6.3. Программа работы

1. Ознакомиться с устройством трансформатора, записать его паспортные данные, а также данные измерительных приборов и регулятора напряжения.

2. Определить коэффициент трансформации линейных напряжений

3. Исследовать трансформатор методом холостого хода и короткого замыкания.

4. Исследовать трансформатор методом нагрузочного режима.

6.4. Порядок выполнения работы

1. Определение коэффициента трансформации.

На передней панели выполнить схему (рис. 6.5, а, б) опыта определения коэффициента трансформации.

Рис. 6.5. Схема опыта определения коэффициента трансформации

При схемах соединения Y/Y и Δ/Δ коэффициент трансформации линейных напряжений практически равен отношению чисел витков обмотки ВН и обмотки НН

k = U_вн/U_нн = W_вн/W_нн.

При соединениях Y/Δ или Δ/Y

k = или k = .

Коэффициент трансформации определяется при холостом ходе по схеме рис. 6.5. Подключить стенд к сети и с помощью трехфазного автотрансформатора и вольтметра pV1 установить на шинах стенда напряжение 380 В. Обмотка ВН, соединенная по схеме звезда, включается в сеть с помощью сдвоенной кнопки Q1 с установленным предварительно напряжением 380 В, обмотка НН соединяется по схеме звезда или треугольник и не замыкается на внешнюю цепь. После включения в сеть обмотки ВН производится измерение линейных напряжений на обмотках ВН и НН на зажимах АВ, ВС, АС и ab, bc, ac вольтметром pV1 или pV2.

Согласно ГОСТ 11677-85, коэффициент трансформации не должен отличаться от отношений номинальных напряжений более, чем на ±1% для трансформаторов с коэффициентом фазных напряжений 3 и менее, и более, чем на ±0,5% для остальных трансформаторов.

Запись опытных данных рекомендуется вести в форме табл. 6.1.

Таблица 6.1

Схемы соединения	UAB	Uab	k	UBC	Ubc	k	UCA	Uca	k	Kср
Y/Y Y/Δ

2. Опыт холостого хода.

На передней панели выполнить схему (рис. 6.6) опыта холостого хода трансформатора.

Рис. 6.6 Схема опыта холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода проводится с целью определения тока и потерь холостого хода трансформатора. Согласно ГОСТу, током холостого хода называется ток, который при номинальном напряжении и номинальной частоте устанавливается в одной из обмоток трансформатора при другой разомкнутой обмотке в двухобмоточном или при остальных разомкнутых обмотках в трехобмоточном трансформаторе. Предполагается, что приложенное напряжение синусоидально. Потери, возникающие в трансформаторе при этом режиме, называются потерями холостого хода. Ток холостого хода принято выражать в процентах от номинального тока обмотки.

Опыт холостого хода проводится по схеме рис. 6. Первичная обмотка трансформатора, в качестве которой используется обмотка НН, соединенная по схеме треугольник, с помощью сдвоенной кнопки Q1 подключается на шины стенда. Вторичная обмотка ВН, соединенная по схеме звезда, полностью разомкнута. Следует помнить, что при проведении опыта эта обмотка также находятся под напряжением и прикасание к ней опасно.

При опыте измеряются напряжение на зажимах трансформатора, его линейный ток и мощность, потребляемая из сети. При проведении опыта следует, не ограничиваясь номинальным напряжением, снять характеристики холостого хода

I_х = f(U₁); P_х = f (U₁); cos φ_х = φ(U₁)

при различных значениях напряжения U₁. Рекомендуется произвести при изменении линейного напряжения, измеряемого вольтметром pV1 или pV2, от 60 до 120 В через каждые 10 В. При этом измеряют фазные значения напряжений, подключая концы соединительных проводов вольтметра к началу и концу каждой фазной обмотки трансформатора.

В качестве регулятора напряжения используется трехфазный автотрансформатор стенда. Запись опытных данных рекомендуется вести в форме табл. 6.1.

Таблица 6.2

П.п.	Uab, В	Ubc, В	Uca, В	U1ср, В	Ia, А	Ib, А	Ic, А	I1ср, А	P1, Вт	P2, Вт	Pх, Вт

В опыте для измерения мощности холостого хода используется метод двух ваттметров. Цифровой универсальный измеритель электрической мощности M2436AB-АВА в данном опыте позволяет также измерить соответствующие линейные напряжения и токи.

Трансформатор, испытуемый в данном опыте, так же как и большая часть современных силовых трансформаторов, имеет несимметричную магнитную систему, вследствие чего средняя фаза требует меньшей намагничивающей мощности, чем крайние фазы, и чему соответствует и меньший ток холостого хода в средней фазе. Поэтому ток холостого хода следует измерять в каждой из трех фаз и по данным измерений определять его среднее арифметическое значение I_1ср.

Коэффициент мощности для трехфазного трансформатора рассчитывается по формуле

cosφ_х =

По данным табл. 6.2 следует построить характеристики холостого хода трансформатора.

По характеристикам холостого хода определяются значения I_х, P_х и cos φ_х для номинального напряжения U_ном. По опытным данным могут быть также определены активная и реактивная составляющие тока холостого хода

I_{х а} = I_х cosφ_х; I_{х р} = I_х cosφ_х; обычно I_{х а} < I_{х р}.

Найденные значения I_х, I_{х а}, I_{х р} следует выразить в процентах от номинального тока.

На рис. 6.7 приведена однофазная схема замещения трансформатора для режима холостого хода. Параметры этой схемы

Рис. 6.7

по данным опыта холостого хода определяются по следующим соотношениям

Z_х = Z₀ + Z₁ = U_1ф/I_хф; R_х = R₀ + R₁ = P_хф/I_хф;

X_х = X₀ + X₁ = ,

где U_1ф, I_хф, P_хф – фазные значения напряжения, тока и мощности.

Для трехфазного трансформатора при соединении первичной обмотки в треугольник

U_1ф = U₁; I_хф = I_{х ср} = I₁/ ; P_хф = P_х/3.

Вследствие нелинейной зависимости между напряжением U₁ и током при холостом ходе I_хф значения Z₀, X₀ и R₀ не являются постоянными для данного трансформатора и изменяются с изменением напряжения U₁.

В практике принято рассчитывать эти величины для номинального значения напряжения трансформатора U_ном.

Электрические потери в обмотках и добавочные потери, обусловленные вихревыми токами, наведенными полем рассеяния в обмотках и конструктивных деталях (крепежные детали, стенки бака и т.д.) трансформатора, пропорциональны квадрату тока. Поскольку первичная обмотка трансформатора при холостом ходе обтекается очень малым током, а ток вторичной обмотки равен нулю, можно, не сделав заметной ошибки, пренебречь этими потерями и считать, что при холостом ходе трансформатора все измеренные потери являются магнитными потерями, т.е. потерями в магнитной системе. Вследствие этого можно принять

R_х = R₀ + R₁ ≈ R₀; R₀ ≈ .

Индуктивное падение напряжения в первичной обмотке при холостом ходе I_х X₁ ничтожно мало по сравнению с величиной I_х X₀ и им можно пренебречь. На этом основании можно считать

X_х = X₀ + X₁ ≈ X₀.

Приведенные выше выводы позволяют с достаточной точностью считать

Z₀ ≈ U_1ф/I_хф.

Магнитные потери примерно пропорциональны квадрату индукции, которая в свою очередь пропорциональна обусловленной ЭДС. Последняя же в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки мало отличается от напряжения на зажимах трансформатора. Таким образом, магнитные потери практически пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому при холостом ходе и U₁ = U_{1 ном} потери трансформатора практически не отличаются от магнитных потерь трансформатора при нагрузке.

Индукция в стержне магнитопровода B_c может быть найдена из выражения

,

где f – частота, Гц; ω – число витков обмотки; S_c – сечение стержня магнитопровода, см².

Учитывая, что E_1ф ≈ U_1ф, получим

Полученное выражение, позволяет при известных конструктивных параметрах магнитной системы определить параметры обмотки или величину магнитной индукции в стержне.

