Исследование силового трансформатора методом холостого хода и короткого замыкания

Методика и теоретические основы проведения опыта

Режим холостого хода трансформатора достигается сравнительно просто. Для этого достаточно отключить нагрузку от всех его обмоток, оставив их разомкнутыми, а затем – включить его в сеть. Для точности эксперимента желательно, чтобы напряжение в сети было равно номинальному для данного агрегата.

Через первичную обмотку протекает ток Io, называемый током ХХ. Его величина не превышает 3-10 % от номинального. Напомним, никакой нагрузки на вторичной обмотке нет, поэтому стоит пояснить процессы, проходящие внутри, чтобы понять: откуда берется этот ток.

Ток ХХ создает магнитный поток Фо в магнитопроводе, пересекающий витки первичной и вторичной обмоток. За счет него на первичной обмотке возникает эдс самоиндукции Е1, во вторичной появляется эдс взаимоиндукции Е2.

Эдс самоиндукции Ена первичное напряжение U1 влияет незначительно. Если подключить к ней вольтметр, то он измерит величину U1. А эдс Е2 можно практически считать напряжением U2, поскольку ток ее нагрузки отсутствует. К примеру, напряжение холостого хода сварочного трансформатора порядка 60В, это – эдс Е2. При возникновении дуги Ерезко снижается до десятка вольт – это величина под нагрузкой U2.

Как работает трансформатор. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 2

Как работает трансформатор. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 2

Потери полезной мощности в трансформаторе при его эксплуатации делятся на две составляющие: потери в меди и потери в стали. Под потерями в меди подразумевают мощность, рассеиваемую в качестве тепла в обмотках. При проведении опыта ХХ ток через первичную обмотку достаточно мал, и потерями в меди можно пренебречь.

Работа трансформатора в режиме холостого хода сопровождается расходом мощности на создание замкнутого магнитного потока в его магнитопроводе. Ее и называют мощностью потерь в стали. Она уходит на нагревание пластин магнитопровода. Он собран из отдельных тонких листов специального сплава, изолированных друг от друга лаком. При сборке не используется сварка, только болтовые соединения. Это сделано для минимизации вихревых токов, возникающих из-за того, что магнитный поток переменный.

Если изоляция между пластинами нарушается, то возникающие между ними вихревые токи нагревают магнитопровод. Это приводит к дальнейшему разрушению лакового слоя. Мощность потерь в стали при этом увеличивается, что увеличит потери холостого хода трансформатора.

Выполнение опыта КЗ на практике

При подключении обмотки-1 трансформатора к сети и замыкании обмотки-2 на клеммах, наступит опасный режим, известный как короткое замыкание. Под влиянием токов провода обмоток выделяют большой объем теплоты, пагубно воздействующий на изоляцию. В аварийном режиме нередко возникают механические напряжения, разрушающие трансформаторные обмотки.

Во избежание разрушительного воздействия полных токов, обмотка № 2 все также замыкается накоротко, а к обмотке-1 выполняется подводка сниженного напряжения. В этом случае ток КЗ становится равным величине номинала, при котором трансформатор обычно и работает. То есть, во время проверки с ним ничего не произойдет.

Данная процедура известна как опыт короткого замыкания трансформатора, когда потенциал подключенной обмотки-1 будет равно всего лишь нескольким процентам от номинала. Оно получило название напряжения короткого замыкания. Этот показатель у силовых устройств, в том числе у трехфазного трансформатора, равняется 5-10% от номинального значения. Полученное значение измеряется вольтметром, подключенным в цепь первичной обмотки. Дополнительно устанавливаются амперметры для замеров номинальных токов в обеих обмотках, а ваттметр учитывает мощность потерь, выявленных во время короткого замыкания.

Ранее уже отмечалось, что величина магнитного потока трансформатора будет пропорциональна напряжению в его первичной обмотке. Во время проведения опыта КЗ его значение в сердечнике слишком маленькое, поскольку напряжение в данном режиме, во много раз ниже номинала. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать и условно считать основным назначением мощности перекрытие потерь в трансформаторных обмотках.

Используемая схема опыта короткого замыкания и ее результаты создают предпосылки для определения коэффициента мощности cos φ, активного и реактивного сопротивления обмоток.

