Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора

Вопрос 23. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Кпд трансформатора.

1. Опыт холостого хода. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка включена на номинальное напряжение , а вторичная обмотка разомкнута (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схема опыта холостого хода

Режим холостого хода позволяет опытным путем установить следующие характерные для трансформатора величины: а) коэффициент трансформации; б) ток холостого хода; в) потери мощности в стали.

Коэффициент трансформации трансформатора

,

где и– число витков обмоток.

Мощность определяет затраты энергии в пределах трансформатора. Она приблизительно равна потерям в стали, поскольку потери в стали независимы от нагрузки трансформатора, так как при работе трансформатора магнитный поток почти не меняется. Поэтомупри любой нагрузке.

При холостом ходе . Коэффициент мощности нагруженного трансформатора в основном зависит от коэффициента мощности нагрузки. При холостом ходеобычно не превышает 0,2…0,3.

2. Опыт короткого замыкания. Короткое замыкание трансформатора – испытательный режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко, а в первичную включено такое пониженное напряжение, чтобы ток первичной обмотки был равен номинальному (рис. 10.2). Это напряжение, называемое напряжением короткого замыкания, является одной из постоянных, характеризующих трансформатор. Обычно оно составляет 5…10 % номинального напряжения.

Рис. 10.2. Схема опыта короткого замыкания

Потери в обмотках трансформатора определяются с помощью опыта короткого замыкания.

Мощность, затраченная при коротком замыкании, почти целиком расходуется на нагревание обмоток трансформатора. По мощности потерь при коротком замыкании можно рассчитать потери в обмотках при любой нагрузке трансформатора. Для этого потери при замыкании относят к току только первичной обмотки и некоторому условному сопротивлению, выражающему пропорциональность между током и мощностью:

; .

Тогда потери в обмотках, или потери в меди , при любой нагрузке находятся из значения токапервичной обмотки:.

Также потери в меди можно определить, используя коэффициент загрузки

; .

Коэффициент полезного действия трансформатора рассчитывается из соотношения мощностей, приложенных ко вторичной и первичной обмоткам:

,

где – потери мощности в трансформаторе.

3. Рабочий режим. Рабочий режим – это режим работы трансформатора под нагрузкой. В качестве нагрузки используется ламповый реостат (активная нагрузка). Постепенным увеличением числа включенных ламп доводят нагрузку до номинальной и снимают показания приборов в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

КПД трансформатора.

24 Условия параллельной работы трансформаторов:

4.30. Допускается параллельная работа трансформаторов (автотрансформаторов) при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимое значение силы тока для данной обмотки.

Параллельная работа трансформаторов допускается при следующих условиях:

1) группы соединений обмоток одинаковы;

2) соотношение мощностей трансформаторов не более чем 1:3;

3) коэффициенты трансформации отличаются не более чем на плюс 0,5 % и не меньше чем на минус 0,5 %;

4) напряжения КЗ отличаются не более чем на плюс 10 % и не меньше чем на минус 10 % среднеарифметического значения напряжения КЗ

трансформаторов, которые включаются на параллельную работу;

5) проведено фазирование трансформаторов.

Для выравнивания нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с разными напряжениями КЗ допускается в небольших пределах изменять коэффициент трансформации путем переключения ответвлений при условии, что ни один из трансформаторов не будет перегружен.

Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора

Точное значение коэффициента трансформации представляет собой отношение э.дс. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения независимо от того, какая из обмоток первичная и какая вторичная.

Опыт холостого хода (рис. 11.4, а) используют для определения коэффициента трансформации. При этом обмотку низшего напряжения подключают к устройству (потенциал — регулятор), позволяющему в широких пределах изменять напряжение, подводимое к трансформатору, а обмотку высшего напряжения размыкают.

С целью определения коэффициента трансформации к обмотке низшего напряжения достаточно подвести напряжение 0,1 U_H для трансформаторов малой мощности и (0,33. 0,5) U_H для трансформаторов большой мощности. Падение напряжения в первичной обмотке весьма мало. С допустимой точностью можно принять, что E₁ = U₁ и Е₂ = U₂, так как ток во вторичной обмотке практически равен нулю.

Из опыта холостого хода трансформатора определяют также зависимости тока холостого хода I_x, потребляемой мощности Р_х и коэффициента мощности cosφ от значения подводимого напряжения U₁, при разомкнутой вторичной обмотке, то есть при I₂ = 0. Ток холостого хода силовых трансформаторов составляет от 10 (для маломощных трансформаторов) до 2% (для мощных трансформаторов) номинального. При снятии характеристик холостого хода подводимое напряжение изменяют в пределах от 0,6 до 1,2 U_H таким образом, чтобы получить 6. 7 показаний. На рисунке 11.4,6 дан примерный вид характеристик холостого хода.

Мощность холостого хода характеризует электрическую энергию, расходуемую в самом трансформаторе, так как со вторичной обмотки энергию при этом не потребляют. Энергия в трансформаторе расходуется на нагрев обмоток проходящим по ним током и нагрев стали сердечника (вихревые токи и гистерезис). Потери на нагрев обмоток (потери в обмотках) при холостом ходе ничтожно малы. Практически можно считать, что все потери холостого хода сосредоточены в стали сердечника и идут на его нагрев.

Коэффициент мощности трансформатора определяют по формуле

cosφ = ——————. (11.3)

где Р _х — полная мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе (сумма показаний двух ваттметров, приведенных на рисунке 11.4, а); U _х.ф и I _x — средние значения фазных напряжения и тока.

Опыт короткого замыкания проводят по схеме, изображенной на рисунке 11.5, а. К обмотке низшего напряжения подводят напряжение, при котором в обмотке высшего напряжения, замкнутой накоротко, протекает номинальный ток. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания е_k%;его значение приводят в паспорте трансформатора в процентах номинального.

Так как в этом опыте из-за малого напряжения, подведенного к обмотке низшего напряжения, магнитный поток в сердечнике весьма незначителен и сердечник не нагревается, то считают, что вся потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания мощность затрачивается на электрические потери в проводниках обмоток. Характеристики короткого замыкания (рис. 11.5,6) представляют собой зависимости потребляемого тока I_k мощности P_k и коэффициента мощности cosφ, от подведенного напряжения при замкнутой вторичной обмотке. Значение подводимого напряжения находится в пределах 5. 10% номинального. Коэффициент мощности определяют так:

cosφ_k = ——————. (11.4)

Сумма показаний ваттметров дает значение потерь в трансформаторе, которые вызывают нагрев обмоток. Мощность, показываемая ваттметром,

где R ₁ и R ₂ —сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Напряжение короткого замыкания, при котором во вторичной обмотке протекает ток, равный номинальному, выражают в процентах номинального:

e_k% = ————100. (11.6)

Напряжение короткого замыкания — важная характеристика трансформатора. По этой величине делают вывод о возможности параллельной работы трансформаторов, по ней и ее составляющим определяют изменения вторичного напряжения трансформатора при изменении нагрузки. Используя эту величину, находят токи короткого замыкания в условиях эксплуатации.

Опыты холостого хода и короткого замыкания

Опыты холостого хода и короткого замыкания проводятся для определения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и параметров схемы замещения.

Опыт холостого хода.

Для однофазного трансформатора опыт холостого хода выполняется по схеме рис. 2.11. К первичной обмотке подводится номинальное напряжение , к вторичной — подключен вольтметр , имеющий достаточно большое сопротивление. Практически можно считать, что ток .

Кроме того, в схему включены амперметр , вольтметр и ваттметр . Амперметр показывает ток холостого хода , вольтметр — номинальное напряжение первичной обмотки , вольтметр —напряжение и ваттметр —мощность потерь при холостом ходе . По этим показаниям можно определить коэффициент трансформации для понижающего трансформатора или для повышающего трансформатора. Так как нагрузка отсутствует ( ), то мощность, показываемая ваттметром, — это мощность потерь в стали трансформатора (магнитопроводе).

Мощностью потерь в проводах обмоток можно пренебречь, так как при опыте холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю, а ток в первичной обмотке — ток холостого хода составляет примерно 5 % номинального.

Можно также найти

и полное сопротивление цепи (см. рис. 2.9):

Активное сопротивление цепи

и индуктивное сопротивление цепи

Так как практически сопротивления и , то значения и определяются из приведенных формул.

Опыт короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания выполняется по схеме, представленной на рис. 2.12, при условии, что к первичной обмотке подводится пониженное напряжение , составляющее 5—10% , а точнее, такое напряжение, при котором токи и в обмотках равны номинальным.

Вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко.

При этом опыте вольтметр показывает напряжение первичной обмотки , ваттметр — мощность короткого замыкания , амперметр — ток в первичной обмотке.

По этим показаниям можно определить мощность потерь в обмотках, так как потери в магнитопроводе составляют лишь 0,005 – 0,1 потерь при номинальном режиме из-за пониженного напряжения . Мощность потерь при коротком замыкании и номинальных токах

Кроме того, по данным этого опыта можно найти параметры упрощенной схемы замещения (рис. 2.13). Полное сопротивление

суммарное активное сопротивление обеих обмоток

и реактивное сопротивление

На основе опытов холостого хода и короткого замыкания по формулам (2.12),(2.13),(2.14) определяются параметры схемы замещения трансформатора.

Напряжение короткого замыкания.

Как следует из схемы замещения (рис. 2.13),

Обычно составляет 5—8 % :

Значение указано на щитке трансформатора. Активная составляющая напряжения короткого замыкания находится по формуле

а реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

Процентные значения напряжения связаны между собой соотношением:

Опыт холостого хода и короткого замыкания

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора (рис. 103) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (/2—0).

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой об­мотке будет протекать ток холостого хода I₀, который представляет собой малую ве­личину по сравнению с номинальным то­ком трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформато­рах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток холостого хода I₀ создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощ­ность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покры­тие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформа­тора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила то­ка холостого хода I₀, потери в стали сердечника Р_ст и коэффициент транс­формации К.

Силу тока холостого хода I₀ изме­ряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора.

При испытании трехфазного транс­форматора определяется фазный ток холостого хода.

О потерях в стали сердечника P_ст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора равен отноше­нию показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вто­ричной обмоток.

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания (рис. 104) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажи­мах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включает­ся в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряже­ние короткого замыкания u_к %, его активная u_а % и реактивная u_x % составляющие, потери на нагревание обмоток трансформато­раP_обм при номинальной нагрузке и активное, реактивное и пол­ное сопротивления трансформатора при коротком замыкании r_k, x_k и z_k.

Потери в обмотках указываются ваттметром. Активное, реактивное и полное сопротивления короткого замы­кания трансформатора определяются следующими выражениями:

где U_k, I и P_k— напряжение, сила тока, мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной об­мотки трансформатора.

При испытании трехфазного трансформатора следует в приве­денных выше выражениях подставить фазные значения напряже­ния, тока и мощности.

Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие равны:

где U_н и Iн — номинальные напряжения и сила тока вторичной (первичной) обмотки трансформатора.

ВНЕШНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ПОТЕРИ И К.П.Д. ТРАНСФОРМАТОРА

Увеличение нагрузки трансформатора сопровождается увели­чением токов I₂ и I₁, что приводит к увеличению падения напряже­ния в обмотках трансформатора. Поэтому с увеличением нагрузки

вторичное напряжение изменяет­ся. В зависимости от характера нагрузки трансформатора изме­нение вторичного напряжения может быть различным. Если принять напряжение U₁ неиз­менным, то зависимость вторич­ного напряжения U₂ от вели­чины нагрузки I₂, т. е.

