Объяснение полученных результатов

В виду того, что в опыте КЗ прикладываемое к обмоткам напряжение составляет примерно 0,1 от номинального значения, поток в сердечнике Тр не превышает 10 % от номинального потока. Поэтому насыщение стали отсутствует. Кроме того, силовые линии магнитных полей рассеяния, соответствующих индуктивным сопротивлениям рассеяния первичной и вторичной обмоток, значительную часть пути проходят по воздуху в канале рассеяния. Поэтому будет постоянной величиной. Постоянна при неизменной температуре и величина . Поэтому зависимость является линейной, а – постоянная величина.

Мощность определяется потерями в первичной и вторичной обмотках, потерями в металлических конструктивных элементах (шпильках, болтах, баке) от полей рассеяния обеих обмоток и потерями в магнитопроводе от основных потоков (магнитные потери). Так как поток в сердечнике в режиме КЗ не превышает 10 % от номинального, а потери в стали имеют квадратичную зависимость от величины магнитной индукции в сердечнике и соответственно потока, то для силовых Тр магнитные потери в этом режиме составляют менее 1 % от значений в номинальном режиме. Незначительны и потери в конструктивных элементах от полей рассеяния. В то же время опыт КЗ проводится при номинальных токах в обмотках. Поэтому измеренная мощность практически равна сумме потерь в обмотках.

Так как и , то зависимость представляет собой параболу.

Следует отметить, что величина , вычисленная из опыта КЗ согласно приведенной выше формуле учитывает и действие вихревых токов в собственно обмотках и конструктивных элементах магнитопровода.

Важным параметром Тр, который включают в состав паспортных данных, является напряжение КЗ .

Напряжение короткого замыкания – это такое напряжение на первичной обмотке в режиме КЗ при расчётной температуре обмоток, при котором токи первичной и вторичной обмоток равны их номинальным значениям. Напряжение КЗ обычно выражают в процентах от номинального напряжения:

.

Для силовых Тр величина составляет обычно 5–15 %.

Активная и индуктивная составляющие напряжения КЗ:

и .

Изменение вторичного напряжения

Алгебраическая разность между величинами вторичного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой при неизменном первичном напряжении называется изменением вторичного напряжения Тр. Изменение вторичного напряжения обычно выражают в процентах от величины вторичного напряжения на ХХ.

Рисунок 2.4 – Зависимость изменения вторичного напряжения Тр

от характера нагрузки при номинальном токе ( )

Величину при номинальном первичном напряжении приближенно можно выразить через параметры Тр, величину и характер нагрузки:

,

где ; здесь – ток во вторичной обмотке; – номинальный вторичный ток; ; – угол сдвига вектора вторичного тока от вектора вторичного напряжения (определяется нагрузкой Тр).

Для исследуемого Тр построить зависимость при , (рисунок 2.4). Как видно из рисунка 2.4, при нагрузке ёмкостного характера вторичное напряжение может повышаться по сравнению с его величиной на холостом ходу.

О п ы т п о д н а г р у з к о й.

В н е ш н я я х а р а к т е р и с т и к а т р а н с ф о р м а т о р а

Важными эксплуатационными характеристиками трансформаторов являются зависимости выходного напряжения и к.п.д. от величины и характера нагрузки.

Опыт под нагрузкой — проводится для определения зависимости вторичного напряжения U₂ трансформатора от нагрузки I₂.

К нагрузочным характеристикам трансформатора относятся зависимости вторичного напряжения U₂, коэффициента мощности cosφ₁ и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки I₂ потребителя электроэнергии при cosφ₂=const. Зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки U₂= f(I₂) или коэффициента нагрузки U₂= f(β) является внешней характеристикой трансформатора.

Рис. 3.5. Схема исследования трансформатора в режиме нагрузки

Рис. 3.6. Внешняя характеристика трансформатора

По результатам опыта строится внешняя характеристика:

U₂= f (I₂)при U₁= U_1НОМ; f₁= f_1НОМ; cos φ = const

В зависимости от характера нагрузки напряжение на вторичной обмотке может быть больше либо меньше номинального (рис. 3.6):

U₂= E₂− U₂= E₂− I₂Z₂.

На основании измеренных данных строятся характеристики трансформатора в режиме нагрузки.

Из данного опыта при полностью активной нагрузке определяются номинальные токи трансформатора.

Общее выражение внешних характеристик можно получить на основании упрощенной схемы замещения и соответствующей векторной диаграммы трансформатора.