В любых трансформаторах определяют так называемые обязательные потери. Они включают в себя потери в обмотках и стальном сердечнике. Первая часть относится к категории электрических потерь, пропорциональных квадрату тока. Они определяются показаниями ваттметра, полученными в процессе опыта. Вторая часть представляет собой магнитные потери, связанные с частотой данной электрической сети и значением магнитной индукции. Данные потери также определяет ваттметр, когда трансформатор вводится в режим холостого хода.

Проводимые исследования позволяют установить коэффициент полезного действия трансформатора. При его определении нужно активную мощность обмотки-2, соотнести с мощностью обмотки № 1. КПД трансформаторных устройств достаточно высокий и в некоторых случаях доходит до 98-99%.

Трансформатор 1: работа на холостом ходу

Трансформатор 1: работа на холостом ходу

Режим короткого замыкания трансформатора

Напряжение короткого замыкания трансформатора

Режим короткого замыкания

Как рассчитать ток короткого замыкания

Ударный ток короткого замыкания

Ток холостого хода трансформатора

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

n=U1/U2

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

  • амперметры для измерения тока в каждой фазе;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

  • рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
  • среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь.  Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр,  можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

  1. Нагрев проводов обмоток.
  2. Нагрев сердечника.
  3. Снижение КПД.
  4. Появление магнитного поля рассеивания.

Какие параметры определяются в ходе опыта

В качестве примера можно рассмотреть обычный однофазный трансформатор. При выполнении данного исследования производится специальное КЗ обмотки № 2. В обмотку № 1 напряжение подается с заниженным значением, чтобы не причинить вреда трансформатору.

Когда проводится опыт короткого замыкания однофазного трансформатора – устанавливается специальный режим, позволяющий определить несколько основных параметров:

  • Номинальное напряжение КЗ (Uk). Оно возникает в первичной обмотке, при этом, токи короткого замыкания в обеих обмотках будут равны номиналу. Процентное соотношение выражается формулой Uk = (Uk/U1H) x 100%, где U1H является напряжением первичной трансформаторной обмотки.
  • Показатели замещающей схемы. Если нет ветвей намагничивания во время проведения опыта, токи в обеих обмотках станут равны между собой. Таким образом, величина полного сопротивления КЗ определяется как Zk = U1k/I1H или Zk = √rk 2 + xk 2 . В свою очередь, rk = r1 + r2’, а xk = x1 + x2’.
  • Сопротивление во вторичной обмотке будет равно r2 = r2’/k2, а x2 = x2’/k2.
  • Величина полного падения напряжения при КЗ (Uk) в обмотках, а также его активные (Uka) и реактивные (Ukp) компоненты в процентном соотношении. С этой целью используются следующие формулы: Uk = (I1H x Zk/U1H) x 100%; Uka = (I1H x rk/ U1H) x 100%; Ukp = (I1H x xk/ U1H) x 100%.
  • Потери короткого замыкания (Рк). Поскольку во время проведения опыта первичная обмотка подключается к пониженному напряжению, величина магнитного потока в этом случае очень мала, и ее можно не принимать в расчет. Для этого отдельно используется холостой ход. Таким образом, вся мощность, потребленная устройством, вызывает и электрические потери в обмотках. Величина мощности КЗ состоит из следующих компонентов, рассмотренных ранее: Pk = (I1H2 x r1) + (I1H2 x x2’).

Испытание трансформатора в режиме КЗ

Для проверки работоспособности трансформатора в особых условиях, создается режим холостого хода и короткого замыкания с подводом к обмоткам соответствующего напряжения. В этом случае одна из них оказывается коротко замкнутой, а к другой через клеммы подводится напряжение, чтобы получить номинальный ток. Напряжение, полученное в результате короткого замыкания, в среднем составляет от 5,5 до 10% от номинала и не зависит от того, какая из обмоток окажется замкнутой. Данный параметр играет важную роль в эксплуатации устройства, отображается в его техническом паспорте или наносится непосредственно на корпус.

Во время проведения испытания трансформатора в режиме короткого замыкания напряжение будет незначительным, поэтому магнитный поток в магнитопроводе тоже небольшой. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать, а сосредоточиться на потребляемой мощности, которая перекрывает тепловые потери в медных обмотках.

В режиме замыкания вторичная обмотка соединяется с амперметром, а в первичную поступает пониженное напряжение, контролируемое с помощью вольтметра. Мощность, потребляемая из сети трансформаторным устройством, замеряется ваттметром.

