Опыт холостого хода и короткого замыкания кратко

Обновлено: 08.07.2024

4.30. Допускается параллельная работа трансформаторов (автотрансформаторов) при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимое значение силы тока для данной обмотки.

Параллельная работа трансформаторов допускается при следующих условиях:

1) группы соединений обмоток одинаковы;

2) соотношение мощностей трансформаторов не более чем 1:3;

3) коэффициенты трансформации отличаются не более чем на плюс 0,5 % и не меньше чем на минус 0,5 %;

4) напряжения КЗ отличаются не более чем на плюс 10 % и не меньше чем на минус 10 % среднеарифметического значения напряжения КЗ

трансформаторов, которые включаются на параллельную работу;

5) проведено фазирование трансформаторов.

Для выравнивания нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с разными напряжениями КЗ допускается в небольших пределах изменять коэффициент трансформации путем переключения ответвлений при условии, что ни один из трансформаторов не будет перегружен.

Определение режима. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение u1, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю. Принципиальная схема однофазного трансформатора при холостом ходе изображена на рис.7.6. В этом режиме трансформатор подобен дросселю с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом.

Необходимость изучения данного режима заключается в том, что одновременно с определением основных параметров трансформатора (коэффициента трансформации, тока холостого хода, потерь в стали магнитопровода) возможно в сочетании с параметрами, полученными при другом крайнем режиме — коротком замыкании, охарактеризовать работу трансформатора под нагрузкой и наиболее точно определить коэффициент полезного действия.

Рисунок 7.6 — Схема трансформатора при холостом ходе

Принцип действия в режиме холостого хода. Под действием приложенного напряжения u1 в первичной обмотке трансформатора имеет место небольшой ток холостого хода i10 = i, обычно не превышающий (3-10%) от номинального тока в первичной обмотке, т.е. его действующее значение I£(0,03…0,1)I1н. Этот ток создает МДС первичной обмотки i×w1, которая обусловливает в замкнутом магнитопроводе переменный основной магнитный поток трансформатора Ф и небольшой переменный поток рассеяния первичной обмотки ФS1, замыкающийся вокруг первичной обмотки по воздуху.

Основной поток Ф наводит в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции e2. Поток рассеяния создает в первичной обмотке ЭДС eS1, называемую электродвижущей силой рассеяния. Так как основной поток Ф замыкается по магнитопроводу, а поток рассеяния ФS1 в основном по воздуху, то основной поток будет во много раз больше потока рассеяния (Ф>>ФS1), следовательно, и ЭДС, наводимые этими потоками в первичной обмотке, будут тоже существенно различаться по величине (E1>>ES1).

Опыт короткого замыкания

Как я уже говорил в предыдущей статье, изготовленный трансформатор подвергают двум основным испытаниям: опыту холостого хода и опыту короткого замыкания. Первое испытание я рассмотрел в предыдущей статье, а для второго собирают схему изображенную ниже

Как видно на схеме в цепь первичной обмотки трансформатора включены вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Для снятия характеристик трансформатора в этом режиме на первичную обмотку трансформатора подают такое напряжение U_КЗ, при котором ток I_КЗ в обмотке соответствовал номинальному току. После того как трансформатор прогреется в течении нескольких минут снимают показания с приборов.

Для построения графической характеристики короткого замыкания снимают параметры при изменении напряжения на первичной обмотке от 30 до 110 % U_КЗ.

При проведении опыта короткого замыкания определяют следующие параметры трансформатора:

— процентное отношение напряжения короткого замыкания U_КЗ%

U_Н – номинальное напряжение первичной обмотки.

— активное сопротивление обмоток трансформатора R_К

где Р_КЗ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1,

I_КЗ – ток короткого замыкания, снимаемая с амперметра РА1.

— полное сопротивление обмоток трансформатора Z_K

— реактивное сопротивление обмоток трансформатора Х_К

— коэффициент мощности короткого замыкания cos φ_КЗ

Мощность, подводимая к трансформатору при проведении опыта короткого замыкания для силовых трансформаторов, составляет 1 – 4 % от номинальной мощности трансформатора. При этом, чем больше номинальная мощность трансформатора, тем меньше мощность при проведении опыта короткого замыкания, то есть меньше потери в обмотках.

Схема замещения в режиме трансформатора

Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.

Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:

для первичной обмотки комплексное сопротивление включается последовательно в цепь;
для вторичной обмотки параллельно нагрузке.

Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода

Когда на обмотку прибора подают напряжение синусоиды, в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это и есть холостой ток). Его создает обмоточная магнитодвижущая сила, именно из-за ее действия в замкнутом магнитопроводном элементе возникают ведущий магнитный поток (обозначается Ф) и рассеивающийся поток Ф1, замкнутый вокруг обмоточного тела. Значение магнитодвижущей силы равно произведению холостого тока на число обмоточных витков.

