25. Режимы работы и кпд трансформатора. Опыты холостого хода и короткого замыкания. Внешняя характеристика трансформатора. Режимы работы трансформатора

Для характеристики степени загруженности трансформатора по отношению к его номинальной (расчетной, паспортной) мощности, вводится коэффициент загрузки β.

, где P₂ – рабочая (нагрузочная) мощность трансформатора.

В зависимости от величины коэффициента загрузки различают:

1) β = 1 => P₂ = P_{2 ном} – номинальный режим.

Это основной (расчетный) режим работы трансформатора с номинальными параметрами (U _ном , I _ном , P _ном), при котором трансформатор или другое электротехническое устройство может работать с высокими технико-экономическими показателями (КПД, cos φ) в допустимом тепловом режиме (без перегрева) в течение длительного времени, что обеспечивает длительный срок службы электрооборудования порядка 10 -15 и более лет.

2) β = 0 => Р₂ = 0.

Режим холостого хода (или подключение к нагрузке с очень большим сопротивлением). I ₂₀ = 0, обмотка разомкнута, Z _н = ∞.

Передачи ЭЭ в этом случае не происходит. Режим совершенно бесполезный, т.к. ТР потребляет реактивную мощность и коэффициент мощности cos φ потребителя снижается.

3) β < 1. Р₂ < Р _{2 ном} – режим недогрузки. Не рекомендуется, т.к. снижаются технико-экономические показатели, КПД и cos φ.

4) β > 1. Р₂ > Р _{2 ном} – режим перегрузки. Категорически не допускается, т.к. приводит к резкому перегреву электротехнического устройства и резкому сокращению срока службы. Снижаются технико-экономические показатели.

5) Аварийный режим - режим короткого замыкания.

U₁ = U_{1 ном}; Z _н = 0 - т.е. обмотка W₂ замкнута «сама на себя». При этом токи в обмотке сильно возрастают, примерно в 10-15 раз, отсюда резкий перегрев обмотки и даже механические разрушения трансформатора.

Кпд трансформатора. Потери мощности и кпд трансформатора

При работе трансформатора происходит передача ЭЭ из обмотки W₁ в W₂ , при этом часть подведенной к трансформатору энергии теряется в виде тепловых потерь в стали (сердечнике) и в меди, т.е. в обмотках.

W₁    ФМС W₂

P₁ ~> ~ Ф ₀ ~> P₂

 ΔP_1м + ΔP_с + ΔP_2м = ΔP_тр

Потери в трансформаторе в номинальном режиме очень малы, ΔP_тр ~ 1-3%, т.е. η_ном = (97-99)%. Обычно трансформатор работает большую часть времени в режиме недогрузки, т.е. β = P₂ / P_2ном ≈ 0,5-0,7. Такой режим эксплуатации выбирается для того, чтобы при неожиданном подключении мощного потребителя трансформатор не оказался в режиме сильной перегрузки, что может привести к отключению трансформатора и возникновению аварийного режима в питающей сети. Поэтому проектирование и расчет трансформаторов выполняют таким образом, чтобы η _макс приходилось на режим β = 0,5-0,7.

а) Прямой метод определения КПД

- по показаниям измерительных приборов.

P₂ – мощность нагрузки, подключённой к трансформатору;

P₁ – мощность, подведенная к трансформатору;

б) Косвенный метод определения КПД

Данный метод позволяет определить КПД трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания с учетом коэффициента загрузки β.

Из паспорта трансформатора находят полную мощность S_ном ~> P₂ = βP_2ном = β S_ном cos φ_нагр.

ΔP_ст = Р₁₀ = const; - постоянны для всех режимов и определяются из опыта хх.

- из опыта короткого замыкания.

Отсюда получаем для любого режима:

Подставляя конкретное значение β, по данной формуле можно рассчитать получаемое при перегрузке η _тр.

Как проводится опыт холостого хода и что из него определяется?

Режим работы трансформатора, где не происходит передачи электрической энергии, называется холостым ходом трансформатора. В этом режиме к первичной обмотке подведено переменное номинальное напряжение U_1ном, а вторичная обмотка разомкнута, т.е. нагрузка к вторичной обмотке трансформатора не подключена, и ток в ней равен нулю I₂₀ = 0. Поскольку передачи электрической энергии в этом случае не происходит, то ток в первичной обмотке - ток холостого хода трансформатора I ₁₀ оказывается небольшим, он составляет где-то 3-5-10% от номинального: I₁₀ = (3 - 5 - 10 %) I_1ном. Трансформатор в режиме холостого хода можно рассматривать как катушку с ферромагнитным сердечником, включенную в цепь переменного тока.

