Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора

Главная > Теория > Опыт холостого хода трансформатора

Производительность трансформатора возможно прогнозировать, зная эквивалентные параметры схемы. Эти величины устанавливаются в опытах холостого хода и короткого замыкания трансформатора, которые осуществляются без фактической нагрузки. Причем испытания дают более точный результат, в отличие от тестирования нагруженного аппарата.

Трансформаторы

В соответствии с полученными цифрами в дальнейшем легко определяется трансформаторная эффективность при любом мощностном показателе и любом нагрузочном токе.

Опыт холостого хода

С помощью тестирования возможно установить:

• коэффициент трансформации;
• каким образом ток, мощность, мощностной коэффициент cosφ холостого хода зависят от подаваемого напряжения;
• мощностные потери в стальном магнитопроводе.

Из самого названия опыта следует, что он осуществляется, когда выводы вторичной обмотки остаются открытыми, а входное питание подается со стороны высокого напряжения. Применяется и обратная схема с подведением питания со стороны НН и размыканием выводов первичной обмотки.

Опыт холостого хода трансформатора выполняется путем подключения выбранной обмотки к источнику питания на переменном токе через различные приборы: амперметр, вольтметр, ваттметр. С целью установления коэффициента трансформации с другой стороны также подсоединяется вольтметр. Во время испытания подаваемое напряжение можно изменять. Как правило, его регулирование происходит в диапазоне 0,6-1,1 от номинального.

Схема для теста х.х.

У ненагруженного аппарата первичный ток очень низкий – 3-5 % от Iн. Потери в проводах трансформаторной обмотки несущественны.

Важно! Трансформатор в режиме х.х. работает при Uн, создаваемый магнитный поток в стальном магнитопроводе соответствует самым высоким значениям. Практически полная энергия потребления используется на нагрев сердечника.

Измерения для вычисления коэффициента трансформации

1. После подачи питающего напряжения фиксируются синхронно показания с двух вольтметров. Затем коэффициент трансформации подсчитывается в соответствии с формулой:

К = U1/U2.

Для трехфазных аппаратов снимают показания фазных или линейных напряжений;

1. При соединении обмоток трехфазных аппаратов ∆/Y и Y/∆ измерение фазного коэффициента производят, подавая напряжение на одну фазу и по очереди закорачивая другие. На стороне треугольника одну фазу закорачивают, а на остающиеся подают питание. Вычисленный показатель фазного коэффициента нужно умножить на 2, если напряжение подается на Y, и поделить на 2, если на ∆.

Важно! Значение фазного коэффициента рассчитывается, когда наблюдаются значительные отклонения линейного показателя.

Определение потерь

Графические характеристики холостого хода (х.х.) строятся, исходя из нескольких считываемых с приборов значений тока, напряжения и мощности в процессе регулировании напряжения. Количественные значения тока для аппаратов с низкими мощностными показателями не превышают 10% от номинальных величин, а для устройств большой мощности – 2%.

Формула для расчета коэффициента мощности без нагрузки:

cosφ = P/I x U.

Важно! В режиме х.х. cosφ составляет 0,2-0,3.

Мощностной показатель, замеряемый ваттметром, – это мощность потерь в стальном сердечнике.

Также можно определить:

• намагничивающую составляющую тока х.х.:

Im = I x sinφ

• активную часть тока х.х.:

Ia = I x cosφ

• реактивное сопротивление:

X = U/Im

• сопротивление, представляющее активные потери в магнитопроводе:

R = U/Ia.

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
2. Обмотки.

Обмотки могут быть намотаны на жестком каркасе или иметь бескаркасное исполнение. В качестве сердечников трансформаторов напряжения промышленной частоты используется специальным образом обработанная сталь. В некоторых случаях встречаются устройства без сердечника, но они используются только в области высокочастотной схемотехники и в рамках данной темы рассматриваться не будут.

Принцип действия рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
2. Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
3. Магнитное поле сердечника, в силу электромагнитной индукции, создает во всех обмотках ЭДС индукции.

ЭДС индукции создается, в том числе, в первичной обмотке. Ее направление противоположно подключенному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются и ток через обмотку при отсутствии нагрузки равен нулю. Соответственно, потребляемая мощность при отсутствии нагрузки равна нулю.

