Опыт холостого хода трансформатора

Режимы работы трансформаторов

Различают несколько режимов работы трансформаторов:

  1. Номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряжения и тока первичной обработки трансформатора

 

.

 

  1. Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.
  2. Режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута ( или подключена к нагрузке с очень большим сопротивлением (например, вольтметр).
  3. Режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко ( или подключена к нагрузке с очень малым сопротивлением (например, амперметр).

Режим холостого хода и короткого замыкания возникают при авариях. Эти режимы могут создаваться специально для испытания трансформаторов на заводах изготовителях в опытах холостого хода и короткого замыкания.

Опытом холостого хода называют испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном напряжении на первичной обмотке. Схема для проведения опыта холостого хода приведена на рис.14.1. Полагая, что измерительные приборы не вносят в режим работы трансформатора сколько-нибудь ощутимых изменений, получаем возможность измерить ряд его параметров, а затем дополнить это ряд расчетами.

Так, показания амперметра при определяют номинальное значение тока холостого хода - . Учитывая, что этот ток составляет 3¸ 10% от номинального тока первичной обмотки для мощных трансформаторов и до 40% для маломощных, можем рассчитать значение номинального тока первичной обмотки

. (14.1)

Кроме этого, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда . Это значит что

.

 

Измерив вольтметрами и легко определить коэффициент трансформации

 

. (14.2)

Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе - Рс и в проводах - Рпр. Мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна квадрату магнитной индукции - В2, а значит и квадрату напряжения первичной обмотки - . Так как , то и потери в магнитопроводе соответствуют номинальному значению.

Потери в проводах вторичной обмотки отсутствуют, так как . Потери в проводах первичной обмотки пропорциональны квадрату тока холостого хода ( ). Но ток холостого хода пренебрежимо мал в сравнении с номинальным, поэтому и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте холостого хода определяют только потери в магнитопроводе - Рс.

Следует учитывать, что потери Рс складываются из потерь на гистерезис и дополнительных потерь на вихревые токи, потерь в деталях конструкции и потерь из-за вибрации листов стали магнитопровода. Однако, эти дополнительные потери не превышают 20% от общих.

В ряде случаев важно знать, как изменится ток холостого хода трансформатора при изменении напряжения на первичной обмотке. Зависимость приведена на рис. 14.2. Она называется характеристикой холостого хода трансформатора.

V
A
W
V
Тр
U (t)
Рис. 14.1
При малых значениях значение магнитной индукции мало. Магнитопровод не насыщен, поэтому увеличивается пропорционально напряжению. При увеличении начинает сказываться насыщение магнитопровода и приращение тока холостого хода увеличивается. Поэтому магнитопровод трансформатора проектируют так, чтобы при значение магнитной индукции находилось в пределах 1,6¸ 1,7 Тл. При таком значении магнитной индукции увеличение до 1,2 не приводит к критическому увеличению тока холостого хода и допустимо в течение длительного времени.

 

0,8
1,2
I
1X
I
1X
н
U
1X
U
1H
Рис. 14.2

2. Опыт короткого замыкания
трансформатора

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе первичной обмотки. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 14.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора.

Рис. 14.3
А
A
W
V
Тр
U (t)
При коротком замыкании цепи вторичной обмотки, ток в ней ограничивается только малым внутренним сопротивлением этой обмотки. Поэтому, даже при относительно небольших значениях ЭДС Е2, ток I2 может достигнуть опасных величин, вызвать перегрев обмоток, разрушение изоляции и выход трансформатора из строя. Учитывая это, опыт начинают при нулевом напряжении на входе трансформатора, т.е. при . Затем постепенно увеличивают напряжение первичной обмотки до значения , при котором ток первичной обмотки достигает номинального значения. При этом ток вторичной обмотки, измеренный по амперметру А2 , принимают равным номинальному. Напряжение называют напряжением короткого замыкания.

Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 5 ¸ 10% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е2 составляет 2 ¸ 5%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе - Рс . Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Рпр, причем:

 

. (14.3)

 

Выразим ток I2К через приведенный ток :

 

.

 

Учтем, что , а также что .

Тогда выражение (11.3) перепишем в виде:

 

, (14.4)

 

где RК - активное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания, причем:

 

. (14.5)

 

Значение активного сопротивления трансформатора позволяет рассчитать его индуктивное сопротивление:

 

.

 

При точном расчете нужно учитывать, что RК зависит от температуры. Поэтому полное сопротивление трансформатора определяют приведенным к температуре 750С, т.е.:

.

Теперь легко определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора - :

.

 

На практике пользуются приведенным значением UК, в процентах, обозначая его звездочкой, т.е.:

 

. (14.6)

 

Это значение приводят на паспортном щитке трансформатора.

Знание внутреннего сопротивления трансформатора позволяет представить его схему замещения в виде рис.14.4. Векторная диаграмма, соответствующая этой схеме приведена на рис. 14.5.

Векторная диаграмма позволяет определить уменьшение напряжения на выходе трансформатора D U за счет падения напряжения на его комплексном сопротивлении. Величина D U определяется как расстояние между прямыми, выходящими из точек начала и конца вектора и параллельными оси абсцисс. Из диаграммы видно, что эта величина складывается из катетов двух прямоугольных треугольников, гипотенузы которых и , а острые углы равны j2.

 

Ů
U'
İ
I'
Z
K
Рис. 14.4
X
K
I
1K
φ
Ī'
Ū'
ΔU
Z
K
I
1K
R
K
I
1K
φ
φ
Рис. 14.5

 

 

Поэтому:

.

 

На практике пользуются относительной величиной DU, в процентах, обозначенной звездочкой, т.е.:

 

. (14.7)

 

Для мощных трансформаторов (SH> 1000 В×А) опыт короткого замыкания может служить для контроля коэффициента трансформации. Для таких трансформаторов в режиме короткого замыкания током холостого хода можно пренебречь, считая:

 

.

Поэтому:

 

. (14.8)

Последнее выражение тем точнее, чем больше мощность трансформатора. Однако оно не приемлемо для маломощных трансформаторов.