Характеристики холостого хода

Режимом холостого хода называют такой режим работы трансформатора, когда первичная обмотка включена в сеть с напряжением U1, а вторичная обмотка разомкнута и ток её равен нулю. Как видно из схемы замещения (рис. 6.2), при этом ток первичной обмотки равен току намагничивающей ветви I1 = Iμ = Io.

Опыт холостого хода трансформатора проводится с целью определения потерь и тока холостого хода, коэффициента трансформации и параметров намагничивающей ветви схемы замещения.

В опыте измеряют первичные и вторичные линейные напряжения U10, U20, ток Io и активную мощность Ро холостого хода. По результатам измерений строят зависимости Io , Ро , cos φо = f(U10) (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Характеристики холостого хода

 

При повышении напряжения ток холостого хода Io линейно зависит от напряжения U10, пока сердечник не насыщен. С увеличением напряжения растёт магнитный поток в сердечнике, и из-за насыщения магнитной системы зависимость Io = f(U10) отклоняется от линейной и ток растёт быстрее напряжения. Активная мощность Ро,измеряемая в опыте холостого хода, равна сумме магнитных потерь в стали магнитопровода и электрических потерь в первичной обмотке . Поскольку сопротивление r1<< rμ,потерями в обмотке можно пренебречь и считать Ро≈ рмг. Потери в стали пропорциональны квадрату магнитной индукции в сердечнике и зависят от частоты перемагничивания f1 приближённо в степени 1,3. Величина магнитной индукции пропорциональна магнитному потоку Фm и ЭДС Е1, а ЭДС примерно равна подводимому напряжению E1 ≈ U10, поэтому Ро≈ рмг ~ . На рис. 6.4 график зависимости Po = f(U10) имеет вид квадратичной параболы.

Коэффициент мощности:

. (6.2)

С увеличением напряжения увеличивается насыщение сердечника, ток растёт быстрее напряжения, поэтому cos φо падает.

Коэффициент трансформации фазных напряжений определяют по формуле:

К = UфВН / UфНН . (6.3)

По характеристикам холостого хода определяют величины Рон, Iон, cosφон, соответствующие номинальному напряжению (рис. 6.4). Ток холостого хода выражают в процентах от номинального тока iо%.

По данным опыта можно рассчитать сопротивления холостого хода:

 

, (6.4)

где U1нф, Ioнф – номинальное фазное напряжение первичной обмотки и фазный ток холостого хода в опыте.

Рассчитанные сопротивления связаны с сопротивлениями схемы замещения (рис. 6.2) выражениями:

, , xo = x1+ xμ.

Учитывая, что сопротивления намагничивающей ветви в сотни и тысячи раз больше сопротивления первичной обмотки, считают

Zo ≈ Zμ, ro ≈ rμ, xo ≈ xμ.

 

Потери холостого хода Рон и ток холостого хода iо% приводятся в паспорте трансформатора как важные эксплуатационные показатели.

 

6.2.4. Характеристики трёхфазного короткого замыкания

Режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подводится напряжение от источника переменного тока, а выводы вторичной обмотки замкнуты накоротко, называют режимом короткого замыкания. Если короткое замыкание происходит при номинальном подводимом напряжении, токи в обмотках превышают номинальные в 6 – 20 раз. Такой режим является аварийным, и трансформатор должен быть немедленно отключён от сети.

Опыт короткого замыкания выполняют при таком пониженном напряжении первичной обмотки, при котором токи в обмотках не превышают 1,2 от номинальных. В опыте измеряют линейные напряжение Uк , ток Iк и потребляемую активную мощность Рк. По результатам измерений строят графики зависимостей Iк , Pк , cosφк = f(Uк ) (рис. 6.5).

Для анализа характеристик и параметров короткого замыкания с учётом соотношения сопротивлений Zμ* >>Z1*, используется упрощённая схема замещения (рис. 6.3) при закороченных выводах вторичной обмотки.

Ток Iк при увеличении напряжения изменяется по линейному закону, так как сопротивления rк и xк не зависят от напряжения. Сопротивление rк зависит от температуры, и при быстром проведении опыта температура обмоток не меняется. Сопротивление соответствует полям рассеяния, замыкающимся в основном по воздуху, магнитная проницаемость которого постоянна.

Активная мощность, потребляемая трансформатором из сети, расходуется на электрические потери в обмотках и добавочные потери Рк = рэ1 + + рэ2 + рдоб. Магнитными потерями в стали магнитопровода можно пренебречь, так как поток в сердечнике мал из-за малого подводимого напряжения. Электрические потери в обмотках и добавочные потери, связанные с током нагрузки, пропорциональны квадрату тока, а ток Iк пропорционален напряжению Uк, поэтому на рис. 6.6 график зависимости Рк = f(Uк) имеет вид квадратичной параболы.

Коэффициент мощности при коротком замыкании определяется по формуле:

= , (6.5)

где Iкл, Iкф – линейные и фазные токи; Uкл ,Uкф - линейные и фазные напряжения. Коэффициент мощности, который можно выразить также через сопротивления упрощённой схемы замещения (рис. 6.3) как cosφк = rк/Zк, при изменении напряжения остаётся постоянным, так как сопротивления rк и xк не зависят от напряжения.

По характеристикам короткого замыкания определяют потери короткого замыкания Ркн и напряжение короткого замыкания Uкн, соответствующие номинальному току (рис. 6.5).

Напряжение короткого замыкания – это напряжение, которое нужно подвести к зажимам первичной обмотки трансформатора при замкнутой накоротко вторичной обмотке, чтобы в обмотках установились номинальные токи при номинальной частоте. В соответствии со схемой замещения (рис. 6.3), напряжение короткого замыкания и его активную и реактивную составляющие определяют по формулам:

 

Uкн= IнфZк, Uка= Iнф rк, Uкr = Iнф xк. (6.6)

 

Рис. 6.5. Характеристики короткого замыкания

 

По данным опыта короткого замыкания можно рассчитать сопротивления упрощённой схемы замещения:

 

. (6.7)

Сопротивления обмоток, потери короткого замыкания и напряжение короткого замыкания согласно ГОСТ 3484.1-88 следует привести к расчётной условной температуре Θр= 750С для изоляции класса А, Е, В по формулам:

, ,

(6.8) ,

 

где t0 − температура окружающей среды во время опыта.

Напряжение короткого замыкания выражают в процентах от номинального:

uк% = 100Uкн75 /Uнф.

 

Обычно uк% составляет 5 – 15%.

Напряжение короткого замыкания и его составляющие в относительных единицах равны соответствующим сопротивлениям короткого замыкания в относительных единицах:

uк* = Zк* , uка* = rк* , uкr* = xк* .

Потери короткого замыкания Ркн75 и напряжение короткого замыкания uк% приводятся в паспорте трансформатора.