Основными целями исследований является определение следующих показателей:

  • Напряжение и токи КЗ, определяемое вольтметром и амперметрами, подключаемыми поочередно к первичной и вторичной обмоткам.
  • Активные потери короткого замыкания, которая приблизительно равны потерям в медных обмотках.
  • Показания амперметра, вольтметра и ваттметра, подключенных к первичной цепи, позволяют установить коэффициент мощности и саму мощность короткого замыкания.
  • Показатели и работоспособность схемы замещения трансформаторного устройства в режиме короткого замыкания.
  • с опытами КЗ проверяется холостой ход, где устанавливается величина полных потерь при работе трансформатора под нагрузкой. Полученные данные дают возможность точно определить коэффициент полезного действия устройства.

7.4. Определение потерь в двухобмоточных трансформаторах

Потери, возникающие
в обмотках, зависят от протекающего по
ним тока; потери, идущие на намагничивание,
определяются приложенным напряжением
и в первом приближении может быть приняты
неизменными и равными потерям х.х.

Суммарные
потери мощности в трансформаторе:

РТ=3I22rТ+Рхх=

QТ=3I22xТ+Qxx=

Qxx
– выразить через каталожные данные.

Когда напряжение
U2
неизвестно, принимают U2=Uном,
к которому приведены сопротивления rТ
и хТ.

При работе
n
одинаковых трансформаторов их
эквивалентное сопротивление уменьшается

в “n
раз, тогда как потери на намагничивание
увеличиваются 
в “n
раз.

При
этом: РТ

QТ

Потери мощности
могут быть найдены по каталожным
параметрам трансформаторов без
предварительного вычисления
сопротивлений rТ
и хТ.

Поскольку потери
к.з. кз
определяются при номинальном токе
трансформатора.

кз=3I2номrТ,

а
при любом другом токе потери активной
мощности в обмотках:(потери
в меди)

м=3I22rТ,

то
справедлива зависимость:

Тогда
при одном трансформаторе из (*) при
известной реальной загрузке трансформаторов
получим: м=кз

При
работе
n
одинаковых трансформаторов: Т=

Подставив
выражение для реактивного сопротивления
(5) в (7) получим:

QТ=:(12)

Коэффициент полезного действия трансформатора

Одной из основных характеристик любого преобразовательного устройства и трансформатора, в частности, является коэффициент полезного действия или сокращенно КПД.

Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) η называется отношение активной мощности отдаваемой трансформатором Р2 к активной мощности подаваемой на трансформатор Р1

КПД трансформатора можно определить несколькими способами: прямым измерением мощностей и косвенным.

Прямой метод вычисления КПД заключается в измерении отдаваемой Р2 и поступаемой Р1 мощностей при полной нагрузке трансформатора и взятии их отношения. Однако такой метод не нашёл применения из-за неэкономичности, так как необходимо использовать большое количество энергии при испытаниях трансформаторов.

На практике чаще используют косвенный метод, заключающийся в определении потерь в сердечнике РС из опыта холостого хода, а потерь в обмотке (потерь в меди) РМ из опыта короткого замыкания. Тогда подводимая к трансформатору мощность составит

Соответственно КПД определяют по следующему выражению

Так как отдаваемая мощность Р2 трансформатора имеет как активную так и реактивную составляющую, соотношение между которыми определяется коэффициентом мощности cos φ, то КПД трансформатора составит

где U2 – номинальное напряжение вторичной обмотки, определяемое из опыта холостого хода,

I2 – номинальный ток вторичной обмотки, определяемое из опыта короткого замыкания,

РС – потери мощности в сердечнике трансформатора,

РМ – потери мощности в обмотках трансформатора.

Стоит отметить, что потери мощности в опыте холостого хода и опыте короткого замыкания желательно измерять у предварительно прогретого трансформатора или пересчитывать токи и напряжения с учётом нормальной температуры работы Т = 75 °С.

Со следующей статьи я буду рассказывать, как рассчитывать различные типы трансформаторов, которые чаще всего используют.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

7.3. Опыт короткого замыкания для двухобмоточного трансформатора

Активное и
индуктивное сопротивление одной
фазы
трансформатора может быть экспериментально
определены из опыта короткого замыкания
(к.з.). Этот опыт состоит в том, что
вторичная обмотка трансформатора
замыкается накоротко, а к первичной
подводится такое напряжение, при котором
токи в обеих обмотках трансформатора
имеют номинальное значение. Это напряжение
называется напряжением
короткого замыкания (Uк).

