3. Лабораторная работа 6

ИСПЫТАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель: определение характеристик трехфазного трансформатора по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

Основные понятия

Трехфазный трансформатор представляет собой конструктивное объединение трех однофазных трансформаторов в общую систему (рис.3.1.)

На каждом стержне магнитопровода расположены обмотки высшего ВН и низшего НН напряжений, относящиеся к одной фазе. Для понижающего трансформатора обмотка ВН является первичной, а обмотка НН – вторичной.

Испытание трансформатора предусматривает проведение опытов холостого хода и короткого замыкания с целью получения данных, необходимых для определения коэффициента трансформации, для расчета и построения внешней характеристики U₂ = ƒ(I₂), а также для расчета и построения зависимости КПД от степени загрузки трансформатора η = ƒ(β).

Рис. 3.1. Устройство трехфазного трансформатора

Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора n определяется отношением номинальных линейных напряжений первичной и вторичной обмоток n = U_1н /U_2н .

Для соединения фаз обмоток n определяется отношением чисел витков обмоток ВН и НН одной фазы n = W₁/W₂, а для соединения

Внешняя характеристика U₂ = ƒ(I₂) для трехфазного трансформатора может быть построена по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода (β = 0) и режиму номинальной нагрузки ( β= 1). Расчет внешней характеристики производится по формуле

(1)

где U₂₀ - линейное напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода: ΔU₂% - процентное изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки, определяемое по формуле

(2)

В данной формуле U_ка% - активная составляющая напряжения короткого замыкания; U_кр% - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Их величины определяются по формулам:

(3)

(4)

где (5)

а (6)

В формуле (6) Р_к – мощность номинальных электрических потерь в обмотках трансформатора, определяемая в результате опыта короткого замыкания; U_к и I_1к – соответственно линейное напряжение и линейный ток первичной обмотки, которые ввиду несимметрии магнитной цепи трансформатора определяются как средние арифметические величины напряжений и токов при опыте короткого замыкания.

(7)

(8)

В формуле (3) φ_к – угол сдвига фазы тока I_1к по отношению к фазе напряжения U_к при опыте короткого замыкания.

Величина U_1н в формуле (5) – номинальное линейное напряжение первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент полезного действия определяется по формуле η=Р₂/Р₁ , или иначе

(9)

где β – коэффициент загрузки трансформатора (β = I₂/I_2н), S_н – номинальная полная мощность, Р₀ - мощность потерь в магнитопроводе (из опыта холостого хода), Р_к – мощность номинальных электрических потерь в обмотках (из опыта короткого замыкания).

Программа работы

1. Провести опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

2. Определить коэффициент трансформации n; коэффициент мощности в режиме холостого хода cosφ₀ ; коэффициент мощности в режиме короткого замыкания cosφ_к .

3. Рассчитать и построить внешнюю характеристику U₂ = ƒ(I₂) для cosφ₂ = 1 и cosφ₂ = 0,8 при φ₂>0.

4. Рассчитать и построить зависимость η = ƒ(β) для cosφ₂ = 1 и cosφ₂ = 0,8 при φ₂>0.

Оборудование лабораторной установки

Т1 РНТ – регулирующий трехфазный трансформатор напряжения;

Т2 ТС – испытуемый силовой трансформатор;

ТТ1, ТТ2, ТТ3 – измерительные трансформаторы тока;

А1, А2, А3 – амперметры с номинальным значением тока 5А;

W - трехфазный ваттметр с номинальным значением мощности 2 кВт;

V₁ – вольтметр с номинальным значением напряжения 250В.

Для проведения опыта холостого хода измерительные трансформаторы тока включить на номинальный первичный ток I_1нТТ = 1А (К_ТТ = 1/5).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с испытуемым трансформатором, записать его тип и номинальные данные, указанные на щитке.

2. Собрать цепь по схеме рис.3.2. для проведения опыта холостого хода трансформатора .

3. После проверки цепи преподавателем включить ее под напряжение.

4. С помощью РНТ подать на первичную обмотку испытуемого трансформатора номинальное напряжение U_1н = 220В.

5. Измеренные величины напряжений U_АВ ,U_ВС ,U_СА , на зажимах первичной обмотки и U_ав,U_вс , U_са на зажимах вторичной обмотки исследуемого трансформатора, а также токов I'_ОА ,I'_{ОВ ,} I'_ОС и мощности Р'₀ записать в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Таблица наблюдений для опыта холостого хода

трансформатора

6. С помощью РНТ напряжения U_АВ , U_ВС , U_СА , обязательно понизить до нуля, после чего отключить цепь от сети.