Опыт короткого замыкания

Расчет трансформатора

Тестирование заключается в подсоединении обмотки ВН к питающему источнику через вольтметр, амперметр, ваттметр. Выводы обмотки НН закорачиваются. Второе наименование эксперимента – низковольтное тестирование. При короткозамкнутой вторичной обмотке и Uн значение потребляемого тока высоко, учитывая маленькое сопротивление обмотки. Это может вызвать значительный нагрев и повреждение аппарата.

Важно! Чтобы ограничить ток, обмотка ВН должна быть под низким U, достаточным для создания в ней Iн. Это значение U именуется Uкз (напряжение короткого замыкания). Uкз находится в пределах пяти процентов от Uн.

Тест короткого замыкания

При Iн регистрируются данные вольтметра и ваттметра.

В данном эксперименте рассчитываются:

• активное, реактивное, общее сопротивление обмоточных проводов;
• потери в меди.

Важно! На намагничивание сердечника влияет напряжение, следовательно, мощностные потери в нем допустимо не учитывать из-за его малого значения, и на ваттметре отобразится показатель потерь в меди.

Мощностные потери, которые считываются с ваттметра, определяются по формуле:

P = I² x R.

На основании снятых показаний производятся расчеты:

• активное сопротивление обмоточных проводов – R = P/I²;
• общее сопротивление – Z = U/I;
• реактивное сопротивление – X = √ (Z² — R²)*
• мощностной коэффициент к. з. – cosφ = P/ U x I;
• U*кз = (Z x I/U) x 100%. Этот показатель в процентном выражении указан в техпаспорте аппарата.

, Ом

3.
Содержание и порядок выполнения работы
Для исследования электрической цепи по схеме рис. 1П протокола измерений используют: источники постоянного напряжения из блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ

: источника напряжения
Е
1= 9 В (
UZ1
), источника тока
J
2
=
50 мА (
UZ2
); измерительные приборы из блоков
МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
постоянного тока. Пассивные элементы , и электрической схемы выбирают из блока
МОДУЛЬРЕЗИСТОРОВ
, для резистора
R
н используется
МАГАЗИН СОПРОТИВЛЕНИЙ.
· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1П. Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Включить автоматический выключатель QF

блока
МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
. Включить тумблер
SA1
источников
UZ1
и
UZ2
.

· Установить значение сопротивления резистора R

н=
R
1. Если стрелки амперметров
PA1,PA2
и
PA3
блока
МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
отклоняются вправо, то значение тока считается положительным и равным показанию прибора. Если стрелка прибора отклоняется влево, следует поменять полярность подключения прибора, а значение тока считать отрицательным. Аналогично проводится измерение напряжений на элементах вольтметром PV.

· Значения измеренных токов и напряжения занести в табл. 1П протокола измерений.

Определение параметров эквивалентного генератора

· В режиме короткого замыкания (R

н
=
0) измерить ток
I
кз и токи ветвей.

· В режиме холостого хода (ветвь с R

н разомкнута) измерить напряжение
U
хх, токи холостого хода. Данные измерений занести в табл. 1П.

Сравнение экспериментальных и теоретических данных

· Заполнить табл. 2П.

Определение экспериментальных зависимостей

· Измерить токи I

н,
I
1, напряжение
U
н для указанных в табл. 3П значений сопротивления
R
н. Данные измерений занести в табл. 3П протокола.

· Рассчитать по измерениям мощность P

н.

· Выключить автоматический выключатель QF

блока
МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
.

· Построить экспериментальные зависимости I

н(
R
н),
U
н(
I
н),
P
н(
I
н),
I
1(
I
3).

Протокол измерений к лабораторной работе № 3

«Метод эквивалентного генератора. Линейные соотношения»

Схема исследуемой электрической цепи представлена на рис. 1П. Укажите на исследуемой схеме положительные направления токов в ветвях и полярность подключения приборов. В последующих опытах выбранные направления принять как положительные, экспериментальное значение тока в ветвях принимать в соответствии с отклонением стрелки прибора.

Е

1 = ___ В,
J
2 = ___ мА, = ____ Ом, = ____ Ом, Ом.