Активная мощность,
потребляемая трансформатором в опыте
к.з., целиком расходуется на нагрев его
обмоток. Потери в стали при этом ничтожны
из-за малости приложенного напряжения
(UкUном).
Поэтому можно считать, что в опыте к.з.:

кз=3I2номrТ=;
S=UI;
I=;

откуда

Напряжение короткого
замыкания (Uк)
складывается из двух составляющих:
Первая составляющая – падение напряжения
в активном и вторая составляющая – в
индуктивном сопротивлениях от тока,
протекающего в режиме к.з. В крупных
трансформаторах rТxТ.

Пренебрегая
падением напряжения в активном
сопротивлении можно считать:

Uк%Ur%=;
Uф=;

откуда
хТ=;

хТ=

хТ
– в Ом, при Uном
– кВ, Sном
– МВА.

Передача мощности
через трансформаторы сопровождается
потерями мощности в активном и реактивном
сопротивлениях его обмоток, а также с
потерями связанными с намагничиванием
стали.

Увеличение — ток — холостой ход

Увеличение тока холостого хода и повышение потребления реактивной мощности асинхронного двигателя могут возникнуть также вследствие увеличения воздушного зазора между статором и ротором, что приводит к увеличению тока намагничивания, который является основной составляющей тока холостого хода. Увеличенный воздушный зазор и различное значение его величины по окружности имеют место при повышенной вибрации, осадке вала из-за износа подшипников, при низком качестве ремонтных работ механической части электродвигателя. Поэтому при ремонте следует проверять воздушные зазоры электродвигателей, а также мощности холостого хода, сопоставляя их с номинальными значениями.

Увеличение тока холостого хода и падения напряжения ограничивается допустимой величиной реактивной мощности, потребляемой трансформатором из сети, и допустимыми изменениями напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при изменении тока нагрузки.

Увеличение тока холостого хода может произойти при наличии короткозамкнутых витков в одной из обмоток.

Увеличение тока холостого хода объясняется тем, что его реактивная составляющая ( намагничивающий ток, затрачиваемый на создание и проведение главного потока) образуется только за счет тока прямой последовательности. При нагрузке однофазного двигателя его ток резко увеличивается из-за токов обратной последовательности. По той же причине увеличивается и ток конденсаторного двигателя в сравнении с трехфазным, но в меньшей степени, так как влияние токов обратной последовательности у этого типа двигателей меньшее.

Увеличение тока холостого хода трансформатора по сравнению с данными протокола предыдущего испытания свидетельствует о наличии повреждения внутри трансформатора, а газовыделение подтверждает повреждение трансформатора.

Из-за увеличения тока холостого хода увеличится реактивная мощность и, следовательно, уменьшится коэффициент мощности двигателя. При увеличении воздушного зазора увеличатся потоки рассеяния, что вызовет еще большее уменьшение коэффициента мощности двигателя.

Из-за увеличения тока холостого хода увеличится реактивная мощность и, следовательно, уменьшится коэффициент мощности двигателя. Следует отметить, что при увеличении воздушного зазора увеличатся потоки рассеяния, что вызовет еще большее уменьшение коэффициента мощности двигателя.

Как влияет увеличение тока холостого хода на коэффициент мощности двигателя.

Как влияет увеличение тока холостого хода на коэффициент мощности двигателя.

Включение обратной связи ведет к увеличению тока холостого хода установки и возрастанию нижнего порогового значения регулируемого тока.

Проштамповка отверстий в пластинах приводит к увеличению тока холостого хода. Так же как и при расчете потерь холостого хода это влияние может быть учтено путем введения коэффициента / гт.

Защитные шторки.

Величина тока холостого хода не нормируется, однако увеличение тока холостого хода свидетельствует о неисправности трансформатора. Для трехфазных трансформаторов напряжения определяется среднее значение тока холостого хода.

Построение статической характеристики магнитного усилителя с обратной связью по методу, предложенному И. Б. Негневиц-ким.

Как видно из рис. 111, введение обратной связи сопровождается увеличением тока холостого хода, иногда очень значительным. Это объясняется тем, что сам ток холостого хода создает дополнительное подмагничивающее воздействие.

