Анализ и обработка опытных данных

Опыт холостого хода. По данным, полученным в опыте холостого хода и сведённым в таблш.1.1 строят характеристики холостого хода

На рис. 1.4 дан примерный вид этих характеристик. Характер кривой тока I₀ определяется изменением его реактивной составляющей I₀_P, создающей основной магнитный поток в трансформаторе. Активная составляющая тока I_0а в режиме холостого хода невелика. При напряжении, значительно меньшем номинального, магнитная система не насыщена, и зависимость тока от напряжения прямолинейна. По мере насыщения магнитной системы магнитная проводимость падает, реактивная составляющая тока холостого хода I₀_P растет быстрее роста напряжения, и кривая отгибается к оси ординат.

Мощность P₀, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, идет в основном на компенсацию потерь в стали (потери на гистерезис и вихревые токи). В режиме холостого хода ток первичной обмотки мал (I₀=2¸10 % I_H) и можно, не сделав ошибки, пренебречь потерями в меди и считать, что все измеренные потери являются магнитными потерями.

Потери в стали пропорциональны квадрату индукции и частоте в степени 1,3. В режиме холостого хода частота остается постоянной, индукция же в магнитопроводе изменяется пропорционально подводимому напряжению, поэтому потери в стали практически пропорциональны квадрату подводимого напряжения, следовательно, характеристика представляет собой параболу

Характер кривой объясняется соотношениями:

При малом насыщении магнитной системы намагничивающий ток пропорционален напряжению, по мере насыщения магнитной системы ток I₀ резко возрастает за счет роста реактивной составляющей I_0р>> I_0а, и уменьшается.

На рис. 1.5 показана схема замещения трансформатора для режима холостого хода. Согласно этой схеме по данным опыта определяются параметры холостого хода. В практике принято рассчитывать эти величины для номинального значения напряжения трансформатора U _Н.

где U₁, I₀ – фазные значения напряжения и тока,

m – число фаз.

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния в первичной обмотке I₀x₁ мало по сравнению с I₀x_m, и им обычно пренебрегают. На основании сказанного можно считать:

Так как опыт холостого хода проводится со стороны обмотки низкого напряжения, то полученные параметры следует привести для обмотки высокого напряжения, умножив их на коэффициент .

Вследствие нелинейности зависимости между напряжением и током при холостом ходе I ₀ значения z ₀, r ₀, x ₀ не являются постоянными для данного трансформатора и изменяются с изменением напряжения U ₁.

Коэффициент мощности при холостом ходе можно рассчитать по формуле

По опытным данным могут быть также определены активная и реактивная состаляю-щие тока холостого хода . Соответственно в про-центном соотношении:

Опыт короткого замыкания. По данным, полученным в опыте короткого замыкания и сведённым в табл.1.2 строят характеристики короткого замыкания

Характеристики короткого замыкания показаны на рис. 1.6. При весьма слабом насыщении магнитной цепи трансформатора, что имеет место при опыте короткого замыкания, зависимости и в пределах от нуля до номинального значения тока прямолинейны. Значение определяется по формуле:

Потери в трансформаторе в опыте короткого замыкания состоят из электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в стальном сердечнике. Поскольку при коротком замыкании потери в стали малы и ими можно пренебречь. Мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, с достаточной точностью может быть принята равной сумме электрических потерь обмоток:

Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания показана на рис. 1.7а. Так как , то схема рис. 1.7а может быть заменена схемой рис. 1.7б.

Параметры этой схемы рассчитываются по формулам:

Определенное из опыта значение активного сопротивления приводится к t =75°C, которая считается расчётной рабочей температурой обмоток при определении потерь и к.п.д.

где – температурный коэффициент сопротивления обмоток;

Q_окр – температура обмоток в момент проведения опыта.

Согласно ГОСТ напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение, которое надо подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко второй обмотке, чтобы в них установились номинальные токи.

Обычно значение напряжения короткого замыкания U_K выражается в процентах от номинального напряжения той обмотки, со стороны которой проводились измерения в опыте:

Процентное значение номинального напряжения короткого замыкания для трансформаторов общего назначения лежит в пределах 5-10% и указывается на щитке трансформатора. Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания также выражаются в процентах от номинального напряжения

Внешние характеристики. Примерный вид внешних характеристик показан на рис. 1.8. Из-за наличия в обмотках трансформатора активных (r ₁, r ₂) и индуктивных (х ₁, х ₂) сопротивлений напряжение на зажимах трансформатора при изменении величины нагрузки изменяется. Изменение вторичного напряжения, вызываемое наличием нагрузки, характеризуется процентным изменением вторичного напряжения, под которым понимается

где U ₂_O– вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе;

U ₂– вторичное напряжение трансформатора при номинальной нагрузке.

