Испытание трёхфазного трансформатора

Лабораторная работа 5

ИСПЫТАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель: ознакомление с методами получения эксплуатационных характеристик трансформатора и определения параметров его схемы замещения.

Основные понятия

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Рис.1

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух расположенных на нём обмоток. Одна из них, первичная с числом витков, подключается к источнику питания с напряжением. К другой, вторичной с числом витков, подключается потребитель (рис. 1).

Под действием подведённого переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток и возбуждается переменное магнитное поле. Большая часть силовых линий этого поля замыкается по сердечнику, образуя рабочий поток. Этот поток сцепляется с витками обеих обмоток и наводит в них ЭДС индукции:

Действующие значения ЭДС и равны:

Кроме основного (рабочего) потока в трансформаторе возбуждаются переменные магнитные потоки рассеяния и, силовые линии которых замыкаются вокруг витков обмоток через воздух. Эти потоки наводят в обмотках ЭДС и:

Действующие значения ЭДС рассеяния равны:

В процессе передачи энергии от сети к потребителю магнитные потоки и

не участвуют.

Уравнения электрического состояния цепей первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора имеют вид:

При изменении нагрузки трансформатора, сопровождающемся изменением тока происходит и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки

Зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки называется внешней характеристикой трансформатора, т.е. это зависимость

получаемая при и На рис. 2 приведены внешние характеристики трансформатора, работающего при различных по характеру сопротивлениях нагрузки.

Работа трансформатора сопровождается потерями энергии. Различают два вида потерь: магнитные (мощность потерь в сердечнике или в стали); электрические (мощность потерь в обмотках).

Таким образом, мощность потерь в трансформаторе

Мощность потерь в сердечнике пропорциональна квадрату приложенного напряжения и не зависит от нагрузки.

Мощность потерь в обмотках пропорциональна квадрату тока:

где - мощность потерь в первичной обмотке;

- мощность потерь во вторичной обмотке.

Рис.2

При расчёте электрических цепей, содержащих трансформатор, магнитная связь между его обмотками заменяется электрической. Реальный трансформатор представляется при этом эквивалентной электрической схемой, которая называется схемой замещения. На схеме замещения все величины, относящиеся ко вторичной цепи трансформатора, приведены к первичной. Приведение осуществляется заменой реального трансформатора с и эквивалентным трансформатором, у которого и.

Используется чаще всего упрощенная Г-образная схема замещения, изображённая на рис. 3.

Рис. 3. Г-образная схема замещения трансформатора

и – параметры короткого замыкания трансформатора, определяются по следующим формулам:

где и – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки; и

– приведённые активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки;

и –параметры холостого хода трансформатора, параметры ветви намагничивания (рис. 3).

Для определения параметров схемы замещения используются данные, полученные в результате проведения опытов холостого хода и короткого замыкания.

Трансформатор находится в режиме холостого хода при разомкнутой цепи вторичной обмотки. Опыт проводится при подведении к первичной обмотке номинального напряжения.

Измерения, произведённые при опыте холостого хода, позволяют определить мощность потерь в сердечнике, параметры ветви намагничивания Г-образной схемы замещения, коэффициент трансформации.

Трансформатору, находящемуся в режиме холостого хода, соответствует схема замещения, изображённая на рис. 4.

Рис. 4

Мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, затрачивается на потери в стали сердечника. Параметры схемы замещения определяются по формулам:

Коэффициент трансформации трансформатора, равный отношению числа витков обмотки высокого напряжения к числу витков обмотки низкого напряжения, определяется как отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток в режиме холостого хода

Опыт короткого замыкания трансформатора производится при замыкании накоротко зажимов вторичной обмотки. К первичной обмотке подводится при этом пониженное напряжение такой величины, при которой ток вторичной обмотки равен току номинальному, т.е. Этому состоянию трансформатора соответствует схема замещения, представленная на рис.5.

Рис. 5. Схема замещения трансформатора при опыте

короткого замыкания

Измерения, произведённые при опыте короткого замыкания, позволяют определить мощность потерь в обмотках трансформатора и параметры короткого замыкания схемы замещения, т.е.

Где - номинальные электрические потери, равные мощности, потребляемой трансформатором в режиме короткого замыкания.

Параметры схемы замещения определяются в соответствии с формулами

Коэффициент полезного действия трансформатора можно рассчитать, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания:

где - номинальная мощность трансформатора; - коэффициент загрузки трансформатора, который равен отношению - угол сдвига фазы тока по отношению к фазе напряжения (зависит от характера нагрузки).

