Трансформаторы и электрические машины

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Государственное образовательное учреждение 

высшего профессионального образования 

«МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 

 

 
 

 
 

ТРАНСФОРМАТОРЫ  

И  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  МАШИНЫ  

 

 

Лабораторный практикум 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

МарГТУ 

2011 

 

УДК 621.313 
ББК  31.21 

Т  65 

 

Авторы:  

В. В. Сотников, В. Г. Соловьев, В. Н. Соколова, 

Е. В. Хлытина, И. Ю. Сергеева 

 

Рецензенты: 

кафедра электромеханики Марийского государственного университета 

(зав. кафедрой доцент В. Н. Чайкин); 

доцент кафедры транспортно-технологических машин  

Марийского государственного технического университета  

С. И. Нигматуллин; 

канд. техн. наук, доцент Марийского государственного технического 

университета А. В. Егоров 

 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета МарГТУ 

 

Трансформаторы и электрические машины: лабораторный 

практикум / В. В. Сотников, В. Г. Соловьев, В. Н. Соколова [и др.]. 
– Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. – 88 с. 
 

Приведены основные теоретические сведения и описания лаборатор
ных работ по трансформаторам и электрическим машинам, а также методические указания к их выполнению. 

Для студентов теплоэнергетических и других технических специально
стей, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника». 

УДК 621.313 

ББК 31.21 

 

© В. В. Сотников, В. Г. Соловьев, 

В. Н. Соколова, Е. В. Хлытина, 

И. Ю. Сергеева, 2011 

© Марийский государственный 
технический университет, 2011 

Т 65

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Сборник содержит описания лабораторных работ курсов «Электри
ческие машины» и «Электротехника и электроника» по разделам: 
«Трансформаторы», «Машины постоянного тока», «Асинхронные машины», «Синхронные машины». 

В начале практикума приведены общие указания к выполнению ра
бот в лабораториях кафедры «Энергообеспечение предприятий» и 
оформлению отчета по ним, а также инструкция по технике безопасности.  

Выполнение каждой лабораторной работы рекомендуется проводить 

в три этапа. 

1. Самостоятельная подготовка студентов к лабораторной работе пу
тем изучения или повторения теоретических положений курса лекций, 
относящихся к теме лабораторной работы. 

2. Проведение экспериментов в лаборатории на уровне самостоя
тельных исследований студента, контролируемых преподавателем. 

3. Обработка результатов исследований и составление отчета. 
Первый и третий этапы выполняются внеаудиторно. 
Описание каждой лабораторной работы, кроме основных теоретиче
ских сведений, содержит цели и задачи работы, описание стенда или 
установки, методические рекомендации по выполнению заданий, контрольные вопросы для подготовки к защите, рекомендуемую литературу. Шесть лабораторных работ рассчитано на 17 часов аудиторной и 17 
часов самостоятельной работы. 

Выполняя лабораторные работы, студенты изучают устройство и 

принцип действия трансформаторов и электрических машин, знакомятся с методами испытаний и исследования их основных рабочих характеристик, приобретают навыки эксплуатации электрооборудования и 
различных электроизмерительных приборов.  

Лабораторные работы выполняются в специализированной лабора
тории «Электрооборудование» (ауд. 216, II корп. МарГТУ), которая 
оснащена оборудованием, позволяющим экспериментальным путем 
определять характеристики трансформаторов и электрических машин.  

Издание ориентировано на студентов направления 110300 (Агроин
женерия), специальности 110302 – «Электрификация и автоматизация 
сельского хозяйства», теплоэнергетических специальностей 140104 – 
«Промышленная теплоэнергетика», 101600 – «Энергообеспечение 
предприятий», а также может быть использовано студентами других 
специальностей, изучающими курс «Электротехника и электроника». 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Основой экономического развития России является развитие энерге
тики. В соответствии с «Энергетической стратегией России на период 
до 2020 года» намечено увеличить выработку электроэнергии до 12151365 млрд. кВт×час.  Предусмотрено существенное повышение эффективности потребления электрической энергии. 

Широкое использование электроэнергии – основа технического про
гресса и повышения производительности труда. На любом промышленном и сельскохозяйственном предприятии производственные машины и 
механизмы приводятся в движение электрической энергией.  