7. Собрать цепь по схеме рис. 3.3. для проведения опыта короткого замыкания трансформатора. В этой схеме к оборудованию, использованному при выполнении опыта холостого хода, добавляется измерительный трансформатор напряжения ТН, через который включаются обмотки напряжения ваттметра. Вольтметр V₂ должен иметь предел измерения 25В.

8. Рассчитать номинальный линейный ток первичной обмотки исследуемого трансформатора по формуле I_1н = S_н / (√3U_1н).

9. Трансформаторы тока ТТ1, ТТ2, ТТ3 переключить на номинальный первичный ток I_1н = 10А (К_ТТ = 10/5).

10. После проверки цепи преподавателем включить ее под напряжение и с помощью РНТ установить на первичной обмотке такое пониженное напряжение U_к , при котором ток короткого замыканияI_1к = I_1н.

11. Записать в табл. 3.2. показания приборов и отключить цепь от сети.

Таблица 3.2

Таблица наблюдений для опыта короткого замыкания трансформатора

12. Используя данные табл. 3.1, произвести расчет величин, указанных в табл.3.3.

Таблица 3.3

Таблица вычислений для опыта холостого хода

трансформатора

Коэффициент трансформации n определяется по формуле

n =(n_АВ +n_ВС +n_СА) /3,

где n_АВ = U_АВ/ U_ав , n_ВС = U_ВС/U_вс , n_СА = U_СА/U_са .

Рис.3.2 Схема для проведения опыта холостого хода трансформатора

Рис.3.3 Схема для проведения опыта короткого замыкания трансформатора

Коэффициент мощности при холостом ходе

cosφ₀ = Р₀ / (√3U₁₀I₁₀),

где Р₀ = Р'₀ ·К_ТТ(К_ТТ = 1/5),

U₁₀ = (U_АВ +U_ВС +U_СА)/3,

I₁₀ = (I_ОА+I_ОВ +I_ОС )/3,

а токи I_ОА = I'_ОА·К_ТТ , I_ОВ = I'_ОВ·К_ТТ , I_ОС = I'_ОС·К_ТТ .

13. Используя данные табл.3.2, произвести расчет величин, указанных в табл.3.4

Таблица 3.4

Таблица вычислений для опыта короткого замыкания трансформатора

Величина напряжения U_к определяется по формуле (7), величина тока I_1К – по формуле (8), а линейные токи I_КА ,I_КВ, – по формулам

I_КА = I'_КА·К_ТТ ,I_КВ = I'_КВ·К_ТТ , I_КС = I'_КС·К_ТТ

где К_ТТ = 10/5.

Мощность потерь при коротком замыкании

Р_К = Р'_К · К_ТТ · К_ТН

где К_ТН – коэффициент трансформации измерительного трансформатора напряжения (К_ТН = 12/220).

Коэффициент мощности при коротком замыкании определяется по формуле (6).

14. Рассчитать внешнюю характеристику трансформатора U₂ = ƒ(I₂) для cosφ₂ = 1 и cosφ₂ = 0,8 при φ₂>0. При расчете использовать формулы (1), (2), (3), (4), (5) и данные табл. 3.4. Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора определить из формулы

S_H = √3U_2НI_2Н

Результаты расчета записать в табл.3.5 и построить графики зависимости U₂ = ƒ(I₂) для двух значений cosφ₂ .

Таблица 3.5

Таблица расчета зависимости U₂ = ƒ(I₂)

15. Рассчитать и построить графики зависимости η = ƒ(β) для cosφ₂ = 1 и cosφ₂ = 0,8 при φ₂>0. При расчете использовать данные из табл.3.3 и 3.4 и формулу (9). Результаты расчета занести в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Таблица расчета зависимости η = ƒ(β)

Контрольные вопросы

1. Назначение, устройство, принцип действия трехфазного трансформатора. Способы соединения фаз обмоток.

2. Что такое коэффициент трансформации трансформатора, и как он определяется опытным путем?

3. Для чего и как проводится опыт холостого хода?

4. Для чего и как проводится опыт короткого замыкания?

5. Указать отличие между аварийным и опытным коротким замыканием трансформатора.

6. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и как они определяются опытным путем? Чему равны потери в испытанном вами трансформаторе?

7. Объяснить внешнюю характеристику трансформатора.

8. Как определяют коэффициент полезного действия трансформатора?

Список литературы

1. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины / Под ред. В.Г.Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1997. – С.5-34.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Высш.шк., 2000. – С.196-230.

3. Электротехника / Под ред. Ю.Л.Хотунцева. – М.: Агар, 1998. – С.76-116.

4. ГОСТ 2.710-81. ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – С.14.

5. ГОСТ 2.730. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – С.542.

6. Покатило С.А. Справочник по электротехнике и электронике / С.А.Покатило. – Ростов Н/Д; Феникс, 2012. – С.282.