Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

По окончании выполнения лабораторной работы студент должен  Просмотрен 825

знать:

- схему замещения приведенного трансформатора;

- уравнения напряжений, электродвижущих и магнитодвижущих сил и токов трансформатора;

- безопасные правила эксплуатации;

уметь:

- измерять электрические величины при исследовании трансформаторов.

 

Основные теоретические положения:

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки называют внешней характеристикой. Напомним, что в силовых трансформаторах за номинальное вторичное напряжение принимают напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме х.х. при номинальном первичном напряжении.

 

Рисунок 4 – Внешние характеристики трансформатора

 

Вид внешней характеристики (рисунок 4) зависит от характера нагрузки трансформатора (cosj2). Внешнюю характеристику трансформатора можно построить путем расчета для разных значений коэффициента нагрузки b и cosj2.

Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке (рисунок 5). В этих условиях трансформатор со стороны первичной обмотки во всем подобен катушке со стальным сердечником.

 

Рисунок 5 – Холостой ход трансформатора

 

Опыт холостого хода. Холостым ходом называют режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке (Zн = ∞, I2 = 0). В этом случае уравнения напряжений и токов принимают вид

Так как полезная мощность при работе трансформатора вхолостую равна нулю, то мощность на входе трансформатора в режиме х.х. Р0 расходуется на магнитные потери в магнитопроводе Рм,(потери на перемагничивание магнитопровода и вихревые токи) и электрические потери в меди I02r1, (потери на нагрев обмотки при прохождении по ней тока) одной лишь первичной обмотки. Однако ввиду небольшого значения тока I0, который обычно не превышает 2-10% от I1ном , электрическими потерями I02r1, можно пренебречь и считать, что вся мощность х.х. представляет собой мощность магнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода (потерями в стали).

 

 

Рисунок 6 – Схемы опыта х.х. трансформаторов: а) однофазного;

б) трехфазного

Опыт х.х. однофазного трансформатора проводят по схеме, изображенной на рисунке 6, а. Комплект электроизмерительных приборов, включенных в схему, дает возможность непосредственно измерить напряжение U1, подведенное к первичной обмотке; напряжение U20 на выводах вторичной обмотки; мощность х.х.

Р0 и ток х.х. I0.

Напряжение к первичной обмотке, трансформатора обычно подводят через однофазный регулятор напряжения РНО, позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до 1,15U1ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока х.х. снимают показания приборов, а затем строят характеристики х.х.: зависимости тока х.х. I0, мощности х.х. Р0 и коэффициента мощности х.х. соsφ0

от первичного напряжения U1 (рисунок 7).

 

 

Рисунок 7 – Характеристики х.х. трансформатора

 

Криволинейность этих характеристик обусловлена состоянием магнитного насыщения магнитопровода, которое наступает при некотором значении напряжения U1.

В случае опыта холостого хода с трехфазнымтрансформатором напряжение U1 устанавливают посредством трехфазного регулятора напряжения РНТ (рисунок 6, б). Характеристики х.х. строят по средним фазным значениям тока и напряжения для трех фаз:

 

Коэффициент мощности для однофазного трансформатора

 

для трехфазного трансформатора

 

 

где Pо' и Pо" — показания однофазных ваттметров;

U1 и I0 — фазные значения напряжения и тока.

По данным опыта х.х. можно определить:

коэффициент трансформации

 

k = U1/U20 = wl/w2;

ток х.х.приU1ном (в процентах от номинального первичного тока)

 

i0=(I0 ном/I1 ном)100;

 

потери х.х. Р0.

В трехфазном трансформаторе токи для трехфазного трансформатора х.х. в фазах неодинаковы и образуют несимметричную систему, поэтому мощность P0 следует измерять двумя ваттметрами по схеме, изображенной на рисунке 6, б. Падение напряжения в первичной ветви схемы замещения в режиме х.х. I0(r1+jx1) (рисунок 8) составляет весьма незначительную величину, поэтому, не допуская заметной ошибки, можно пользоваться следующими выражениями для расчета параметров ветви намагничивания:

 

Обычно в силовых трансформаторах общего назначения средней и большой мощности при номинальном первичном напряжении ток х.х.

i0=10÷0,6%.

