Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

– рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему, а ток меньше своего номинального значения или равен ему и определяется нагрузкой трансформатора, т. е. током I₂;

– режим холостого хода, т. е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (I₂ = 0) или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением нагрузки (например, к вольтметру);

– режим короткого замыкания (аварийный), при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко (U₂ = 0), ток в ней очень большой, что может привести к сильному перегреву сердечника и перегоранию самой обмотки.

Опыты холостого хода и короткого замыкания являются обязательными контрольными опытами при заводском испытании готового трансформатора.

10.3.1. Опыт холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода проводят при разомкнутой вторичной обмотке; подключают к ней только вольтметр, внутреннее сопротивление которого достаточно велико, и ток во вторичной обмотке не протекает (рис. 76).

Все параметры первичной и вторичной обмоток трансформатора при опыте холостого хода обозначены с индексом «0».

По первичной обмотке течет ток холостого хода , который создает поток Ф₀.

Зависимость тока холостого хода первичной обмотки от напряжения называется характеристикой холостого хода .

Она имеет тот же вид что и вольтамперная характеристика (ВАХ) любой катушки с магнитопроводом. По виду этой характеристики судят о магнитных свойствах материала сердечника. Обычно при проектировании трансформаторов амплитуду магнитной индукции (B_m) выбирают не более 1 Тл.

Опыт проводят при напряжении и токе от , где и – номинальные значения напряжения и тока первичной обмотки трансформатора.

По показаниям вольтметров в обмотках трансформатора можно найти его коэффициент трансформации:

.

Опыт холостого хода служит также для определения мощности потерь в магнитопроводе трансформатора.

Потери в стали – это потери, связанные с нагреванием сердечника, обусловленные, во-первых, мощностью, затраченной на перемагничивание сердечника, и во-вторых, мощностью, теряемой в сердечнике из-за наличия вихревых (индукционных) токов в нем.

Мощность, затраченная на перемагничивание сердечника, зависит от его материала (трансформаторная сталь, электротехническая сталь и т. д.), т. е. от формы петли гистерезиса материала, а мощность, создаваемая вихревыми токами, зависит от формы и конструкции сердечника (стержневой, броневой, тороид и т.д.).

Для уменьшения потерь в стали, сердечник делается не сплошной, а из пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, которые разделены между собой изоляцией.

Потери в стали сердечника для данного типа трансформатора – величина постоянная и не зависящая от нагрузки трансформатора. Тем не менее, потери в стали зависят от потока в сердечнике Ф₀, который создается током , а он, в свою очередь, зависит от напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора .

Таким образом, если уменьшать или увеличивать первичное напряжение, то потери в стали тоже будут меняться. Поскольку ваттметр W определяет всю мощность, забираемую трансформатором из сети (затраченную мощность ), а полезная работа не совершается () и потери в меди обмоток очень малы (P_м = R), то можно считать, что показание ваттметра – это и есть потери в стали P_ст , так как в общем случае: P₁ = P₂ +P_м +P_ст, где P₁ – мощость первичной обмотки трансформатора, P₂ – мощность вторичной обмотки трансформатора (полезная мощность), P_м и P_ст – потери в меди обмоток и в стали сердечника трансформатора соответственно.

Векторная диаграмма, представленная на рис. 77, строится для приведенного трансформатора, т. е. принимается, что , так как коэффициент трансформации такого трансформатора равен единице.

Уравнения равновесия трансформатора для режима холостого хода, на основании которого строится векторная диаграмма, следующие:

,

,

где – приведенное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора.

При построении векторной диаграммы за основу берется вектор магнитного потока, который откладывается по вещественной оси, ток холостого хода опережает Ф₀ на угол  – угол магнитных потерь, зависящий от материала сердечника (обычно   7–10), ЭДС отстает от потока на угол , активное падение напряжения первичной обмотки совпадает по фазе с током, а индуктивное – опережает ток на угол ,  – угол сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки.

Значительное увеличение напряжения холостого хода недопустимо, так как вследствие насыщения сердечника может сильно увеличиться ток холостого хода. Обычно не должно быть больше 1,1 .

Опыт холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении является основным при испытании трансформатора.

10.3.2. Опыт короткого замыкания трансформатора

Опыт короткого замыкания трансформатора проводят при пониженном напряжении на первичной обмотке, номинальном вторичном токе I_2к = I_2ном и короткозамкнутой вторичной обмотке.

Условие проведения опыта – напряжение (U_1к) первичной обмотки должно составлять от 5 до 12 % U_1ном, а ток вторичной обмотки не должен превышать I_2ном. (рис. 78). Этот опыт служит для определения важнейших параметров трансформатора: мощности потерь в проводах обмоток, внутреннего падения напряжения и т. п.

Уравнение равновесия трансформатора при коротком замыкании следующее:

так как U_2к = 0.

Действующее значение E_2к составляет 2–5 % E₂ в рабочем режиме. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток в сердечнике, а вместе с ним намагничивающий ток и мощность потерь в магнитопроводе, пропорциональная Ф². Следовательно, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность P_1к трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток, а потерями в стали сердечника (из-за их относительной малости) можно пренебречь.

P_1к = R₁ I_1к² + R₂ I_2к² = R₁ I_1к² + . (10.1)

Так как намагничивающим током ввиду его малости можно пренебречь, то на основании уравнения (10.1) .

Тогда

,

где R_к – активное сопротивление короткого замыкания трансформатора.

По мощности потерь в трансформаторе при коротком замыкании вторичной обмотки и номинальном значении первичного тока определяется активное сопротивление короткого замыкания трансформатора

.

Чтобы обеспечить минимальные размеры трансформатора, конструкторы выбирают такие плотность тока в проводах и индукцию в магнитопроводе, которые соответствуют предельно допустимой температуре нагревания при работе трансформатора. По этой причине для определения мощности потерь в обмотках нагруженного трансформатора значение R_к, найденное из опыта короткого замыкания должно быть пересчитано (приведено к температуре 75 С).

Индуктивное сопротивление короткого замыкания можно считать не зависящим от температуры, поэтому оно определяется непосредственно из результатов опыта

.

Зная R_к, x_к, Z_к, можно определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания (U_к.а и U_к.р).