Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформатора

Для экспериментального определения параметров и потерь трансформатора наиболее удобно использовать два крайних режима работы трансформатора: режим холостого хода и режим короткого замыкания.

Опыт холостого хода не требует дорогостоящего оборудования. Мощность источника регулируемого напряжения, питающего первичную обмотку составляет несколько процентов мощности исследуемого трансформатора.

Уравнения трансформатора при холостом ходе с учетом сопротивления первичной обмотки :

;

;

.

При холостом ходе можно считать . Учитывая, что , можно считать , можно полагать, что

.
Данное допущение справедливо, поскольку не превышает .

Опыт холостого хода проводится при разомкнутой (ненагруженной) вторичной обмотке по схеме рисунка 1.7.

Рис. 1.7. Схема опыта холостого хода однофазного трансформатора.

Напряжение , плавно поднимается от нуля до . При номинальной частоте измеряются ток (для трехфазного трансформатора – во всех фазах) и мощность , потребляемая трансформатором. По данным измерений строятся зависимости фазного тока холостого хода , мощности и от фазного напряжения . Для трехфазного трансформатора зависимости строятся для среднего фазного тока и среднего фазного напряжения , по и определяется .

По данным опыта холостого хода при номинальном напряжении рассчитываются следующие параметры трансформатора.

1. Коэффициент трансформации, определяемый как отношение вторичного напряжения к первичному при холостом ходе:

.

2. Ток холостого хода в относительных единицах (долях номинального тока)

.

3. Сопротивление взаимной индукции, определяемое при :

;
его активная и реактивная составляющие:

и .

4. Потери холостого хода при практически не отличаются от магнитных потерь , поскольку электрические потери в первичной обмотке в этом режиме во много раз меньше магнитных потерь из-за малости тока .

Поскольку магнитный поток при номинальной нагрузке остается почти таким же, как при холостом ходе (в случае ), то магнитные потери при номинальной нагрузке приблизительно равны магнитным потерям при холостом ходе и полным потерям холостого хода при номинальном напряжении:

.

Опыт короткого замыкания необходимо проводить при пониженном напряжении. При этом не требуется источник мощностью не более 6…14 % от мощности исследуемого трансформатора.

Напряжение плавно поднимается от нуля до . При номинальной частоте измеряются те же величины, что и в опыте холостого хода: первичный ток , потребляемая трансформатором мощность . По данным измерений строятся зависимости фазного тока , мощности и от фазного напряжения . Графически определяются значения , и при номинальном первичном токе . Для трехфазного трансформатора зависимости строятся для среднего фазного тока , среднего фазного напряжения ; по средним значениям и определяется .

В режиме короткого замыкания сопротивление вторичной нагрузки ; напряжение вторичной обмотки (в трехфазном трансформаторе имеется в виду симметричное короткое замыкание вторичных выводов, когда все они замкнуты между собой накоротко). Уравнения трансформаторов при коротком замыкании могут быть записаны следующим образом:

;

;

.

Схема опыта короткого замыкания показана на рисунке 1.8.

Рис. 1.8. Схема опыта короткого замыкания и соответствующая схема замещения трансформатора.

Сопротивление ветви намагничивания намного превышает сопротивления обмоток и , поэтому ток в ней можно не учитывать . Тогда токи и сопротивление короткого замыкания:

и его активная и реактивная состсавялющие:

и .
Сопротивления ветвей в приведенной форме обычно равны .

Схему замещения можно представить в упрощенном виде без ветви намагничивания и построить соовтетствующую векторную диаграмму (см. рисунок 1.8). Напряжение при коротком замыкании представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника, называемого треугольником короткого замыкания. Катетами этого треугольника являются активная и реактивная составляющие этого напряжения. Угол называется углом короткого замыкания.

Из схемы замещения видно, что при ЭДС . То есть ЭДС, а, следовательно, и магнитный поток в случае короткого замыкания 2 раза меньше, чем при холостом ходе или при нагрузке, не превышающей номинальной. Этот факт наглядно иллюстрирует, что магнитный поток в трансформаторе практически постоянный при нагрузке. Даже в крайнем случае – при коротком замыкании, – он не опускается меньше чем в 2 раза от потока при холостом ходе.

Если короткое замыкание на выводах вторичной обмотки происходит при номинальном первичном напряжении , то после переходного процесса устанавливаются опасные для трансформатора токи короткого замыкания в первичной и вторичной обмотках, превышающие номинальные в 7 – 16 раз. Поэтому режим короткого замыкания воспроизводится опытным путем при пониженном напряжении , выбранном таким образом, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных токов.

По данным опыта короткого замыкания при поминальном токе рассчитываются следующие параметры трансформатора:

1. Сопротивление короткого замыкания:

,
его активная и реактивная составляющая

и .
Измеренное значение активной составляющей сопротивления короткого замыкания , измеренное при температуре , приводят к условной температуре 75 °С:

.
Реактивная составляющая сопротивления короткого замыкания не зависит от токов в обмотках, при котором оно определяется.

Полное сопротивление короткого замыкания:

.
Коэффициент мощности при этом:

.

2. Потери короткого замыкания при практически не отличаются от электрических потерь в первичной и вторичной обмотках при номинальных токах

поскольку эти потери во много раз превышают магнитные потери при коротком замыкании (из-за малого напряжения короткого замыкания ).

3. Напряжение короткого замыкания – это напряжение, которое нужно подвести к выводам одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в них установились номинальные токи при условии, что температура обмоток равна 75 °С. При питании со стороны первичной обмотки напряжение короткого замыкания в абсолютных единицах равно

.

Обычно напряжение короткого замыкания выражают в относительных единицах или в процентах:

или .
Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания:

и .