2. Опыт короткого замыкания

Из опыта короткого замыкания определяют напряжение и потери короткого замыкания трансформатора, а также по данным опыта нахо-дят параметры схемы замещения (активные сопротивления и индук-тивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток).

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, представленной на рис. 1.2. Трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой присоединяется к источнику напряжения через измерительный комплект К50. Запись полученных результатов рекомендуется вести в форме табл. 1.2.

Рис. 1.2. Схема опыта короткого замыкания

Т а б л и ц а 1.2

Iнн ср

Напряжение U1 = Uвн

Токи

Мощность

IA

IB

IC

Iк

PA

PB

PC

Pк

cos к

A

Дел.

Дел.

Дел.

Дел.

А

Дел.

Дел.

Дел.

Вт

Ток короткого замыкания изменяют в пределах от 1,2I_н до 0,5I_н (снимается 5–6 точек). Напряжение на зажимах трансформатора обычно составляет (0,05...0,15) U_н.

3. Внешние характеристики трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой за-висимость вторичного напряжения от вторичного тока при постоянном первичном напряжении и постоянном коэффициенте мощности на-грузки (U₁ = const и cos₂ = const).

Внешние характеристики трансформатора определяются по схеме, представленной на рис. 1.3. Характеристики снимаются при активной ( ) и активно-индуктивной (cos₂ = 0,707) нагрузках. При cos₂ = 0,707 активная и реактивная составляющие тока равны и ампер-метры А₂ и А₃ должны иметь одинаковые показания. Характеристики рекомендуется снимать, начиная с холостого хода. Показания приборов заносятся в табл. 1.3.

Т а б л и ц а 1.3

Напряжения						Токи			cos 2
U1 = Uвн			U2 = Uнн			I2а	I2р	Iр
Дел.			В			А	А	А

Рис. 1.3. Схема для исследования работы трансформатора

под нагрузкой

Анализ и обработка опытных данных

Опыт холостого хода. По данным, полученным в опыте холостого хода и сведенным в табл. 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_0р, создающей основной магнитный поток в трансформаторе. Активная составляющая тока I_0а в режиме холостого хода невелика. При напряжении, значительно меньшем номинального, магнитная система н е насыщена, и зависимость тока от напряжения прямолинейна. По мере насыщения магнитной системы маг-нитная проводимость падает, реактивная составляющая тока холостого хода I_0р растет быстрее увеличение напряжения, и кривая отгибается к оси ординат.

М ощность 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_н) 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 систе- мы ток I₀ резко увеличивается 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 индуктив-ном сопротивлении рассеяния в пер-вичной обмотке I₀x₁ мало по сравнению с I₀x_m, и им обычно пренебрегают. На основании сказанного можно счи-тать:

.

Так как опыт холостого хода проводится со стороны обмотки низкого напряжения, то полученные парамет- ры 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 напряже- ния U₁.

Коэффициент мощности при холостом ходе можно рассчитать по формуле

.

По опытным данным могут быть также определены активная и реактивная составляющие тока холостого хода . Соответственно, в процентном соотношении:

.

О пыт короткого замыкания. По данным, полученным в опыте короткого замыкания и сведенным в табл. 1.2, строят характеристики короткого замыкания

.

Характеристики короткого за-мыкания показаны на рис. 1.6. При весьма слабом насыщении магнит-ной цепи трансформатора, что имеет место при опыте короткого за- мыкания, 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. 1.7, а. Так как , то схема, представленная на рис. 1.7, а, может быть заменена схемой, которая приведена на рис. 1.7, б.

Параметры этой схемы рассчитываются по формулам

Рис. 1.7. Схема замещения для режима короткого

замыкания

Определенное из опыта значение активного сопротивления приво-дится к t = 75 C, которая считается расчетной рабочей температурой

обмоток при определении потерь и КПД:

где – температурный коэффициент сопротивления обмоток; _окр – температура обмоток в момент проведения опыта.

Согласно стандарту напряжением короткого замыкания двухоб-моточного трансформатора называется напряжение, которое надо под-вести к одной из обмоток при замкнутой накоротко второй обмотке, чтобы в них установились номинальные токи.

Обычно значение напряжения короткого замыкания U_к 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 %. Оно 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.

И зменение вторичного напряжения, вызываемое наличием нагрузки, характеризуется процентным изменением вторичного напряжения, под которым понимается

где U₂₀ – вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе; U₂ – вторичное напряжение трансформатора при номинальной нагрузке.

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 транс- форматором 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 трансформа-

торов 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 потерь в трансформаторе, обусловленных полями рассеяния, с изменением тока нагрузки изменяются пропорционально ²; S_н – номинальная мощность трансформатора, кВА (ВА).

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_к %, процентное изменение напряжения U₂ % и коэффициент полезного действия рассчитываются на основании сведений, приведенных выше. Результаты всех расчетов следует свести в табл. 1.4.

Т а б л и ц а 1.4

Холостой ход	I0 %	I0а %	I0р %	P0	cos 0	r0	x0	z0
Короткое замыкание	Uк %	Uка %	Uкр %	Pк	cos к	rк	xк	zк
Нагрузка	 %	U2 %