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 = I_μ = I_o.

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 I_o и активную мощность Р_о холостого хода. По результатам измерений строят зависимости I_o , Р_о , cos φ_о = f(U₁₀) (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Характеристики холостого хода

При повышении напряжения ток холостого хода I_o линейно зависит от напряжения U₁₀, пока сердечник не насыщен. С увеличением напряжения растёт магнитный поток в сердечнике, и из-за насыщения магнитной системы зависимость I_o = f(U₁₀) отклоняется от линейной и ток растёт быстрее напряжения. Активная мощность Р_о,измеряемая в опыте холостого хода, равна сумме магнитных потерь в стали магнитопровода и электрических потерь в первичной обмотке . Поскольку сопротивление r₁<< r_μ,потерями в обмотке можно пренебречь и считать Р_о≈ р_мг. 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 Ф_m и ЭДС Е₁, а ЭДС примерно равна подводимому напряжению E₁ ≈ U₁₀, поэтому Р_о≈ р_мг ~ . На рис. 6.4 график зависимости P_o = f(U₁₀) имеет вид квадратичной параболы.

Коэффициент мощности:

. (6.2)

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

Коэффициент трансформации фазных напряжений определяют по формуле:

К = U_фВН / U_фНН . (6.3)

По характеристикам холостого хода определяют величины Р_он, I_он, cosφ_он, соответствующие номинальному напряжению (рис. 6.4). Ток холостого хода выражают в процентах от номинального тока i_о%.

По данным опыта можно рассчитать сопротивления холостого хода:

, (6.4)

где U_1нф, I_oнф – номинальное фазное напряжение первичной обмотки и фазный ток холостого хода в опыте.

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

, , x_o = x₁+ x_μ.

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

Z_o ≈ Z_μ, r_o ≈ r_μ, x_o ≈ x_μ.

Потери холостого хода Р_он и ток холостого хода i_о% 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 U_к , ток I_к и потребляемую активную мощность Р_к. По результатам измерений строят графики зависимостей I_{к ,} P_к , cosφ_к = f(U_к ) (рис. 6.5).

Для анализа характеристик и параметров короткого замыкания с учётом соотношения сопротивлений Z_μ* >>Z_1*, используется упрощённая схема замещения (рис. 6.3) при закороченных выводах вторичной обмотки.

Ток I_к при увеличении напряжения изменяется по линейному закону, так как сопротивления r_к и x_к не зависят от напряжения. Сопротивление r_к 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 Р_к = р_э1 + + р_э2 + р_доб. 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 I_к пропорционален напряжению U_к, поэтому на рис. 6.6 график зависимости Р_к = f(U_к) имеет вид квадратичной параболы.

Коэффициент мощности при коротком замыкании определяется по формуле:

= , (6.5)

где I_кл, I_кф – линейные и фазные токи; U_кл ,U_кф - линейные и фазные напряжения. Коэффициент мощности, который можно выразить также через сопротивления упрощённой схемы замещения (рис. 6.3) как cosφ_к = r_к/Z_к, при изменении напряжения остаётся постоянным, так как сопротивления r_к и x_к не зависят от напряжения.

По характеристикам короткого замыкания определяют потери короткого замыкания Р_кн и напряжение короткого замыкания U_кн, 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:

U_кн= I_нфZ_к, U_ка= I_нф r_к, U_кr = I_нф x_к. (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 Θ_р= 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:

u_к% = 100U_кн75 /U_нф.

Обычно u_к% составляет 5 – 15%.

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

u_к* = Z_к* , u_ка* = r_к* , u_кr* = x_к* .

Потери короткого замыкания Р_кн75 и напряжение короткого замыкания u_к% приводятся в паспорте трансформатора.