3. Опыт короткого замыкания

На передней панели выполнить схему (рис. 6.8) опыта короткого замыкания

Рис. 6.8

С помощью трехфазного автотрансформатора стенда в сети устанавливается нулевое значение напряжения

Первичная обмотка ВН, соединенная по схеме звезда, подключается к сети с частотой 50 Гц с помощью сдвоенной кнопки Q1. Вторичная обмотка НН, соединенная по схеме треугольник, закорачивается с помощью сдвоенной кнопки Q. Перед закорачиванием вторичной обмотки убедится с помощью вольтметра pV1 или pV2, что напряжение на первичной обмотке ВН приведено к нулевому значению.

При проведении опыта следует произвести измерения при 4-5 значениях тока короткого замыкания в пределах от 0,5 до 1,25 от номинального тока (I_{1ф ном} = 0,38А, I_{2ф ном} = 0,75А).

Во время опыта следует стремиться к тому, чтобы изменение активного сопротивления обмоток, обусловленное их нагревом, было минимальным. Поэтому в опыте не следует допускать увеличения тока короткого замыкания сверх значения I_к ≈ 1,5I_ном и трансформатор должен находиться под напряжением лишь минимально необходимое для опыта время.

Показания измерительных приборов, снятые приблизительно через одинаковые интервалы тока к. з., а также результаты вычислений заносят в табл. 6.3, где выделяют значения величин, соответствующих току к. з. I_1к = I_{1 ном}.

Таблица 6.3

П.п.

Измерения

Вычисления

UAк, В

UBк, В

UСк, В

IAк, А

IBк, А

IСк, А

Pк, Вт

Uк, В

I1к, А

uк, %

сosφк

Выполняются расчеты

U_к = (U_Aк + U_Bк + U_Cк)/3;

I_1к = (I_Aк + I_Bк + I_Cк)/3;

u_к = (U_к/U_{1 ном})100; cosφ_к = P_к/(3I_кU_к).

По данным таблицы строят характеристики к. з. трансформатора (на общей координатной сетке): u_к; P_к; cosφ_к = f(I_1к). На этих характеристиках отмечают точки u_{к ном} и P_{к ном} соответствующие току к. з. I_1к = I_{1 ном}.

Полученные из опыта к.з. значения u_{к ном} и P_{к ном} следует привести к рабочей температуре θ₂ = 75^оС.

Приведенное значение мощности к. з.

где α = 0,004 – температурный коэффициент для меди и алюминия; θ₁ – температура обмоток трансформатора при проведении опыта, ^оС.

В связи с тем что температура обмоток трансформатора влияет лишь на активную составляющую напряжения к. з.

u_{к а} = u_{к ном} cosφ_к,

то и приводить к рабочей температуре следует лишь активную составляющую напряжения к. з.

.

Приведенное к рабочей температуре напряжение к. з.

;

где

u_{к р} =

- реактивная составляющая к. з.

4. Определение процентного изменения напряжения при нагрузке Δu и коэффициента полезного действия.

Изменением напряжения двухобмоточного трансформатора называется арифметическая разность между номинальным вторичным напряжением при холостом ходе и напряжением на зажимах вторичной обмотки при номинальном вторичном токе, номинальной частоте и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Изменение напряжения Δu выражается в процентах от номинального вторичного напряжения.

Из теории трансформатора известно, что процентное изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке равно, %

Δu = β(u_ка cosφ₂ + u_{к р} sinφ₂) + β²(u_{к р} cosφ₂ – u_{к а} sinφ₂)/200,

где β = I₂/I_{2 ном}; cosφ₂ – коэффициент мощности вторичной цепи.

Напряжение на зажимах вторичной обмотки

U₂ = U_{2 ном}(1-Δu/100).

Изменение напряжения и напряжение на зажимах вторичной обмотки следует рассчитать для нагрузки номинальным током (β = 1,0 и cosφ₂ = 0,8).

Коэффициент полезного действия трансформатора равен