到1.2倍，记下每⼀组数据，然后单⽅向逐次降低电压，
每次测量低压侧空载电压，电流及功率（⽤两⽡法测三相功率时，其两次功率读数就是a相电流，ab相电压，这是功率是P
ab,
和c相电流，bc相电压，这时功
率是P
bc
；b相电流，和ac相电压。

功率不计。

在测时应该注意正负，主要看功率表指针⽅向。

如果打反针则要将插梢换个⽅向。

）测7到8组数据记录于下表。

三相总功率等于P
ab ，P
bc
的代数和。

注意测量顺序
3短路实验
接线图如下
短路试验接线图
短路实验在⾼压侧进⾏，⾼压绕组经电流插盒和调压器接⾄电源，低压绕组⽤较粗导线直接短路。

仪器接线同上，仪表选择原则是：电流表量程⼤于⾼压边额定电流，电压表应是低量程的，因为短路电压只有额定电压的百分之⼏，⽽功率表应选⾼功率因素⽡特表。

为减⼩测量误差，电压接线应接⾄上图中的A，B，C位置（即电流之后或负载端）。

合上电源之前，⼀定要注意将调压器⼿柄置于零的位置。

然后接⼊仪表，合上电源开关K ，缓慢调节调压器输出，使短路电流I k 达到⾼压绕组的额定电流I 1N 。

在I k=I 1N 到0.4I 1N 范围内较快测取4，5组数据（因短路电流较⼤，为避免变压器发热⽽烧坏，故第⼀组应动作迅速）其测量顺序同空载顺序（⽤两⽡法测三相功率时，其两次功率读数就是a 相电流，ab 相电压，这是功率是P ab, 和c 相电流，bc 相电压，这时功率是P bc ；b 相电流，和ac 相电压。

功率不计。

在测时应该注意正负，主要看功率表指针⽅向。

如果打反针则要将插梢换个⽅向。

）三相总功率等于P ab ，P bc 的代数和。

并将数据记录于下表。

五、计算与分析：
1 计算变压器的变⽐K 。

2 根据空载实验数据，作出空载特性曲线。

计算公式：U 0=3
ac
bc ab U U U ++ I 0=
c
b a I I I ++
P 0=P ab ±P bc
cos ＆0=
000
.3I U P 则计算可得：
U 01=401V U 02=379V U 03=319V U O4=280V U O5=230V I 01=2.59A I 02=1.99A I 03=1.01A I O4=0.64 A I O5=0.34A P 01=995W P 02=711W P 03=404W P O4=166W P O5=72W cos δ01=0.553 cos δ02=0.544 cos δ03=0.724
COSδ04 =0.535 COSδ05 =0.532
将实测数据逐点计算记录于表：
按上表数据⽤直⾓坐标纸绘出空载特性曲线：
U 0=f(I
) P
=f(u
) cos＆
=f(u
)
图5 U0=f(I0)
图6 P 0=f(u 0)
图7 cos ＆0=f(u 0)
3 根据短路实验数据，作短路特性曲线。

计算公式：U K =3
AC BC AB U U U ++ I K =
3
C
B A I I I ++
P K =P AB ±P BC
cos＆
K =
K
K
K
I
U
P
.
3
则计算可得：
U K1=52.4V U K2=42.2V U K3=35.5V U K4=28.1V I K1=2.66A I K2=2.18A I K3=1.82A I K4=1.45A P K1=81.4W P K2=65W P K3=39W P K4=31W
cosδK1=0.337cosδK2=0.409cosδK3=0.435
CosδK4=0.439
将实测数据逐点计算记录于右表中：
按右表⽤直⾓坐标纸绘出短路特性曲线。

U K =f(I
K
) P
K
=f(u
K
) cos＆
K
=f(u
0K
)
图8 U K=f(I K)
图9 P K=f(u K)
图10 cos ＆K =f(u 0K )
4 参数计算
计算空载参数：（以U 0=U 2N ）
r m ≈r 0=
2
3I P =269.43Ω
Zm ≈Z 0=U0/ (3I0)=543.39Ω
X M =22m m r Z =471.89Ω
标⼳值：（U 2N 和I 2N ） U 2N =380V
I 2N = 9.09A
r m*=r m .N
N
U I 22= 6.45Ω Z m*=Z m .N N
U I 22= 13.00Ω
X m*=X m .N
N U I 22=11.29Ω计算短路参数：（取I K =I 1N 时的数据计算） U 1N =660V I 1N =5.26A
23k
k
I P k r =
θ
=1.40Ω k k
I U k Z 3=
= 3.35Ω
22k k k r Z X -==3.04Ω
折合以基准⼯作温度（统⼀记为C 020）下的短路参数：θθ
++=23575
23575
k k r r =1.70Ω
227575k k k X r Z +==3.48Ω
额定短路损耗：θk k r r k KN
P
P 75
==131.14W
标⼳值：（U 1N 和I 1N 均为相值） N N
U I k k r
r 1175*
= =0.018Ω
N U I k k N X X 1*1= = 0.019Ω
N N
U I k k Z
Z 1175*= =0.032Ω
5 画出变压器“T ”型等值电路，并将各参数⽤标⼳值标注在电路中，其中近似认为：*21*2*1k r r r == *21*2*1k X X X ==
r1*=0.006Ω X1*=0.017Ω r2*=0.006Ω X2*=0.023Ω
rm*=6.54Ω xm*=11.58Ω
图11 T 形等效电路
6 计算短路电压百分数（U 1N 和I 1N 均为相值）
U k =Z k75.%10011?N N U I
=4.83% U kr =r 75.%10011?N N
U I = 2.32%
U kx =X k .
%10011?N
N U I = 4.21%
7 计算额定负载时的电压变化率（cos ＆K =0.8和cos ＆K =1）当cos=0.8时
)sin cos %22??βkx ky
U （U
U +=?=1*（0.0234*0.8+0.0419*0.6）
=0.046 当cos=1时
22%cos sin )ky kx U U U βφφ?=+ = 1*0.0234*1 =0.0223
β——负载系数，N
K I I =
β，此时β=1
8 计算额定负载时的效率（cos ＆K =0.8时）。

KN
N
KN
P P S
P P 20220cos .1β?ββη+++-=
=1-(146+1*131.14)/(6000*1*0.8+146+1*131.14)=0.9532
9、误差原因分析：
读数时取得为近似值，存在误差；仪器仪表会存在电阻和电感，对测量结果造成影响；所接⼊不为标准值，存在状态的波动，会有相应的数据变化。

另外，仪器本⾝的精度也有⼀定的限制。