9.3 Потери энергии в трансформаторе. Внешняя характеристика и кпд трансформатора
Режимы холостого хода и короткого замыкания
Режим холостого хода
Холостым ходом трансформатора является такой режим работы, когда его вторичная обмотка разомкнута и ток вторичной обмотки равен нулю (I2 = 0). Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации K12, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора.
Схема опыта холостого хода представлена на рис.2.
Рис. 10. Опыт холостого хода трансформатора
При опыте холостого хода первичную обмотку однофазного трансформатора включают в сеть переменного тока на номинальное напряжение U1.
Под действием приложенного напряжения по обмотке протекает ток I1 = I0 равный току холостого хода. Практически, ток холостого хода равен примерно 5-10 % номинального, а в трансформаторах малой мощности (десятки вольт-ампер) достигает значений 30 % и более номинального. Для измерения тока холостого хода, приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки практически равен нулю I2 = 0.
Ток холостого хода возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток Ф, который индуктирует ЭДС Е1 и Е2 в первичной и во вторичной обмотках.
Во вторичной обмотке трансформатора тока нет и, следовательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмотки, поэтому ЭДС равна напряжению, т.е. Е2 = U2. Поэтому ЭДС Е2 вторичной обмотки определяется показанием вольтметра V2, включенного в эту обмотку.
Имея в виду равенства E2 = U2 и E1 ≈ U1 коэффициент трансформации можно определить отношением ЭДС или чисел витков обмоток. Таким образом, при холостом ходе трансформатора коэффициент трансформации определится отношением показателей вольтметров, включенных в первичной и вторичной обмотках
.
По полученным показаниям опыта можно также определить:
- сопротивления замещения
;
- коэффициент мощности холостого хода:
;
- составляющие тока холостого хода и угол магнитных потерь:
,
,
.
Режим короткого замыкания
Необходимо различать два режима короткого замыкания.
Аварийный режим – тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15-20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Это тяжелый режим. Защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.
Опытный режим короткого замыкания (КЗ) – это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, т.е на зажимах вторичной обмотки равно нулю.
Схема опыта такова:
Рис. 2 Схема опыта короткого замыкания
К первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда токи в обмотках равны номинальным, т.е.
IK1 = I1, IK2 = I2.
Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания UK и выражается в процентах
.
Для трансформаторов средней мощности UK% = 5-7 %, для мощных трансформаторов 6-12 %.
По данным опыта КЗ определяется напряжение КЗ UK%, его активная и реактивная составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора Pобм при номинальной нагрузке, а также активное, реактивное и полное сопротивление трансформатора при КЗ. Потери в обмотках измеряются ваттметром.
,
где UK, I1ном, PKном – напряжение, ток и мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной обмотки трансформатора.
Величина Uк% позволяет определить ток короткого замыкания в условиях эксплуатации при номинальном первичном напряжении (т.е. при U1= U1ном). В этих условиях короткое замыкание является аварийным режимом, токи I1 и I2 возрастают в 15-20 раз, в частности
,
где I1НОМ – номинальный ток первичной обмотки.
При переходном процессе амплитуда тока I1к может быть значительно выше амплитуды при установившемся значении, эту величину называют ударным током:
Такой ток не только вызывает быстрый разогрев обмоток, их последующее разрушение и замыкание между витками.