Ведущий поток создает в приборе две электродвижущие силы: самоиндукционную у первой обмотки и взаимной индукции – у второй. Ф1 продуцирует у первой катушки ЭДС рассеяния. Она имеет очень небольшую величину, ведь создающий ее поток замыкается, по большей части, по воздушным массам, ведущий поток Ф – по магнитопроводу. Поскольку главный поток имеет гораздо большие масштабы, то и генерируемая им для первичной катушки электродвижущая сила тоже имеет намного большее значение.

Важно! Так как подаваемое напряжение имеет вид синусоиды, такие же характеристики имеют главный поток и создаваемые им обмоточные электродвижущие силы. Но по причине магнитного насыщения имеющийся в приборе поток непропорционален электротоку, создающему намагничивание, так что последний синусоидальным не будет

Практикуется замена его реальной кривой соответствующей ей синусоидой с таким же значением. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми потоками и магнитопроводным насыщением).

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

амперметры для измерения тока в каждой фазе;
вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

Р е ж и м х о л о с т о г о х о д а.Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подводится напряжение, а вторичная обмотка разомкнута ( ). В этом случае система уравнений (4.7) примет такой вид:

Опыт холостого хода трансформатора проводят по схеме, представленной на рисунке 4.2. К первичной обмотке подводят номинальное напряжение и замеряют ток , мощность и напряжение .

Опыт холостого хода позволяет определить следующие параметры трансформатора:

1) коэффициент трансформации ,равный отношению первичного и вторичного напряжений при холостом ходе;

2) ток холостого хода, выраженный в процентах, ;

3) мощность холостого хода или, исходя из схемы замещения, . Обычно , поэтому мощность идет в основном на покрытие потерь в стали трансформатора, т. е. . В маломощных трансформаторах потери в стали рассчитывают с учетом электрических потерь в первичной обмотке:

4) параметры ветви намагничивания которые для трансформаторов определяют по формулам:

При этом для маломощных трансформаторов потоками рассеяния пренебрегают, т. е. считают

Сопротивления r, и x_s₁при холостом ходе не учитывают, поэтому

Р е ж и м к о р о т к о г о з а м ы к а н и я. Под коротким замыканием трансформатора понимают такой режим работы, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко ( ). В этом случае система уравнений (3.7) примет вид

Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении опасно для трансформатора, так как токи в его обмотках во много раз превысят номинальные значения. Поэтому опыт короткого замыкания проводят при пониженном напряжении согласно рисунку 4.3, только зажимы вторичной обмотки замыкают накоротко, т. е. вместо вольтметра включают амперметр .

При проведении этого опыта ЭДС , следовательно, и магнитный поток в сердечнике малы, так как мало напряжение .Для создания такого потока требуется очень малый ток и его значением обычно пренебрегают. Тогда ток в первичной и вторичной обмотках равны по значению .

Опыт короткого замыкания позволяет рассчитать следующие параметры:

1) параметры схемы замещения:; ; Сопротивления и приводят к рабочей температуре 75 °С, пользуясь формулами , ;

2) коэффициент мощности ;

3) мощность потерь .

Так как при коротком замыкании основной магнитный поток очень мал, то потерями в стали, вызванными им, практически пренебрегают. Следовательно, номинальная мощность идет почти полностью на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора.

Мощность потерь приводят к температуре : ;

4) напряжение и его составляющие .

Опыт холостого хода позволяет определить следующие параметры трансформатора:

1) коэффициент трансформации ,равный отношению первичного и вторичного напряжений при холостом ходе;

2) ток холостого хода, выраженный в процентах, ;

4) параметры ветви намагничивания которые для трансформаторов определяют по формулам:

При этом для маломощных трансформаторов потоками рассеяния пренебрегают, т. е. считают

Сопротивления r, и x_s₁при холостом ходе не учитывают, поэтому

Опыт короткого замыкания позволяет рассчитать следующие параметры:

1) параметры схемы замещения:; ; Сопротивления и приводят к рабочей температуре 75 °С, пользуясь формулами , ;

2) коэффициент мощности ;

3) мощность потерь .

Точное значение коэффициента трансформации представляет собой отношение э.дс. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения независимо от того, какая из обмоток первичная и какая вторичная.

Опыт холостого хода (рис. 11.4, а) используют для определения коэффициента трансформации. При этом обмотку низшего напряжения подключают к устройству (потенциал — регулятор), позволяющему в широких пределах изменять напряжение, подводимое к трансформатору, а обмотку высшего напряжения размыкают.

С целью определения коэффициента трансформации к обмотке низшего напряжения достаточно подвести напряжение 0,1 U_H для трансформаторов малой мощности и (0,33. 0,5) U_H для трансформаторов большой мощности. Падение напряжения в первичной обмотке весьма мало. С допустимой точностью можно принять, что E₁ = U₁ и Е₂ = U₂, так как ток во вторичной обмотке практически равен нулю.