Электрификация промышленности, сельского хозяйства, транспорта 

и бытовой техники обуславливает необходимость применения разнообразного электротехнического оборудования. Основным видом этого 
оборудования являются электрические машины и трансформаторы. 

Электрические машины служат для преобразования механической 

энергии в электрическую (генераторы) или наоборот (двигатели). Генераторы получают механическую энергию от паровых, гидравлических и 
газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и др. Двигатели приводят в действие различные машины и механизмы. Силовые трансформаторы преобразуют величины напряжения и тока в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии переменного тока. 

Электрическая энергия переменного тока вырабатывается на круп
ных электростанциях синхронными генераторами при напряжении 1120 кВ; в отдельных случаях – 30-35 кВ.  Для экономичной передачи ее 
на большие расстояния через линии, с помощью трансформаторов выгодно уменьшать силу тока, повышая напряжение до сотен киловольт. В 
распределительных электрических сетях и установках используются 
трансформаторы, снижающие напряжение до уровня, удобного для использования электрической энергии. Трансформатор связывает все звенья электрической цепи в единую энергетическую систему. Электрические машины и трансформаторы изготовляются в очень широком диапазоне мощностей: от единиц ватт – до сотен тысяч киловатт. 

Цель данного практикума – оказать методическую помощь студен
там в проведении лабораторных работ по экспериментальному исследованию трансформаторов и электрических машин, обеспечить возможность теоретической подготовки к их выполнению и защите. А это, в 
свою очередь, поможет приобрести и закрепить профессиональные 
навыки, необходимые будущим специалистам. 

ОБЩИЕ  МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ 

К  ВЫПОЛНЕНИЮ  ЛАБОРАТОРНЫХ  РАБОТ 

 

Порядок проведения лабораторных занятий на кафедре «Энерго
обеспечение предприятий» определяется общими методическими указаниями по лабораторным работам, утвержденными заведующим кафедрой. Согласно этим указаниям студент обязан: 

1. Приходить на лабораторные занятия полностью подготовленным 

к выполнению работ, для чего необходимо: 

а) заранее ознакомиться с содержанием предстоящей лабораторной 

работы по учебному пособию и методическим указаниям, подготовиться к ответу на контрольные вопросы; 

б) иметь при себе методические указания к выполнению лаборатор
ной работы, калькулятор, миллиметровую бумагу, линейку, ручку и карандаш. 

2. На первом занятии ознакомиться с правилами техники безопасно
сти при выполнении работ в данной лаборатории и расписаться в соответствующем журнале. 

3. Перед началом каждой новой работы представить преподавателю 

отчет по предыдущей работе, оформленный в соответствии с приведенными ниже требованиями. 

Лабораторная работа начинается с проверки готовности студента к 

ее выполнению. Контрольные вопросы и необходимый для подготовки 
теоретический материал приводятся в учебном пособии и методических 
указаниях.  

В процессе выполнения лабораторной работы студентами оформля
ется отчет, который представляется преподавателю на следующем занятии. Порядок проведения защиты лабораторных работ определяет преподаватель, ведущий занятия. 

4. Отчет о выполненной работе должен быть содержательным и 

кратким. Результаты экспериментов должны быть обработаны и представлены в удобном для восприятия виде (таблицы, графики, рисунки, 
формулы). 

Отчет должен содержать: 
а) титульный лист установленной формы; 
б) цель работы и краткое ее содержание; 
в) паспортные данные испытуемого оборудования; 
г) схему лабораторной установки; 
д) таблицы экспериментальных и расчетных данных; 
е) схемы, графики и расчетные формулы, а также окончательные ре
зультаты в числовом или графическом виде; 

ж) результаты анализа полученных данных и краткие выводы по ра
боте. 

Текстовая и графическая части отчета могут оформляться с исполь
зованием программных средств персонального компьютера или вручную и должны соответствовать требованиям ГОСТ. 

Каждый рисунок должен иметь порядковый номер и подрисуночную 

надпись, определяющую его содержание. На графиках должны быть 
обозначены координатные оси и выполнена их оцифровка, указаны размерности. Если на одном графике имеется несколько кривых, их следует обозначить цифрами (1, 2, 3 и т.д.) и под рисунком дать краткие пояснения, определяющие отличия кривых друг от друга.  