R

н = ____ Ом

, мА

, мА

, мА

, мА

Расчет КПД трансформатора

Трансформатор имеет два вида главных потерь: в стальном сердечнике и в меди. Они выделяются в виде тепла. Из-за потерянной энергии выходная мощность устройства не равна мощности потребления.

Эффективность трансформатора, или КПД, вычисляется по формуле:

η = выходная мощность в кВт/потребляемая мощность в кВт =

выходная мощность/(выходная мощность + потери в сердечнике + потери в меди),

или η = Pвых/(Рвых + Рхх + Ркз), где Рхх и Ркз определяются из опытов х.х. и к.з.

Напряжение к.з. – важный показатель в технических характеристиках трансформатора. По нему определяют, можно ли аппараты включать на параллельную работу, рассчитывают вторичное U при разной нагрузке.

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимоиндукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструктивного исполнения.

Важную роль играет коэффициент заполнения окна магнитопровода, который показывает отношение общего пространства, к месту, занятому обмоткой.

Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше будет взаимоиндукция обмоток и меньше потери в трансформаторе.

Таблица потерь

Особенности работы и применения резонансного трансформатора Тесла

Когда цепочка второй катушки разомкнута, она не использует какой-либо рабочей мощности. У той мощности, что потребляет первая, есть некоторый активный процент (он и представляет собой потери прибора), но доминирует реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору. Что касается потерянной мощности, то большая ее часть затрачивается на процессы перемагничивания и генерацию вихрей токов магнитопровода. Из-за этого последний начинает перегреваться. Так как поток рассеяния не зависит от нагрузочного электротока, то мощностные потери имеются не только на холостом ходу, но и при подаче нагрузок. Еще некоторая часть потерь (очень небольшая) затрачивается на нагревание катушечного провода. Ее малое значение обусловлено показателями сопротивления проводка и тока холостого хода.

При напряжении 10/0,4 кВ величина потерь будет возрастать по мере увеличения мощности. Для номинального показателя мощности в 250 кВА потери будут равны 730 Вт, для 400 кВА – 1000 Вт, для 2500 кВА – 4200 Вт. По прошествии лет эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция, изменяются структурные характеристики металла. Из-за этого теряться может до 50% мощности.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки применяется такое понятие, как коэффициент трансформации. Его формула представлена далее:

Отсюда следует, что напряжение на вторичном контуре будет определяться соотношением количества витков. Чтобы иметь возможность регулировать выходное электричество, в конструкцию установки вмонтирован специальный прибор. Он переключает число витков на первичном контуре. Это анцапфа.

Для проведения опыта на холостом ходу регулятор ставится в среднее положение. При этом измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для проведения представленного опыта, при использовании понижающего или повышающего бытового агрегата, в расчет берется представленный коэффициент. При этом используют два вольтметра. Первый прибор подключается к первичной обмотке. Соответственно второй вольтметр подсоединяется к вторичному контуру.

Входное сопротивление измерительных приборов должно соответствовать номинальным характеристикам установки. Она может работать в понижающем или повышающем режиме. Поэтому при необходимости провести ремонтные работы, на нем измеряют не только подачу низкого, но и высокого напряжения.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе проведения опыта исследуются показатели на всех контурах. При этом потребуется применять сразу 6 вольтметров. Можно использовать один прибор, который будет подключаться поочередно ко всем точкам измерения.

Если установленное производителем значение на первичной обмотке превышает 6 кВ, на нее подают ток 380 В. При измерении в высоковольтном режиме нельзя определить показатели с требуемым классом точности. Поэтому замер производят в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

В процессе проведения измерения анцапфу перемещают во все установленные производителем положения. При этом замеряют коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие в витках замыкания.

Если показания по фазам будут иметь разброс при замерах больше, чем 2%, а также их снижение в сравнении с предыдущими данными, это говорит об отклонениях в работе агрегата. В первом случае в системе определяется короткое замыкание, а во втором – нарушение изоляции обмоток. Агрегат не может при этом работать правильно.

Такие факты требуют подтверждения. Например, это может быть измерение сопротивления. Влиять на увеличение разброса показателей коэффициента могут возрастание сопротивления между контактами анцапфы. При частом переключении возникает такая ситуация.