называется внешней харак­теристикой трансформатора.

Внешняя характеристика для случая с активно-индуктивной нагрузкой дана на рис. 196.

При испытаниях трансформаторов проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. На рис. 197 дана схема опыта холо­стого хода. В этом случае вольтметры показывают напряжения первичной и вторичной обмотки U₁ и U₂. Амперметр, включенный в цепь первичной обмотки, измеряет ток холостого хода — I₀.

Ваттметр измеряет мощность потерь холостого хода — Р₀. По данным опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации k, коэффициент мощности cos φ₀ и другие данные.

Мощность, подводимая к транс­форматору при холостом ходе, идет на покрытие потерь холостого хода. Так как ток холостого хода I₀ мал, то потерями мощности на нагрев пер­вичной обмотки, равными I 1 ₀ r₁, можно

пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформато­ром при холостом ходе, идет на покрытие потерь в стали сердеч­ника (потери на гистерезис и вихревые токи).

Если подключить первичную обмотку трансформатора к напря­жению сети, а зажимы его вторичной обмотки замкнуть накоротко, то это приведет к опасному явлению короткого замыкания трансфор­матора. Токи короткого замыкания выделяют большое количество тепла в обмотках, что может привести к повреждению изоляции обмоток, Механические усилия, возникающие в обмотках трансформатора при коротких замыканиях, могут иногда привести к разрушению обмоток.

Если же зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко, а первичную обмотку подключить к пониженному напряжению, чтобы ток короткого замыкания I_2К был бы равенноминальному току I_2Н, то при этом с трансформатором ничего опасного не произойдет. Этот опыт называется опытом короткого замыкания. Напряжение, под которое включается первичная об­мотка трансформатора при опыте короткого замыкания, составляет несколько процентов от номинального напряжения этой обмотки и называется напряжением короткого замыкания; обозначается U_K.

Силовые трансформаторы, изготовляемые в СССР, имеют напря­жение короткого замыкания, равное 5—10%.

На рис. 198 дана схема опыта короткого замыкания. Вольтметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает напряжение короткого замыкания U_K. Амперметры измеряют номинальные

токи первичной и вторичной обмоток I_1н и I_2н. Ваттметр измеряет мощность потерь при коротком замыкании Рк.

Выше было сказано, что магнит­ный поток трансформатора пропор­ционален величине напряжения пер­вичной обмотки трансформатора.

При опыте короткого замыкания магнитный поток в сердечнике мал, так как напряжение короткого замы-

кания во много раз меньше номинального напряжения. Поэтому потерями в стали в этом случае можно пренебречь и считать, что мощность при этом опыте идет на покрытие потерь в обмоткахтрансформатора (I 1 ₂ r₂₁ + I12r₂).

По данным опыта короткого замыкания определяют коэффи­циент мощности при коротком замыкании

cos φ_K, активные и реак­тивные сопротивления обмоток — r₁, x₁, r 1 ₂ и х 1 ₂.

В трансформаторе имеют место потери. Они слагаются из потерь в обмотках и потерь в стали сердечника.

Потери в обмотках трансформатора называются также электри­ческими потерями Рэ. Они пропорциональны квадрату тока. Элек­трические потери определяют по показаниям ваттметра из опыта короткого замыкания. Потери в стали, называемые также магнит­ными потерями Рм, зависят от частоты сети и величины магнитной индукции. Магнитные потери определяют по показаниям ваттметра из опыта холостого хода трансформатора.

Общие потери ∆Р равны сумме электрических Рэ и магнитных Pм потерь:

Коэффициентом полезного действия т р а н ­сформатора называется отношение активной мощности вторичной обмотки Р2 к активной мощности первичной обмотки Р₁:

К. п. д. трансформатора высок и может достигать 98—99%.