Для схем необходимо кратко пояснить назначение элементов. 
Рекомендуемый размер графиков (мм): 75100…100150 (не более 

половины стандартного листа). Если из полученных графиков следует 
определить некоторые числовые значения, то последние должны быть 
приведены на полях рисунка. 

 
 

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ 

ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИЯХ КАФЕДРЫ 
«ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ» 

 

Общая характеристика лабораторных стендов 

 

Лабораторные стенды и установки питаются от источников электри
ческой энергии напряжением ~ 220 В. 

Работа на любой (даже отключенной) установке с электрическим 

питанием квалифицируется как работа на действующей электроустановке, а помещение лаборатории – как помещение с действующими 
электроустановками. Поэтому при проведении работ необходимо строгое соблюдение ряда правил, обеспечивающих безопасность людей, 
находящихся в лаборатории. 

 

Инструкция по технике безопасности 

 

1. Запрещается включение схемы под напряжение без проверки ее 

преподавателем или лаборантом. 

2. Любые переключения и изменение в цепях схемы следует произ
водить только при снятом напряжении, т.е. при отключенном автоматическом выключателе, через который питается испытательная установка. 
После каждого изменения схема цепи должна быть заново проверена 
руководителем занятия. 

3. После сборки схемы до проверки ее преподавателем или лаборан
том необходимо проверить плотность затяжки гаек зажимов на всех 
приборах, аппаратах, электрических машинах и других элементах схемы, не допуская близкого расположения наконечников проводов, подключенных к разным зажимам. 

4. Запрещается производить проверку наличия напряжения путем 

прикосновения пальцами к зажимам и другим токоведущим частям. Эта 
проверка должна выполняться только при помощи контрольной лампы 
или вольтметра. 

5. При работе следует соблюдать осторожность, не допуская случай
ного или преднамеренного прикосновения тела к токоведущим частям 
установки (приводам, зажимам, рубильникам и т.д.), находящимся под 
напряжением. 

6. При пользовании переносным вольтметром необходимо приме
нять специальные провода, имеющие держатели из изоляционного материала. 

7. При работе с двигателями, генераторами и другими вращающи
мися машинами следует соблюдать осторожность, не допуская соприкосновения тела, одежды и волос с вращающимися деталями машин. 

8. Муфты, соединяющие валы двух вращающихся электрических 

машин, должны быть закрыты защитными кожухами. 

9. Не следует допускать нахождения на рабочих столах стендов при
боров, аппаратов и проводов, не используемых в рабочей схеме, а также 
посторонних предметов (портфелей, сумок и т.д.). 

10. Запрещается использовать соединительные провода без наконеч
ников и провода с поврежденными наконечниками и плохой изоляцией. 

11. Запрещается оставлять без наблюдения испытательную установ
ку (рабочую схему), находящуюся под напряжением. 

12. При обнаружении неисправности прибора, аппаратуры, электри
ческой машины, а также при нарушении нормального режима работы 
испытательной установки следует немедленно отключить стенд от источника питания и сообщить о случившемся преподавателю или лаборанту. Не следует производить устранение неисправности самостоятельно. 

13. Студенты, нарушившие правила техники безопасности, немед
ленно отстраняются от занятий. 

После знакомства с настоящими правилами безопасности и устного 

инструктажа, проводимого преподавателем или старшим лаборантом, 
каждый студент обязан расписаться в специальном журнале. 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 

 

Цель работы 

 

1. Изучить устройство и принцип действия трансформатора.   
2. Провести испытание трансформатора в различных режимах и по 

результатам экспериментального исследования определить его параметры и характеристики.   

 
 

Основные теоретические положения 

 

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, пред
назначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока с одними параметрами в систему переменного тока с другими параметрами. Чаще всего трансформируются 
величины напряжения и тока.  

Активная часть трансформатора состоит из обмоток и магнитопровода 

(рис. 1.1). 

 

 

 

Рис. 1.1. Устройство активной части однофазного двухобмоточного трансформатора  

 

В обмотках 1, 2 происходит преобразование электрической энергии. 

