3. Внешние характеристики трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость вторичного напряжения от вторичного тока при постоянном первичном напряжении и постоянном коэффициенте мощности нагрузки (U₁=const и cos₂=const).

В нешние характеристики трансформатора определяются по схеме рис. 1.3. Характеристики снимаются при активной ( ) и активно-индуктивной ( ) нагрузках. При активная и реактивная составляющие тока равны, и амперметры А₂ и А₃ должны иметь одинаковые показания. Характеристики рекомендуется снимать, начиная с холостого хода. Показания приборов заносятся в табл.1.3

Таблица 1.3

Напряжения		Токи			cos2
U1=UBH	U2=UHH	I2а	I2P	I2
В	В	Дел.	Дел.	А

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 I_0P, 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 I_0P 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 I₀ значения z₀, r₀, x₀ не являются постоянными для данного трансформатора и изменяются с изменением напряжения U₁.

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;

_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 (r₁, r₂) и индуктивных (х₁, х₂) 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_2O – вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе;

U₂ – вторичное напряжение трансформатора при номинальной нагрузке.

Рис. 1.8. Внешние характеристики трансформатора

при различном характере нагрузки

Для более точного определения U₂ 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 Р₁ и Р₂ может дать грубую ошибку из-за неизбежных погрешностей при измерении Р₁ и Р₂. Определять  таким образом недопустимо. Для более точного получения значения КПД и возможности сравнения этих значений для различных трансформаторов следует рассчитывать КПД по формуле

,

где Р₀ – 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 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 U₂% 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 %	I0A %	I0P %	P0	cos0	r0	x0	z0
Короткое замыкание	UK %	UKA %	UKP %	PK	cosK	rK	xK	zK
Нагрузка	 %	U2 %