Из опыта холостого хода трансформатора определяют также зависимости тока холостого хода I_x, потребляемой мощности Р_х и коэффициента мощности cosφ от значения подводимого напряжения U₁, при разомкнутой вторичной обмотке, то есть при I₂ = 0. Ток холостого хода силовых трансформаторов составляет от 10 (для маломощных трансформаторов) до 2% (для мощных трансформаторов) номинального. При снятии характеристик холостого хода подводимое напряжение изменяют в пределах от 0,6 до 1,2 U_H таким образом, чтобы получить 6. 7 показаний. На рисунке 11.4,6 дан примерный вид характеристик холостого хода.

Мощность холостого хода характеризует электрическую энергию, расходуемую в самом трансформаторе, так как со вторичной обмотки энергию при этом не потребляют. Энергия в трансформаторе расходуется на нагрев обмоток проходящим по ним током и нагрев стали сердечника (вихревые токи и гистерезис). Потери на нагрев обмоток (потери в обмотках) при холостом ходе ничтожно малы. Практически можно считать, что все потери холостого хода сосредоточены в стали сердечника и идут на его нагрев.

Коэффициент мощности трансформатора определяют по формуле

где Р _х — полная мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе (сумма показаний двух ваттметров, приведенных на рисунке 11.4, а); U _х.ф и I _x — средние значения фазных напряжения и тока.

Опыт короткого замыкания проводят по схеме, изображенной на рисунке 11.5, а. К обмотке низшего напряжения подводят напряжение, при котором в обмотке высшего напряжения, замкнутой накоротко, протекает номинальный ток. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания е_k%;его значение приводят в паспорте трансформатора в процентах номинального.

Так как в этом опыте из-за малого напряжения, подведенного к обмотке низшего напряжения, магнитный поток в сердечнике весьма незначителен и сердечник не нагревается, то считают, что вся потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания мощность затрачивается на электрические потери в проводниках обмоток. Характеристики короткого замыкания (рис. 11.5,6) представляют собой зависимости потребляемого тока I_k мощности P_k и коэффициента мощности cosφ, от подведенного напряжения при замкнутой вторичной обмотке. Значение подводимого напряжения находится в пределах 5. 10% номинального. Коэффициент мощности определяют так:

Сумма показаний ваттметров дает значение потерь в трансформаторе, которые вызывают нагрев обмоток. Мощность, показываемая ваттметром,

где R ₁ и R ₂ —сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Напряжение короткого замыкания, при котором во вторичной обмотке протекает ток, равный номинальному, выражают в процентах номинального:

Напряжение короткого замыкания — важная характеристика трансформатора. По этой величине делают вывод о возможности параллельной работы трансформаторов, по ней и ее составляющим определяют изменения вторичного напряжения трансформатора при изменении нагрузки. Используя эту величину, находят токи короткого замыкания в условиях эксплуатации.

Опыты холостого хода и короткого замыкания проводятся для определения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и параметров схемы замещения.

Опыт холостого хода.

Для однофазного трансформатора опыт холостого хода выполняется по схеме рис. 2.11. К первичной обмотке подводится номинальное напряжение , к вторичной — подключен вольтметр , имеющий достаточно большое сопротивление. Практически можно считать, что ток .

Кроме того, в схему включены амперметр , вольтметр и ваттметр . Амперметр показывает ток холостого хода , вольтметр — номинальное напряжение первичной обмотки , вольтметр —напряжение и ваттметр —мощность потерь при холостом ходе . По этим показаниям можно определить коэффициент трансформации для понижающего трансформатора или для повышающего трансформатора. Так как нагрузка отсутствует ( ), то мощность, показываемая ваттметром, — это мощность потерь в стали трансформатора (магнитопроводе).

Мощностью потерь в проводах обмоток можно пренебречь, так как при опыте холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю, а ток в первичной обмотке — ток холостого хода составляет примерно 5 % номинального.

Можно также найти

и полное сопротивление цепи (см. рис. 2.9):

Активное сопротивление цепи

и индуктивное сопротивление цепи

Так как практически сопротивления и , то значения и определяются из приведенных формул.

Опыт короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания выполняется по схеме, представленной на рис. 2.12, при условии, что к первичной обмотке подводится пониженное напряжение , составляющее 5—10% , а точнее, такое напряжение, при котором токи и в обмотках равны номинальным.

Вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко.

При этом опыте вольтметр показывает напряжение первичной обмотки , ваттметр — мощность короткого замыкания , амперметр — ток в первичной обмотке.

По этим показаниям можно определить мощность потерь в обмотках, так как потери в магнитопроводе составляют лишь 0,005 – 0,1 потерь при номинальном режиме из-за пониженного напряжения . Мощность потерь при коротком замыкании и номинальных токах

Кроме того, по данным этого опыта можно найти параметры упрощенной схемы замещения (рис. 2.13). Полное сопротивление

суммарное активное сопротивление обеих обмоток

и реактивное сопротивление

На основе опытов холостого хода и короткого замыкания по формулам (2.12),(2.13),(2.14) определяются параметры схемы замещения трансформатора.

Напряжение короткого замыкания.

Как следует из схемы замещения (рис. 2.13),

Обычно составляет 5—8 % :

Значение указано на щитке трансформатора. Активная составляющая напряжения короткого замыкания находится по формуле

Читайте также: