Короткі теоретичні відомості

ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

ТЕМА. Визначення характеристик трансформаторів напруги

МЕТА: Ознайомитись зі способами перевірки трансформаторів напруги.

Короткі теоретичні відомості

Трансформатором називається статичний електромагнітний апарат, в якому змінний струм однієї напруги перетвориться в змінний струм іншої напруги (частота при цьому залишається незмінною). Процес подібного перетворення енергії називають трансформацією. Слід зазначити, що всякий трансформатор є апаратом оборотним і може служити як для підвищення, так і для пониження напруги. Якщо трансформатор призначений для підвищення напруги, то він називається підвищуючим, а якщо для пониження, то знижуючим.

За числом фаз розрізняють трансформатори однофазні і багатофазні (звичайно трифазні). Трансформатори містять первинні та вторинні обмотки. Первинною обмоткою називається та обмотка, до якої електрична енергія підводиться, а вторинною обмоткою називається та обмотка, від якої електрична енергія відводиться. Обмоткою вищої напруги (ВН) називається обмотка, що приєднана до мережі з більшим значенням напруги, а обмотка, що ввімкнута до мережі з меншою напругою, називається обмоткою низької напруги (НН).

Згідно ДУСТ 401-41 трансформатори великих потужностей комплектуються щитом, на якому зазначається: 1) найменування міністерства; 2) найменування та адреса заводу-виробника; 3) позначення типу; 4) ДУСТ 401-41; 5) заводський номер; 6) рік випуску; 7) число фаз; 8) частота в герцах; 9) род установки (внутрішнє чи зовнішня); 10) номінальна потужність в кВА;11) схема та група з'єднання обмоток; 12) напруги номінальні та напруги відгалужених обмоток у В або кВ та номінальні струми в А; 13) напруги короткого замикання в %; 14) спосіб охолоджування; 15) повна вага трансформатора в кг або т; 16) вага масла в кг або т **; 17) вага виймальної частини в кг або т; 18) положення перемикача, позначені на його приводі.

Дослід неробочого ходу трансформатора. Неробочим ходом трансформатора називається такий режим його роботи, коли до затисків первинної обмотки підводиться номінальна напруга при номінальній частоті, а вторинна обмотка розімкнена. Під дією прикладеної напруги по первинній обмотці буде проходити струм неробочого ходу І_х, який створить змінний магнітний потік Ф в сердечнику трансформатора і потік розсіяння Ф_s, первинної обмотки. Потік Ф, що зчіплюється з обома обмотками, індукує в первинній обмотці ЕРС самоіндукції:

, (5.1)

а у вторинній обмотці ЕРС взаємоіндукції:

, (5.2)

де – ЕРС, що індукована в первинній обмотці, В;

– ЕРС, що індукована у вторинній обмотці, В;

– числа витків первинної та вторинної обмоток;

– частота змінного струму, Гц;

– амплітуда магнітного потоку, Вб.

Розділивши одне рівняння на інше, отримаємо коефіцієнт трансформації ЕРС або просто коефіцієнт трансформації трансформатора:

(5.3)

Оскільки струм холостого ходу І_х складає тільки від 10 до 2,2% від номінального струму, то падінням напруги в первинній обмотці трансформатора незначне, тому їм можна знехтувати, тоді ЕРС, що індукована в первинній обмотці, буде приблизно рівна напрузі ,а . В цьому випадку:

(5.4)

Згідно ДУСТ 401-41 коефіцієнтом трансформації трансформатора називається відношення номінальних напруг, тобто відношення напруг на затискачах обмоток трансформатора при холостому ході. Звичайно береться співвідношення вищої напруги до низької.

Слід зазначити, що при визначенні коефіцієнта трансформації необов'язково встановлювати номінальну напругу на затискачах первинної обмотки. Згідно ДУСТ 3484-55 напруга, що підводиться, не повинна перевищувати номінальну напругу трансформатора, але і не повинна бути надмірно малою. Вона може бути від одного до декількох десятків відсотків номінальної напруги. Причому менші значення відносяться до трансформаторів більшої потужності, а великі значення до трансформаторів меншої потужності.

Потужність неробочого ходу трансформатора витрачається на втрати в сталі сердечника трансформатора (магнітні втрати) та втрати в міді первинної обмотки (електричні втрати):

(5.5)

де – втрати опір в сталі сердечника трансформатора, Вт;

– втрати в міді первинній обмотці, Вт;

– активний опір первинної обмотки, Ом.

Оскільки при неробочому ході трансформатора втрати в міді первинної обмотки дуже малі в порівнянно з потужністю неробочого ходу , то ними можна знехтувати і вважати, що потужність холостого ходу витрачається на втрати в сталі, що складаються з втрат на гістерезис та втрат на вихрові струми

(5.6)

Коефіцієнт потужності при неробочому ході трансформатора рівний:

(5.7)

Отже, дослід неробочого ходу трансформатора дає можливість визначити коефіцієнт трансформації та втрати в сталі сердечника трансформатора.

Дослід короткого замикання називається такий режим роботи, коли до затисків первинної обмотки підводиться номінальна напруга при номінальній частоті, а вторинна обмотка замкнена на коротко. За допомогою досліду короткого замикання трансформатора можна визначити опори обмоток, напругу короткого замикання та втрати в міді обмоток трансформатора.

Якщо дослід короткого замикання здійснюється не при номінальному струмі, а трохи меншому (але не менш ніж 1/4 номінального струму трансформатора), то втрати короткого замикання та напругу короткого замикання приводять до номінального струму трансформатора за формулами:

, (5.8)

де , – втрати та напруга короткого замикання, що заміряні при проведенні досліду;

– струм, при якому здійснювався дослід.

Оскільки напруга короткого замикання складає (5,5-10,5%) від номінальної напруги, то магнітний потік малий () і втрати в сталі, пропорційні квадрату потоку (магнітної індукції), є незначні і ними можна знехтувати. В цьому випадку можна вважати, що потужність короткого замикання (або просто втрати короткого замикання) витрачається на втрати в міді обмоток трансформатора:

, (5.9)

звідки

де – активний опір короткого замикання трансформатора;

– активний опір первинної обмотки;

– коефіцієнт трансформації;

– активний опір вторинної обмотки.

Повний опір короткого замикання трансформатора:

. (5.10)

Знаючи та , можна знайти індуктивний опір короткого замикання трансформатора:

, (5.11)

де ;

– індуктивний опір розсіяння первинної обмотки;

– індуктивний опір розсіяння вторинної обмотки.

Коефіцієнт потужності при досліді короткого замикання:

, або . (5.12)

Якщо дослід короткого замикання трансформатора проводиться в холодному стані, то згідно ДУСТ 3484-65 опори короткого замикання трансформатора необхідно привести до номінальної температури обмотки. Звичайно цю температуру приймають рівній 75° (ДУСТ 401-41). Отже, активний опір короткого замикання будет:

, (5.13)

де ,

– температура обмоток при досліді короткого замикання. Повний опір короткого замикання трансформатора:

, (5.14)

оскільки можна вважати, що від температури не залежить.

Номінальна напруга короткого замикання:

. (5.15)

Звичайно напруга короткого замикання виражається у відсотках від номінальної напруги тієї обмотки, з боку якої проводилися вимірювання при досліді короткого замикання:

. (5.16)

Активна та реактивна складові напруги короткого замикання визначаються за формулами:

; (5.17)

. (5.18)

де – втрати короткого замикання трансформатора при номінальній температурі обмоток, Вт;

– втрати короткого замикання трансформатора при температурі, при якій здійснювався дослід, Вт;

– номінальна повна потужність трансформатора, ВА.

Зовнішня характеристика однофазного трансформатора представляє собою залежність напруги U₂ на затискачах вторинної обмотки від струму І₂ вторинного ланцюга при незміній номінальній напрузі U_1Н на затискачах первинної обмотки, при незмінній номінальній частоті і при незмінному коефіцієнті потужності навантаження:

при , і .

Зняття зовнішньої характеристики для активно-індуктивного навантаження () здійснювався так само, як і для чисто активного навантаження, але відрізняються від останньої тільки тим, що під час досліду коефіцієнт потужності підтримується постійним і визначається за формулою:

. (5.19)

На підставі отриманих даних досліду будуємо зовнішні характеристики. За допомогою зовнішньої характеристики можна визначити процентну зміну напруги за формулою:

, (5.20)

де – напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора при неробочому ході;

– напруга на затискачах вторинної обмотки при навантаженні.

Коефіцієнт корисної дії трансформатора можна визначити за формулою:

, (5.21)

де – потужність, що підводиться до трансформатора;

– потужність, що віддається трансформатором.

Щоб визначити коефіцієнт корисної дії (ККД) за даним методом, необхідно здійснити два досліди: дослід неробочого ходу та дослід короткого замикання. При досліді холостого ходу визначаємо втрати в сталі сердечника трансформатора для номінальної напруги , які залишаються постійними при всіх навантаженнях трансформатора. При досліді короткого замикання визначаємо втрати в обмотках трансформатора для номінального навантаження. Ці втрати змінюються пропорційно квадрату струму або те ж саме, квадрату навантаження трансформатора за умови, що напругу на затискачах вторинної обмотки при зміні навантаження практично можно вважати постійною (). Згідно ДУСТ 401-41 ККД при номінальному навантаженні визначається непрямим методом за формулою