Опыт холостого хода трансформатора

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 - Р_с и в проводах - Р_пр. 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 - Р_с.

Следует учитывать, что потери Р_с 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 А_{2 ,} 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 - Р_с . Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Р_пр, причем:

. (14.3)

Выразим ток I_2К через приведенный ток :

.

Учтем, что , а также что .

Тогда выражение (11.3) перепишем в виде:

, (14.4)

где R_К - 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 R_К 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 U_К, 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 (S_H> 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.