Если же фактические значения тока х.х. I0ном и мощности х.х. P0ном, соответствующие номинальному значению первичного напряжения U1ном, заметно превышают величины этих параметров, указанные в каталоге на данный тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности этого трансформатора: наличие короткозамкнутых витков в обмотках либо замыкании части пластин магнитопровода.

Рисунок 8 – Схема замещения трансформатора в режиме х.х.

 

Пример 1. На рисунке 7 приведены характеристики холостого хода (I0 ном = 20,5 А; соsφ0ном= 0,08) трехфазного трансформатора с данными: Sном=100 кВА; Ulном,/U2ном=6,3/0,22 кВ; соединение обмоток Y/Y. Определить параметры ветви намагничивания схемы замещения трансформатора zm, rm и хт и ток холостого хода при номинальном фазном напряжении на стороне обмоток НН U = 127 В.

Решение. Полное сопротивление ветви намагничивания

 

 

активное сопротивление ветви намагничивания

 

 

индуктивное сопротивление ветви намагничивания

 

 

Ток холостого хода

 

где номинальное значение тока в обмотке НН

 

 

Здесь U2ном – линейное значение вторичного напряжения.

 

Опыт короткого замыкания.Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (zн = 0), при этом вторичное напряжение U2 = 0. В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение U1ном, короткое замыкание является аварийным режимом и представляет собой большую опасность для трансформатора.

 

Рисунок 9 – Схемы опыта к.з. трансформаторов: а) однофазного,

б) трехфазного

 

При опыте к.з. обмотку низшего напряжения однофазного трансформатора замыкают накоротко (рисунок 9, а), а к обмотке высшего напряжения подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его регулятором напряжения РНО до некоторого значения UK.ном, при котором токи к.з. в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам в первичной (I = I1ном) и вторичной (I = = I2ном) обмотках. При этом снимают показания приборов и строят характеристики к.з.,представляющие собой зависимость тока к.з. I, мощности к.з. Рк и коэффициента мощности cosφк от напряжения к.з. Uк (рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Характеристики к.з. трансформатора

 

В случае трехфазного трансформатора опыт проводят по схеме, показанной на рисунок 9, б, а значения напряжения к.з. и тока к.з.

определяют как средние для трех фаз:

 

 

Коэффициент мощности при опыте к.з.

 

cosφк= Рк/(3 Uк I).

 

При этом активную мощность трехфазного трансформатора измеряют методом двух ваттметров. Тогда мощность к.з.

 

 

где Pк¢ и Рк¢¢ — показания однофазных ваттметров, Вт.

Напряжение, при котором токи в обмотках трансформатора при опыте равны номинальным значениям, называют номинальным напряжением короткого замыкания и обычно выражают его в % от номинального:

 

uк=(Uк/U1ном)100.

 

Для силовых трансформаторов uк = 5-10% от Uoм.

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора пропорционален первичному напряжению U1. Но так как это напряжение при опыте к.з. составляет не более 10% от U1ном, то такую же небольшую величину составляет магнитный поток. Для создания такого магнитного потока требуется настолько малый намагничивающий ток, что значением его можно пренебречь. В этом случае

 

а схема замещения трансформаторов для опыта к.з. не содержит ветви намагничивания (рисунок 11, а). Для этой схемы замещения можно записать уравнение напряжений

 

 

Рисунок 11– Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора в режиме к.з.

 

,

или

 

Полное сопротивление трансформатора при опыте к.з.

 

ZK=rK+jxk,

 

где rк и xк — активная и индуктивная составляющие сопротивления к.з. Zк.

Воспользовавшись уравнениями токов и напряжений, для опыта к.з. построим векторную диаграмму трансформатора (рисунок 11, б). Построение этой диаграммы начинают с вектора напряжения к.з. UK = I1KZK. Затем под углом φк к вектору Uк проводят вектор тока к.з. I1K = –I2K. Построив векторы падений напряжения в первичной обмотке I1Kr1, и jI1Kx1, и векторы падения напряжения во вторичной обмотке –I’2Kr’2 и –j I’2Kx’2,получают прямоугольный треугольник АОВ, называемый треугольником короткого замыкания. Стороны этого треугольника будут:

 

Здесь

 

 

где Uк.а и Uк.р – активная и реактивная составляющие напряжения к.з., В.