КПД можно определить и опытным путём, непосредственно измеряя с помощью ваттметров мощности и и рассчитывая их отношение:

Но КПД трансформатора высок (0,99-0,995), и процентная разница величин и

сравнима с погрешностью приборов, используемых для их измерения. Поэтому определение величины КПД рекомендуется производить расчётным путём.

Используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, можно также рассчитать и построить внешнюю характеристику трансформатора.

Вторичное напряжение можно определить, исходя из формулы

где - напряжение на зажимах вторичной обмотки, измеренное при опыте холостого хода; - процентное изменение напряжения на вторичной обмотке.

Формула (1) получена на основе формулы (2).

Процентное изменение напряжения определяется по формуле

где - активная составляющая напряжения короткого замыкания; - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Их величины определяются по формулам:

где

Так как график представляет собой прямую линию, то внешнюю характеристику можно построить по двум точкам: первая соответствует режиму холостого хода вторая – номинальной нагрузке

Программа работы

1. Испытать трансформатор при нагрузке.

Снять и построить внешнюю характеристику рассчитать и построить график зависимости; рассчитать и построить график зависимости

2. Определить параметры Г-образной схемы замещения по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

3. Рассчитать и построить графики зависимости при

и при используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

4. Рассчитать и построить внешнюю характеристику трансформатора

при и при используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

Оборудование лабораторной установки

Т1 – лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); Т2 – испытуемый однофазный трансформатор; А1 – амперметр в первичной цепи с номинальным током 3 А; V1 – вольтметр в первичной цепи с номинальным напряжением 250 В; W – ваттметр с номинальным значением мощности 1 кВт; А2 – амперметр во вторичной цепи с номинальным током 15 А; V2 - вольтметр во вторичной цепи с номинальным напряжением 60 В; Rн – сопротивление нагрузки.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с паспортными данными испытуемого трансформатора. Записать в протокол тип трансформатора, номинальную мощность номинальные первичные и вторичные напряжения и

2. Собрать электрическую цепь по схеме, изображённой на рис.6.

3. Установить движок ЛАТРА в положение “0”.

4. После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение.

5. При помощи ЛАТРА к зажимам первичной обмотки трансформатора

подвести номинальное напряжение и при испытании трансформатора под нагрузкой поддерживать его неизменным.

Рис.6. Схема электрической цепи для испытания

трансформатора при нагрузке

6. Начиная с режима холостого хода постепенно увеличивать ток нагрузки трансформатора, записывая каждый раз показания всех приборов в табл.1.

Таблица 1

Величины

Ед. изм.

По результатам измерений рассчитать мощность вторичной цепи Р₂ коэффициент мощности, КПД трансформатора по формулам:

и построить графики зависимостей:

7. Из табл. 1 переписать в табл. 2 величины, характеризующие режим холостого хода и рассчитать параметры ветви намагничивания схемы замещения трансформатора, а также коэффициент трансформации

Таблица 2

Величины

Ед. изм.

Режим х.х.

8. Для проведения опыта короткого замыкания собрать электрическую цепь по схеме, изображённой на рис. 7. Вольтметр должен иметь предел измерения 60 В.

Рис. 7. Схема для проведения опыта короткого замыкания

трансформатора

9. Установить движок ЛАТРа в положении “0”.

10. После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение.

11. С помощью ЛАТРа подвести к зажимам первичной обмотки трансформатора пониженное напряжение такой величины, чтобы ток во вторичной цепи был равен току номинальному, т.е. Номинальное значение тока определить из формулы

12. Результаты измерений записать в табл. 3 и рассчитать параметры короткого замыкания схемы замещения трансформатора.

Таблица 3

Величины

Ед. изм.

Короткое

замыкание

13. Используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, рассчитать коэффициент полезного действия трансформатора. Расчёт произвести для и при Результаты записать в табл. 4. В одной системе координат построить графики зависимости при

и при

При расчёте учесть, что

14. Рассчитать внешнюю характеристику трансформатора, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания. Расчёт произвести для

и при Результаты записать в табл. 5.

В одной системе координат построить график зависимости при

и при

Таблица 4

Величины

Ед. изм.

0,25

0,5 1

0,75

1,25

0,25

0,5 0,8

0,75

1,25

Таблица 5

Величины

Ед. изм.

Контрольные вопросы

1. Назначение, устройство, принцип действия трансформатора.

2. Что такое коэффициент трансформации трансформатора и как он определяется опытным путём?

3. Для чего и как проводится опыт холостого хода?

4. Для чего и как проводится опыт короткого замыкания?

5. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и как они определяются опытным путём? Чему равны потери в испытанном вами трансформаторе?

6. Два способа опытного определения КПД трансформатора. Каким способом рекомендуется определять КПД по ГОСТу и почему? При каком условии КПД достигает максимального значения?