Ток холостого хода является важной характеристикой трансформатора, по его величине можно судить о потреблении трансформатором реактивной энергии на намагничивание.

Также в режиме холостого хода определяют коэффициент трансформации: K=E1E2=W1W2. Во вторичной обмотке Е₂₀ = U₂₀, а в первичной обмотке падение напряжения мало и можно принять Е₁ = U_1ном.

Тогда коэффициент трансформации можно определять как отношение напряжений в опыте холостого хода : K=U1номU20 .

Мощность Р_1о, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется на нагрев первичной обмотки - потери в меди первичной обмотки ∆Р_1м и на нагрев сердечника - потери в стали ∆Р _с.

Джоулевы потери в меди вторичной обмотки отсутствуют, т.к. I₂₀≈ 0 , а в первичной обмотке ∆Р_1м = I₁₀^2∙R_1о они очень малы по сравнению с номинальными, т. к I ₁₀ = (3 - 5 - 10 %) I _{1 ном}. Поэтому мощность Р_1о , потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется лишь на нагрев сердечника - на потери в стали .

Потери в ферромагнитном сердечнике ∆Р _с ~ Φ². ИЗ формулы E1 = 4,44 f W₁ Ф _мax следует, что рабочий магнитный поток трансформатора Φ прямо пропорционально связан с величиной первичной ЭДС : Φ ~ Е₁ . Т.к. падение напряжения в первичной обмотке трансформатора очень мало - не более 3 - 5 % , поэтому можно принять, что ЭДС первичной обмотки практически равна приложенному напряжению Е1 = U1 . Значит, можно считать, что для всех режимов рабочий магнитный поток трансформатора пропорционален приложенному напряжению Φ ~ U₁.

Т.к. ∆Р с ~ Φ², значит ∆Р_с ~ U₁².

Т.к. в опыте холостого хода приложенное к первичной обмотке напряжение является номинальным U₁ = U_1ном, то потери мощности в сердечнике трансформатора в опыте холостого равны номинальным потерям мощности в сердечнике - следовательно, потребляемая трансформатором мощность в опыте холостого хода равна номинальным потерям в сердечнике трансформатора Р_1о = ∆Р_сном.

Как проводится опыт короткого замыкания и что определяется из этого опыта?

Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой без какого-либо сопротивления зажимов источника или иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение.

Режим короткого замыкания трансформатора - это нерегламентированный режим, который возникает в аварийных ситуациях, когда при работе трансформатора под номинальным напряжением U₁ = U_{1 ном} сопротивление нагрузки становится равным нулю Z _н = 0 - т.е. вторичная обмотка W₂ замкнута накоротко - «сама на себя».

В опыте короткого замыкания при помощи ручки автотрансформатора плавно повышают входное напряжение, пока ток в первичной обмотке не достигнет номинального значения. Напряжение, при котором в опыте короткого замыкания устанавливаются номинальные токи, называется напряжением короткого замыкания трансформатора U _кз и обычно составляет несколько процентов от номинального: U_кз=(5-7 %)U_1ном.

По данным опыта короткого замыкания можно определить напряжение короткого замыкания трансформатора U кз, его всегда указывают на щитке трансформатора, и оно является одним из паспортных параметров. Напряжение КЗ определяет нормальную работу трансформаторов при их параллельном включении на общую нагрузку, т.к. определяет величину падения напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме ΔU _ном = U_кз. В опыте короткого замыкания напряжение на выходе трансформатора равно нулю U₂=0, поэтому приложенное в этом опыте к первичной обмотке напряжение U_кз уравновешивается падением напряжения в трансформаторе U _кз = ΔU . Поскольку в опыте короткого замыкания в обмотках трансформатора протекают номинальные токи I_1ном и I_2ном, то и падение напряжения в трансформаторе в этом опыте также соответствует номинальному U _кз = ΔU _ном. Падение напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме, определяемое из опыта короткого замыкания, сравнительно невелико и составляет 5 - 7 % .

Также из опыта КЗ можно определить номинальные потери в меди - ∆Р _{м ном}. Потери в стали трансформатора ∆Р_с пропорциональны квадрату приложенного к первичной обмотке напряжения ∆Р_с ~ U₁² , ими в опыте короткого замыкания можно пренебречь, т.к. в этом опыте напряжение на первичной обмотке очень мало по сравнению с номинальным U_кз = ( 5 - 7 % ) U_1ном . Следовательно, мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, расходуется лишь на тепловые потери в обмотках - потери в меди Р _кз = ∆Р _м. Т.к. токи в обмотках трансформатора в опыте короткого замыкания являются номинальными, то потери в меди в этом опыте так же являются номинальными Р _кз = ∆Р _{м ном}