Определение параметров схемы замещения , , возможно либо расчетным (в процессе расчета трансформатора), либо опытным путем. Ниже излагается порядок определения параметров схемы замещения трансформатора опытным путем, сущность которого состоит в проведении опыта холостого хода (х.х.) и опыта короткого замыкания (к.з).
Опыт холостого хода. Холостым ходом называют режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке . В этом случае уравнения напряжений и токов (1.34) принимают вид
(1.40)
Так как полезная мощность при работе трансформатора вхолостую равна нулю, то мощность на входе трансформатора в режиме х.х. расходуется на магнитные потери в магнитопроводе , (потери на перемагничивание магнитопровода и вихревые токи) и электрические потери в меди , (потери на нагрев обмотки при прохождении по ней тока) одной лишь первичной обмотки. Однако ввиду небольшого значения тока , который обычно не превышает 2-10% от , электрическими потерями можно пренебречь и считать, что вся мощность х.х. представляет собой мощность магнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.
Рис. 35. Схемы опыта х.х. трансформаторов однофазного (а), трехфазного (б)
Опыт х.х. однофазного трансформатора проводят по схеме, изображенной на рис. 35, а. Комплект электроизмерительных приборов, включенных в схему, дает возможность непосредственно измерить напряжение , подведенное к первичной обмотке; напряжение на выводах вторичной обмотки; мощность х.х. и ток х.х. .
Напряжение к первичной обмотке, трансформатора обычно подводят через однофазный регулятор напряжения РНО, позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до l,15 . При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока х.х. снимают показания приборов, а затем строят характеристики х.х.: зависимости тока х.х. , мощности х.х. и коэффициента мощности х.х. от первичного напряжения (рис. 36).
Криволинейность этих характеристик обусловлена состоянием магнитного насыщения магнитопровода, которое наступает при некотором значении напряжения .
В случае опыта холостого хода с трехфазным трансформатором напряжение устанавливают посредством трехфазного регулятора напряжения РНТ (рис. 35, б). Характеристики х.х. строят по средним фазным значениям тока и напряжения для трех фаз:
; (1.41)
. (1.42)
Коэффициент мощности для однофазного трансформатора
; (1.43)
для трехфазного трансформатора
, (1.44)
где и – показания однофазных ваттметров; и – фазные значения напряжения и тока.
По данным опыта х.х. можно определить: коэффициент трансформации ; ток х.х. при (в процентах от номинального первичного тока)
; (1.45)
Рис. 36. Характеристики х.х. трансформатора
В трехфазном трансформаторе токи х.х. в фазах неодинаковы и образуют несимметричную систему, поэтому мощность следует измерять двумя ваттметрами по схеме, изображенной на рис. 35, б. Падение напряжения в первичной ветви схемы замещения в режиме х.х. (рис. 37) составляет весьма незначительную величину, поэтому, не допуская заметной ошибки, можно пользоваться следующими выражениями для расчета параметров ветви намагничивания:
; (1.46)
; (1.47)
. (1.47)
Обычно в силовых трансформаторах общего назначения средней и большой мощности при номинальном первичном напряжении ток х.х. = 10-0,6%.
Если же фактические значения тока х.х. и мощности х.х. , соответствующие номинальному значению первичного напряжения , заметно превышают величины этих параметров, указанные в каталоге на данный тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности этого трансформатора: наличие короткозамкнутых витков в обмотках либо замыкании части пластин магнитопровода.
Рис. 37. Схема замещения трансформатора в режиме х.х.
Опыт короткого замыкания. Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко , при этом вторичное напряжение . В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение , короткое замыкание является аварийным режимом и представляет собой большую опасность для трансформатора.
При опыте к.з. обмотку низшего напряжения однофазного трансформатора замыкают накоротко (рис. 38, а), а к обмотке высшего напряжения подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его регулятором напряжения РНО до некоторого значения , при котором токи к.з. в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам в первичной и вторичной обмотках. При этом снимают показания приборов и строят характеристики к.з., представляющие собой зависимость тока к.з. , мощности к.з. и коэффициента мощности от напряжения к.з. (рис. 39).
В случае трехфазного трансформатора опыт проводят по схеме, показанной на рис. 38, б, а значения напряжения к.з. и тока к.з. определяют как средние для трех фаз:
; (1.49)
; (1.50)
Коэффициент мощности при опыте к.з.
. (1.51)
Рис. 38. Схемы опыта к.з. трансформаторов однофазного (а), трехфазного (б)
При этом активную мощность трехфазного трансформатора измеряют методом двух ваттметров. Тогда мощность к.з.
. (1.52)
В (1.52) и – показания однофазных ваттметров, Вт.
Напряжение, при котором токи в обмотках трансформатора при опыте равны номинальным значениям, называют номинальным напряжением короткого замыкания и обычно выражают его в % от номинального:
Рис. 39. Характеристики к.з. трансформатора
. (1.53)
Для силовых трансформаторов = 5-10% от .
Как следует из (1.20), магнитный поток в магнитопроводе трансформатора пропорционален первичному напряжению . Но так как это напряжение при опыте к.з. составляет не более 10% от , то такую же небольшую величину составляет магнитный поток. Для создания такого магнитного потока требуется настолько малый намагничивающий ток, что значением его можно пренебречь. В этом случае уравнение токов (1.24) принимает вид
, (1.54)
а схема замещения трансформаторов для опыта к.з. не содержит ветви намагничивания (рис. 40, а). Для этой схемы замещения можно записать уравнение напряжений
, (1.55)
или
. (1.56)
Полное сопротивление трансформатора при опыте к.з.
, (1.57)
где и – активная и индуктивная составляющие сопротивления к.з. .
Воспользовавшись уравнениями токов (1.54) и напряжений (1.55), для опыта к.з. построим векторную диаграмму трансформатора (рис. 40, б). Построение этой диаграммы начинают с вектора напряжения к.з. . Затем под углом к вектору проводят вектор тока к.з. Построив векторы падений напряжения в первичной обмотке и векторы падения напряжения во вторичной обмотке и получают прямоугольный треугольник АОВ, называемый треугольником короткого замыкания. Стороны этого треугольника будут:
;
;
.
где и – активная и реактивная составляющие напряжения к.з., В.
Здесь
, (1.58)
Рис. 40. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора в режиме к.з.
Полное, активное и индуктивное сопротивления схемы замещения при опыте к.з.:
; (1.59)
; (1.60)
. (1.61)
Так как при опыте к.з. основной поток составляет всего лишь несколько процентов по сравнению с его значением при номинальном первичном напряжении, то магнитными потерями, вызываемыми этим потоком, можно пренебречь. Следовательно, можно считать, что мощность , потребляемая трансформатором при опыте к.з., идет полностью на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора:
Мощность к.з. приводят к рабочей температуре обмоток +75 °С:
. (1.66).