Рис. 1.8. Внешние характеристики трансформатора

при различном характере нагрузки

Для более точного определения DU ₂ следует рассчитывать по формуле

где – коэффициент нагрузки трансформатора; – коэффициент

мощности вторичной цепи.

Напряжение на зажимах вторичной обмотки

Коэффициент полезного действия КПД трансформатора представляет собой отношение полезной мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности, потребляемой им из первичной сети, т.е.

или .

КПД силового трансформатора весьма высок (в трансформаторах большой мощности выше 90%), поэтому метод прямого определения путем измерения мощности Р ₁и Р ₂ может дать грубую ошибку из-за неизбежных погрешностей при измерении Р ₁ и Р ₂. Определять h таким образом недопустимо. Для более точного получения значения КПД и возможности сравнения этих значений для различных трансформаторов следует рассчитывать КПД по формуле

где Р ₀ – потери холостого хода, практически равные магнитным потерям при

нагрузке и независимые от тока нагрузки;

Р_К – потери короткого замыкания при номинальном токе, практически

равные сумме электрических потерь в обмотках и добавочных по

терь в трансформаторе, обусловленных полями рассеяния, с измене

нием тока нагрузки изменяется пропорционально b ²;

S_H – номинальная мощность трансформатора в кВА (ВА).

КПД трансформатора имеет максимальное значение при равенстве постоянных и переменных потерь . Относительное значение тока нагрузки при максимальном КПД равно

Параметры схемы замещения, процентное значение напряжения короткого замыкания U_K%, процентное изменение напряжения DU ₂ % и коэффициент полезного действия рассчитываются на основании сведений, приведенных выше. Результаты всех расчетов следует свести в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Холостой ход	I₀%	I_0A %	I_0P %	P₀	cosj₀	r₀	x₀	z₀

Короткое замыкание	U_K%	U_KA %	U_KP %	P_K	cosj_K	r_K	x_K	z_K

Нагрузка	h %	DU₂ %

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия трансформатора.

2. Какие типы магнитопроводов, применяемых в трансформаторах, Вы знаете? Зачем нужен стальной сердечник?

3. Какие типы обмоток применяются в силовых трансформаторах?

4. Укажите известные Вам способы охлаждения трансформаторов.

5. Что называется коэффициентом трансформации? Как определить К_Т опытным путем?

6. Чем объяснить то, что в момент включения трансформатор гудит особенно сильно?

7. Как изменится ток холостого хода при увеличении зазора в местах стыка магнитопровода?

8. Изменится ли основной магнитный поток при увеличении магнитного сопротивления магнитопровода?

9. Объясните энергетическую диаграмму трансформатора.

10. Напишите основные уравнения трансформатора. Объясните, как связаны ЭДС Е ₁ и Е ₂с потоком в сердечнике? (С токами в первичных и вторичных обмотках I ₁и I ₂? Как, в свою очередь, связан поток в сердечнике с этими токами?)

11. Почему основной магнитный поток трансформатора остается практически постоянным при изменении I ₂от нуля до номинального значения?

12. Как изменятся потери в стали трансформатора при переключении первичной обмотки со звезды на треугольник?

13. Почему опыт холостого хода проводят, как правило, со стороны низкого напряжения? Какие величины и как Вы будете изменять в опыте х.х?

14. Объясните, почему ток холостого хода несинусоидален при синусоидальном приложенном напряжении?

15. Объясните, чем обусловлена нелинейность кривой .

16. Какие потери имеют место в опыте х.х.? Объясните зависимость .

17. Почему в режиме х.х. значительно меньше, чем в номинальном режиме? Объясните зависимость .

18. Почему в режиме х.х. трехстержневого трансформатора токи в фазах А и С отличаются от тока в фазе В (предполагается, что фаза В размещена на среднем стержне)?

19. Какие потери имеют место в режиме к.з.? Объясните зависимость .

20. Сравните степень насыщения магнитной системы трансформатора в опытах х.х. и к.з. Сравните характеристику с соответствующей ей характеристикой в опыте х.х..

21. Объясните зависимость .

22. Какие эксплуатационные свойства трансформатора можно оценить по величине U_K, U_K_А, U_K_Р?

23. Как определить параметры схемы замещения по данным опытов х.х. и к.з.?

24. Объясните построение векторной диаграммы трансформатора. Как влияет характер нагрузки на выходное напряжение U ₂?

25. Объясните особенности векторных диаграмм трансформатора в режимах х.х. и к.з.

26. Как Вы будете снимать внешние характеристики трансформатора? От чего зависит наклон внешних характеристик?

27. Как следует проводить опыт к.з., чтобы токи трансформатора не достигали опасных значений? Что называется напряжением короткого замыкания?