  
 

Полное, активное и индуктивное сопротивления схемы замещения при опыте к.з.:

 

Полученные значения сопротивлений rк и zк,мощности Рк,коэффициента мощности соsφк и напряжения к.з. Uк следует привести к рабочей температуре обмоток +75 °С:

  
 

 

где rк – активное сопротивление к.з. при температуре θ1;

α = 0,004 – температурный коэффициент для меди и алюминия.

Так как при опыте к.з. основной поток Фmах составляет всего лишь несколько процентов по сравнению с его значением при номинальном первичном напряжении, то магнитными потерями, вызываемыми этим потоком, можно пренебречь. Следовательно, можно считать, что мощность Рк,потребляемая трансформатором при опыте к.з., идет полностью на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора:

 

Мощность к.з. приводят к рабочей температуре обмоток +75 °С:

 

 

Пример 2. Результаты измерений при опыте короткого замыкания трехфазного трансформатора мощностью 100 кВА с линейными напряжениями 6,3/0,22 В, соединением обмоток Y/Y приведены в таблице 1 (напряжение подводилось со стороны ВН). Построить характеристики короткого замыкания: зависимость тока к.з. I, мощности к.з. Pк и коэффициента мощности cosφк от напряжения короткого замыкания Uк.

Решение. Ниже приведен расчет значений параметров опыта короткого замыкания, соответствующих номинальному (фазному) напряжению к.з. UkHOM =190 В, при котором ток к.з. Iк =I1ном=Sном/(√3 U1ном)=100/(√3·6,3)=9,15А (измерение 4 в таблице 1).

 

Таблица 1 – Результаты измерений

 

№ измере-ния UkA, B UkB, B UkC, B IkA, A IkB, A IkC, A Pk, Bт
2,9 5,1 7,2 9,2 3,0 5,0 7,0 9,2 3,1 5,0 7,2 9,1  

 

Среднее (для трех фаз) значение фазного напряжения к.з.

 

Uк.ном = (191 +189 +190)/3 = 190 В.

 

Среднее (для трех фаз) значение тока к.з.

 

I = (9,2+9,2+9,1)/3=9,15А.

 

Параметры схемы замещения трансформатора при опыте короткого замыкания: полное сопротивление к.з. zк=Uк.ном/I1ном=190/9,15=20,8Ом; из выражения мощности к.з. Pк = I2rк, определим активное сопротивление к.з.:

 

rк = Pк /(3 I12ном) =1780/(3·9,152) = 7,1 Ом;

 

индуктивное сопротивление к.з.

 

Ом.

 

Приняв температуру θ1= 20 °С, полученные значения величин приводим к рабочей температуре обмоток +75 °С: активное сопротивление к. з.

 

rк75 = 7,1[1 + 0,004(75 - 20)] = 8,6 Ом;

 

полное сопротивление к.з.

 

Ом;

мощность к.з

 

Рк75 = 3I2rк75 = 3·9,152·8,6 =2160 Вт;

 

коэффициент мощности

 

cosφк75 = rk75 /zk75 = 8,6/21,5 = 0,40;

 

напряжение к.з.

 

Uк75 = ( I zк.75/Ulном)100 = (9,15·21,5·√3/6300)l00 = 5,4%.

 

В таком же порядке рассчитываем параметры опыта к.з. для других значений тока к.з. Результаты расчета заносим в таблицу 2, а затем строим характеристики короткого замыкания (см. рисунок 10).

 

Таблица 2 – Результаты расчетов

 

№ измерения Uк, В I1k, А Рk75, ВТ cosφk75
9,15 0,40 0,40 0,40 0,40

 

 

Порядок выполнения работы:

1. Выполнить задания лабораторной работы.

2. Составить отчет.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Ход работы:

Состав принципиальной схемы (рисунок 12):

Т1 – трансформатор 220 В;

Т2 – трансформатор 36 В;

R1 – переменный резистор 100 Ом;

R2 – переменный резистор 220 Ом;

FU – предохранитель 2 А;

выключатель;

амперметр;

вольтметр;

выключатель короткого замыкания.

Рисунок 12 – Электрическая схема стенда

Предыдущая статья:Задание.. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от с.. Следующая статья:Опыт холостого хода трансформатора.
page speed (0.0131 sec, direct)