7. Что называют внешней характеристикой трансформатора? Объяснить её поведение. Какое влияние оказывает род нагрузки на вид внешней характеристики?

8. Начертить Г-образную схему замещения трансформатора. Как определить опытным путём её параметры?

Лабораторная работа 6

ИСПЫТАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель: определение характеристик трёхфазного трансформатора по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

Основные понятия

Трёхфазный трансформатор представляет собой конструктивное объединение трёх однофазных трансформаторов в общую систему (рис. 1).

На каждом стержне магнитопровода расположены обмотки высшего ВН и низшего НН напряжений, относящиеся к одной фазе. Для понижающего трансформатора обмотка ВН является первичной, а обмотка НН – вторичной.

Испытание трансформатора предусматривает проведение опытов холостого хода и короткого замыкания с целью получения данных, необходимых для определения коэффициента трансформации, для расчёта и построения внешней характеристики а также для расчёта и построения зависимости КПД от степени загрузки трансформатора

Рис. 1. Устройство трёхфазного трансформатора

Коэффициент трансформации трёхфазного трансформатора определяется отношением номинальных линейных напряжений первичной и вторичной обмоток

Для соединения фаз обмоток определяется отношением чисел витков обмоток ВН и НН одной фазы а для соединения

Внешняя характеристика для трёхфазного трансформатора может быть построена по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода и режиму номинальной нагрузки Расчёт внешней характеристики производится по формуле

где - линейное напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода; - процентное изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки, определяемое по формуле

В данной формуле - активная составляющая напряжения короткого замыкания; - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Их величины определяются по формулам

В формуле (6) - мощность номинальных электрических потерь в обмотках трансформатора, определяемая в результате опыта короткого замыкания; и

- соответственно линейное напряжение и линейный ток первичной обмотки, которые ввиду несимметрии магнитной цепи трансформатора определяется

как средние арифметические величины напряжений и токов при опыте короткого замыкания.

В формуле (3) - угол сдвига фазы тока по отношению к фазе напряжения при опыте короткого замыкания.

Величина в формуле (5) – номинальное линейное напряжение первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент полезного действия определяется по формуле или иначе

где - коэффициент загрузки трансформатора - номинальная полная мощность, - мощность потерь в магнитопроводе (из опыта холостого хода), - мощность номинальных электрических потерь в обмотках (из опыта короткого замыкания).

Программа работы

1. Провести опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

2. Определить коэффициент трансформации; коэффициент мощности в режиме холостого хода; коэффициент мощности в режиме короткого замыкания.

3. Рассчитать и построить внешнюю характеристику для

и при

4. Рассчитать и построить зависимость для и

при

Оборудование лабораторной установки

Т1 РНТ – регулирующий трёхфазный трансформатор напряжения;

Т2 ТС – испытуемый силовой трансформатор;

ТТ1, ТТ2, ТТ3 – измерительные трансформаторы тока;

А1, А2, А3 – амперметры с номинальным значением тока 5А;

- трёхфазный ваттметр с номинальным значением мощности 2 кВт;

- вольтметр с номинальным значением напряжения 250В.

Для проведения опыта холостого хода измерительные трансформаторы тока включить на номинальный первичный ток

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с испытуемым трансформатором, записать его тип и номинальные данные, указанные на щитке.

2. Собрать цепь по схеме рис. 2 для проведения опыта холостого хода трансформатора.

3. После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение.

4. С помощью РНТ подать на первичную обмотку испытуемого трансформатора номинальное напряжение

5. Измеренные величины напряжений на зажимах первичной обмотки и на зажимах вторичной обмотки исследуемого трансформатора, а также токов и мощности записать в табл. 1.

Таблица 1

Таблица наблюдений для опыта холостого хода

Трансформатора

Величины

Ед. изм.

Опыт

Х.х.

6 С помощью РНТ напряжение обязательно понизить до нуля, после чего отключить цепь от сети.

7. Собрать цепь по схеме рис. 3 для проведения опыта короткого замыкания трансформатора. В этой схеме к оборудованию, использованному при выполнении опыта холостого хода, добавляется измерительный трансформатор напряжения ТН, через который включаются обмотки напряжения ваттметра. Вольтметр должен иметь предел измерения 25В.

8. Рассчитать номинальный линейный ток первичной обмотки исследуемого трансформатора по формуле

9. Трансформаторы тока ТТ1, ТТ2, ТТ3 переключить на номинальный первичный ток

10. После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение и с помощью РНТ установить на первичной обмотке такое пониженное напряжение при котором ток короткого замыкания

11. Записать в табл. 2 показания приборов и отключить цепь от сети.

Таблица 2

Таблица наблюдений для опыта короткого замыкания трансформатора