Рис. 2.5. Упрощенная схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора

Точное выражение внешней характеристики, записанное в относительных единицах, имеет следующий вид:

(1)

где: – относительное значение выходного напряжения;

–вторичные напряжения в режимах холостого хода и нагрузки;

– коэффициент нагрузки, характеризующий модуль тока;

– паспортное значение напряжения короткого камыкания в относительных единицах;

– фазовые углы короткого замыкания трансформатора и нагрузки.

Это уравнение справедливо для трансформаторов с любыми напряжениями короткого замыкания и во всем диапазоне изменения тока нагрузки вплоть до короткого замыкания. На практике ток нагрузки обычно не превышает 2I_ном, и в основном рабочем диапазоне βu_к< 0,1. В этом случае достаточно высокую точность дают приближенные формулы:

; (2)

(3)

где ; -активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания в относительных единицах.

Из формул (1) –(3) следует, что на выходное напряжение существенное влияние оказывает не только величина, но и характер нагрузки. Поскольку косинус является четной функцией, независимо от знака угла φ₂ активная составляющая напряжения короткого замыкания u_ка всегда вызывает уменьшение выходного напряжения. Принципиально по-иному проявляется влияние реактивной составляющей u_кr. Если φ₂>0 (индуктивный характер нагрузки), имеем положительное отклонение: и дополнительное уменьшение выходного напряжения. При φ₂<0 (емкостный характер нагрузки) реактивная составляющая напряжения короткого замыкания вызывает отрицательное отклонение: и, следовательно, определенное увеличение выходного напряжения по сравнению с активной нагрузкой. При выполнении условий:

φ₂<0;

напряжение на выходе трансформатора в пределах рабочего диапазона остается практически неизменным. Типичный вид зависимостей при различном характере нагрузки показан на рис. 2.6.

Рис 2.6. Общий вид внешних характеристик трансформатора

при различном характере нагрузки

Основным критерием оценки энергетической эффективности применения трансформаторов является коэффициент полезного действия (к.п.д.), численно равный отношению активной мощности на выходе к активной мощности на входе:

(1.15)

где – сумма потерь активной мощности в трансформаторе, Р_м- потери в магнитопроводе трансформатора; Р_э- электрические потери в обмотках трансформатора β = I₂/I_2H- коэффициент загрузки трансформатора, т.е. отношение тока нагрузки к номинальному его значению; cosφ₂=P₂/U₂I₂- коэффициент мощности потребителя электроэнергии.

При отсутствии нагрузки коэффициент полезного действия оказывается равным нулю, поэтому зависимость η(I₂) будет выходить из начала координат (рис. 2.3,б). Из формулы (1.15) видно, что при малых значениях нагрузки, когда электрическими потерями мощности Р_э в обмотках трансформатора вследствие небольшого значения тока нагрузки можно пренебречь и когда потери мощности в магнитопроводе Р_м оказываются соизмеримыми с полезной мощностью P₂, значение КПД трансформатора оказывается небольшим. С увеличением тока нагрузки КПД трансформатора растет. Потери мощности в магнитопроводе трансформатора не зависят от нагрузки, в то время как с увеличением нагрузки электрические потери мощности в обмотках трансформатора растут пропорционально квадрату тока. С учетом этого анализ приведенной формулы показывает, что КПД трансформатора имеет наибольшее значение при равенстве электрических потерь мощности в обмотках и потерь мощности в магнитопр оводе трансформатора (Р_Э=Р_М). При дальнейшем возрастании нагрузки трансформатора потерями в магнитопроводе можно пренебречь. Анализ показывает, что при этих условиях КПД трансформатора с увеличением тока нагрузки сверх номинального, хотя и незначительно, будет снижаться, что видно из рис.2.3,б.

КПД современных трансформаторов весьма высок. С увеличением номинальной мощности трансформатора КПД растет, причем для мощных трансформаторов он достигает значений порядка 98-99%, поэтому его определение по прямым замерам мощности может дать большую погрешность. ГОСТ регламентирует косвенный метод расчета, в основу которого положено измерение потерь. Потери ΔР₀ называются постоянными, поскольку мало зависят от нагрузки. Они практически равны потерям в стали трансформатора, и определяются на основании опыта холостого хода. Переменные потери пропорциональны квадрату тока нагрузки. Их называют также электрическими, или потерями короткого замыкания. При расчетах к.п.д. переменные потери вычисляются через коэффициент загрузки и номинальные потери короткого замыкания, определенные в результате проведения соответствующего опыта, по формуле:

(6)

В рабочем диапазоне вторичное напряжение трансформатора изменяется мало, поэтому активную мощность на выходе можно выразить через коэффициент загрузки, полную номинальную мощность и коэффициент мощности нагрузки:

(7)

Подставляя в исходное уравнение значения Р₂, ΔР₀ и ΔР_к, получаем зависимость к.п.д от коэффициента загрузки:

(8)