Их навивают из изолированных медных или алюминиевых проводов. 
Одна из обмоток, подключенная к источнику электрической энергии, 
называется первичной, а другая, от которой питаются электроприемники, 
вторичной. Обмотку, имеющую на выводах более высокое напряжение 

(обычно более 1 кВ) в сравнении с другой, называют обмоткой высшего 
напряжения (ВН), другую – обмоткой низшего напряжения (НН). 

Обмотки трансформатора размещают на стержнях магнитопровода. 

С внутренней стороны ближе к стержню обычно расположена обмотка 
НН, а концентрично с ней с внешней стороны – обмотка ВН, так как 
изоляцию от стержня обмотки НН легче выполнить. Обмотки ВН и НН 
изолируются друг от друга и от заземленных частей конструкции. Выводы обмоток трансформатора обозначаются (начало-конец): ВН –  А-Х, 
НН  – а-х  (рис. 1.1).  

Магнитопровод уменьшает сопротивление потоку, увеличивая маг
нитную связь между обмотками. Одновременно он является остовом, на 
котором монтируются некоторые другие части трансформатора, прежде 
всего обмотки. Магнитопровод выполняется из ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью, чаще всего из электротехнической стали. С целью снижения электрических потерь, обусловленных протеканием вихревых токов, его собирают (или навивают) из 
изолированных друг от друга тонких листов (толщиной 0,3-0,35 мм).  

В магнитопроводе различают стержни 3 и ярма 4 (см. рис. 1.1). 

Стержнями называют части магнитопровода, на которых расположены 
обмотки. Ярма замыкают стержни в магнитном отношении. 

Работа трансформатора основана на явлении взаимоиндукции обмо
ток (рис. 1.2). Предположим, что первичная обмотка трансформатора 
подключена к электрической сети. Под действием приложенного 
напряжения по ней будет протекать переменный ток, вызывающий переменный магнитный поток. Этот поток замыкается преимущественно 
по магнитопроводу и, пересекая витки обмоток, индуктирует в них 
электродвижущие силы (ЭДС). Если вторичную обмотку замкнуть на 
какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой ЭДС 
по замкнутой вторичной электрической цепи будет протекать переменный ток. Одновременно вследствие индукционной связи обмоток, изменится первичный ток: в нем появится дополнительная нагрузочная составляющая.  

Установим соотношение для напряжений и токов обмоток на приме
ре идеального трансформатора, у которого: 

1) активные сопротивления обмоток равны нулю; 
2) магнитопровод имеет бесконечно большую магнитную проводи
мость, благодаря чему между обмотками трансформатора обеспечивается полная магнитная связь; 

3) магнитный поток, создаваемый обмотками, замыкается только по 

магнитопроводу; 

4) потери в магнитопроводе отсутствуют. 

Рис. 1.2. Принцип работы трансформатора  

 

В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС, ин
дуктируемая в обмотках трансформатора, прямо пропорциональна скорости изменения их суммарного магнитного потока (потокосцепления): 

 

е–wd/dt, 

 

где w  – число витков обмотки. 

При синусоидальном подведенном напряжении магнитный поток 

трансформатора изменяется во времени по синусоидальному закону: 
msint. После подстановки этого потока в формулу для закона электромагнитной индукции получим выражение для ЭДС произвольной 
обмотки: 

 

ewФmcost. 

 

Видно, что индуктируемая ЭДС прямо пропорциональна числу вит
ков в обмотке. Действующее значение этой ЭДС равно: 

 

EwФm/
2 (2/
2 )fwФm4,44fwФm. 
 

Для записи уравнений трансформатора необходимо выбрать услов
ные положительные направления входящих в них величин: ЭДС, 
напряжений, токов. Эти положительные направления можно установить 
произвольно. На рис. 1.2 выбраны такие, которые, с одной стороны, соответствуют физическим процессам в трансформаторе, а с другой – позволяют устранить излишние «минусы» в уравнениях. 

В первичной обмотке направление положительного тока совпадает с 

направлением приложенного напряжения, а направление действия основной ЭДС противоположно току (это соответствует правилу Ленца).