Опыты холостого хода и короткого замыкания

Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей — Cиловые трехфазные и однофазные трансформаторы

Точное значение коэффициента трансформации представляет собой отношение э.дс. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения независимо от того, какая из обмоток первичная и какая вторичная.

Опыт холостого хода (рис. 11.4, а) используют для определения коэффициента трансформации. При этом обмотку низшего напряжения подключают к устройству (потенциал — регулятор), позволяющему в широких пределах изменять напряжение, подводимое к трансформатору, а обмотку высшего напряжения размыкают.

С целью определения коэффициента трансформации к обмотке низшего напряжения достаточно подвести напряжение 0,1 UH для трансформаторов малой мощности и (0,33…0,5) UH для трансформаторов большой мощности. Падение напряжения в первичной обмотке весьма мало. С допустимой точностью можно принять, что E1 = U1 и Е2 = U2, так как ток во вторичной обмотке практически равен нулю.

Из опыта холостого хода трансформатора определяют также зависимости тока холостого хода Ix, потребляемой мощности Рх и коэффициента мощности cosφ от значения подводимого напряжения U1, при разомкнутой вторичной обмотке, то есть при I2 = 0. Ток холостого хода силовых трансформаторов составляет от 10 (для маломощных трансформаторов) до 2% (для мощных трансформаторов) номинального. При снятии характеристик холостого хода подводимое напряжение изменяют в пределах от 0,6 до 1,2 UH таким образом, чтобы получить 6…7 показаний. На рисунке 11.4,6 дан примерный вид характеристик холостого хода.

Мощность холостого хода характеризует электрическую энергию, расходуемую в самом трансформаторе, так как со вторичной обмотки энергию при этом не потребляют. Энергия в трансформаторе расходуется на нагрев обмоток проходящим по ним током и нагрев стали сердечника (вихревые токи и гистерезис). Потери на нагрев обмоток (потери в обмотках) при холостом ходе ничтожно малы. Практически можно считать, что все потери холостого хода сосредоточены в стали сердечника и идут на его нагрев.

Коэффициент мощности трансформатора определяют по формуле

.                Px
cosφ = ——————.                        (11.3)
.           3Ux.фIk

где Рх — полная мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе (сумма показаний двух ваттметров, приведенных на рисунке 11.4, а); Uх.ф и Ix — средние значения фазных напряжения и тока.

Опыт короткого замыкания проводят по схеме, изображенной на рисунке 11.5, а. К обмотке низшего напряжения подводят напряжение, при котором в обмотке высшего напряжения, замкнутой накоротко, протекает номинальный ток. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания еk%;его значение приводят в паспорте трансформатора в процентах номинального.

Так как в этом опыте из-за малого напряжения, подведенного к обмотке низшего напряжения, магнитный поток в сердечнике весьма незначителен и сердечник не нагревается, то считают, что вся потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания мощность затрачивается на электрические потери в проводниках обмоток. Характеристики короткого замыкания (рис. 11.5,6) представляют собой зависимости потребляемого тока Ik мощности Pk и коэффициента мощности cosφ, от подведенного напряжения при замкнутой вторичной обмотке. Значение подводимого напряжения находится в пределах 5…10% номинального. Коэффициент мощности определяют так:

.                Pk
cosφk = ——————.                        (11.4)
.           3Ux.фIk

Сумма показаний ваттметров дает значение потерь в трансформаторе, которые вызывают нагрев обмоток. Мощность, показываемая ваттметром,

Pk = Pm1 + Pm2 = 3I12 + 3I22R2,

где R1 и R2—сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Напряжение короткого замыкания, при котором во вторичной обмотке протекает ток, равный номинальному, выражают в процентах номинального:

.           Uk.ф

ek% = ————100.                         (11.6)
.           Uн.ф

Напряжение короткого замыкания — важная характеристика трансформатора. По этой величине делают вывод о возможности параллельной работы трансформаторов, по ней и ее составляющим определяют изменения вторичного напряжения трансформатора при изменении нагрузки. Используя эту величину, находят токи короткого замыкания в условиях эксплуатации.

< Предыдущая   Следующая >
Похожие материалы:
  • Номинальные первичное и вторичное напряжения
  • Номинальная мощность трансформатора
  • Номенклатура трансформаторов
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий