Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора

 

Для приближенного определения ряда величин, характеризующих работу трансформатора, используют опыты холостого хода и короткого замыкания. ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА проводится при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной цепи . При этом значение магнитного потока в сердечнике соответствует номинальному режиму. Измерении, проведенные при опыте холостого хода, позволяют определить коэффициент трансформации; потери мощности на нагрев сердечника (потери в стали); ток , .

Коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения холостого хода на первичной обмотке к напряжению холостого хода на вторичной обмотке:

поскольку в этом режиме ток холостого хода достаточно мал и, как следует из (1), (2), , . Обычно ток составляет от номинального значения .

Мощность холостого хода Р10 расходуется на покрытие потерь в первичной обмотке

и потерь в магнитопроводе трансформатора (потерь стали):

Так как ток холостого хода мал, то и можно считать, что .

Потери складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи. Для уменьшения этих потерь сердечники трансформаторов собирают из листов или навивают из ленты электротехнической стали толщиной . вычисляется по данным измерений, проведенных во время опыта холостого хода по формуле:

Режим короткого замыкания, когда , является аварийным для трансформатора. В этом случае токи и превышают номинальные значения в раз. Резкое повышение температуры обмоток по сравнению с расчетной выводит из строя изоляцию витков, что вызывает межвитковое замыкание обмоток и выводит трансформатор из строя.

Поэтому опыт короткого замыкания проводится при пониженном первичном напряжении , при котором токи в обмотках равны номинальным, не смотря на то, что сопротивление нагрузки .

Измерения, проведенные при опыте короткого замыкания, позволяют определить потери в обмотках (в меди) и напряжение короткого замыкания . Обычно составляет от .

Понижение первичного напряжения вызывает уменьшение магнитного потока. Так как потери в сердечнике пропорциональны квадрату амплитуды магнитного потока, при опыте короткого замыкания ими можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая в этом случае, равна потерям в обмотках трансформатора в номинальном режиме:

,

где , – номинальные значения токов в обмотках.

 

Потери мощности и КПД трансформатора

 

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение баланса активных мощностей при этом имеет вид:

,

где – активная мощность первичной обмотки;

– активная мощность нагрузки.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение полезной мощности к потребляемой :

.

КПД мощных трансформаторов очень высок и разница величин и сравнима с погрешностью приборов, используемых для измерения мощности. Поэтому определение величин рекомендуется проводить расчетным путем (косвенный метод), используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

При постоянстве напряжений питающей сети и его частоты магнитный поток практически не зависит от величины тока нагрузки. Поэтому потери в стали , определяемые величиной индукции магнитного потока, при нагрузке равны потерям холостого хода. Это постоянные потери (рис. 3).

Потери в обмотках определяются величиной тока нагрузки и будут переменными потерями. Их можно определить по мощности опыта короткого замыкания следующим образом:

, (6)

где - коэффициент нагрузки трансформатора.

При выводе (6) учтено, что при достаточно больших токах нагрузки .

Активная мощность нагрузки:

, (7)

где – полная мощность трансформатора в номинальном режиме.

Подставляя (6), (7) в (5), получим:

. (8)

График зависимости КПД трансформатора от коэффициента нагрузки приведен на рис. 3. Функция имеет максимум при , т. е. когда постоянные потери в стали становятся равными переменным потерям в меди .