5. Дослід холостого ходу й короткого замикання

Д ля випробування трансформатора проводять дослід холостого ходу й дослід короткого замикання. Під час проведення досліду холо­стого ходу (рис. 79, а) вторинна обмотка трансфор-матора розімкнена і струму в ній немає (І₂ = 0). Якщо первинну обмотку трансформа­тора ввімкнути в мережу джерела електрикної енергії змінного стру­му, то в цій обмотці протікатиме струм холостого ходу силою І_о. У трансформаторах великої потужності сила струму холостого ходу може становити 5... 10 % номінальної сили струму. У трансформа­торах малих потужностей сила цього струму досягає 25...30 % номі­нальної.

Струм холостого ходу утворює магнітний потік у магнітопроводі трансформатора. Для збудження магнітного потоку трансформатор споживає реактивну потужність із мережі. Що стосується активної потужності, то вона витрачається на покриття втрат потужності в магнітопроводі, обумовлених гістерезисом та вихровими струмами. Оскільки реактивна потужність під час холостого ходу трансформа­тора значно більша від активної потужності, то його коефіцієнт по­тужності cos φ надзвичайно малий і становить 0,2...0,3.

У разі короткого замикання вторинної обмотки опір трансформа­тора дуже малий і сила струму короткого замикання в багато разів більша від номінальної. Така велика сила струму обумовлює сильне нагрівання обмоток трансформатора і призводить до виходу його з ладу. Тому трансформатор обладнують системою захисту, яка вими­кає його в разі короткого замикання.

Під час досліду короткого замикання (рис. 79, б) вторинна обмот­ка трансформатора замкнена накоротко, тобто напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює нулеві. Первинна обмотка вмикається в мережу з такою зниженою напругою, за якої сили струмів у обмотках дорівнюють номінальним. Така знижена напруга називається напру­гою короткого замикання и_к і виражається в процентах від номіналь­ного значення.

Активний, реактивний і повний опори короткого замикання транс­форматора визначаються за такими виразами:

R_k = P_к/І²; Z_к = U_к/I; Х_к = ,

де U_к , І і Р_к — напруга, сила струму і потужність, які показують вимірювальні прилади, ввімкнені в коло первинної обмотки трансфор­матора.

Якщо випробовують трифазний трансформатор, то в наведені вище формули підставляють фазні значення напруги, сили струму й потуж­ності.

Напруга короткого замикання та її активна й реактивна скла­дові становлять:

и_к = І_нZ_к/U_н ·100; и_а =І_нR_к/U_н ·100; и_х = І_нХ_к/U_н ·100,

де U_н та І_н — номінальні напруга й сила струму первинної обмотки трансформатора.

6. Визначення робочих характеристик трансформаторів за даними дослідів холостого ходу й короткого замикання

Властивості трансформатора при роботі його під навантаженням можна визначити безпосереднім його випробуванням. Якщо трансфор­матор ввімкнути на певне навантаження і змінювати це навантаження, то за показами приладів можна простежити, як змінюватиметься напруга на затискачах вторинної обмотки та ККД трансформатора. Проте під час випробування трансформатора під навантаженням від­бувається дуже велика витрата електроенергії (тим більша, чим вища потужність трансформатора), і для утворення активного, індуктивного та ємнісного навантажень потрібне громіздке обладнання (реостати, індуктивні котушки та конденсатори). Крім того, безпосереднє випро­бування трансформатора дає дуже неточні результати.

Робочі властивості трансформатора можна визначити за даними дослідів холостого ходу й короткого замикання. При цьому потрібна порівняно невелика витрата енергії, відпадає потреба у громіздкому обладнанні, крім того, значно підвищується точність вимірювань по­рівняно з безпосереднім випробуванням.

За даними досліду холостого ходу вимірюють напругу первинної і вторинної обмоток U₁ і U₂ , силу струму холостого ходу І₀ і спожи­вану при холостому ході потужність Р_о , яка витрачається на покрит­тя втрату сталі магнітопроводу (Р_о = Р_ст).

У процесі досліду короткого замикання вимірюють напругу ко­роткого замикання U_к, силу струму первинної обмотки, яка дорівнює номінальній І_н, потужність Р_к, споживану трансформатором під час досліду короткого замикання і витрачувану на покриття втрат у об­мотках за номінального навантаження (Р_к = Р_обм), опори (повний, активний і реактивний) трансформатора при короткому замиканні Z_к, R_к i Х_к, а також відносні значення напруги короткого замикання и_к, її активної и_а та реактивної и_х складових.

За даними дослідів холостого ходу й короткого замикання можна визначити напругу на затискачах вторинної обмотки та ККД трансфор­матора для будь-якого навантаження.

Зниження вторинної напруги у процентах для будь-якого наванта­ження становить

Δи = [(U₂₀ — U₂ )/ U₂₀] ·100 = β (и_а cos φ₂ + и_к sin φ₂),

де β = І/І_н , — коефіцієнт навантаження; І — сила струму при ви­браному навантаженні; φ₂ — зсув за фазою між напругою та силою струму вторинної обмотки.

Напруга вторинної обмотки при навантаженні U₂ = U₂₀ (1 - Δи /100), де U₂₀ — напруга при холостому ході.

Отже, напруга вторинної обмотки залежить не тільки]від величини, але й від характеру навантаження.

Якщо навантаження має індуктивний характер, то напруга зни­жується зі зростанням навантаження більшою мірою, ніж у випадку, коли навантаження чисто активне. Якщо навантаження ємнісне, то напруга підвищується зі збільшенням навантаження. Беручи певні вначення β і φ₂, можна визначити Δи та U₂ для будь-якого наванта­ження трансформатора, не випробовуючи його під навантаженням.

Коефіцієнтом корисної дії (ККД), або видат­ністю трансформатора називається відношення корисної потужності трансформатора Р₂ до потужності, споживаної ним із мережі джерела електричної енергії, Р₁, тобто η = P₂/P₁.

Споживана потужність P₁ завжди буде більшою від корисної по­тужності Р₂, бо під час роботи трансформатора відбуваються втрати перетворюваної ним енергії. Втрати у трансформаторі складаються із втрат у сталі магнітопроводу Р_ст та втрат у обмотках Р_обм. Отже, споживану трансформатором потужність можна виразити так: Р₁ = Р₂ + Р_ст+ Р_обм.

Корисна потужність однофазного трансформатора Р₂ = U₂І₂ cosφ₂, трифазного Р₂ = U₂І₂ cos φ₂.

Отже, ККД одно- і трифазного трансформаторів можна визначити за такими формулами:

η_1ф = U₂І₂ cos φ₂/( U₂І₂ cos φ₂ + Р_ст+ Р_обм );

η_3ф = U₂І₂ cos φ₂ ( U₂І₂ cos φ₂ + Р_ст+ Р_обм).

ККД трансформатора буде найбільшим при навантаженні, для якого втрати у сталі дорівнюють втратам у обмотках. У сучасних трансформаторів ККД дуже високий і досягає при повному наван­таженні 95...99,5 %.

Беручи певні значення корисної потужності Р₂ (наприклад, 0; 25; 50; 75; 100; 125 % номінальної потужності), для кожного з вибра­них значень визначають втрати у трансформаторі.

Втрати в сталі магнітопроводу Р_ст залежать від марки сталі, з якої виготовлено осердя, від частоти струму в мережі та магнітної індукції в магнітопроводі. Оскільки частота струму в мережі й маг­нітна індукція залишаються незмінними під час роботи трансформато­ра, то і втрати в сталі не залежать від навантаження і залишаються сталими.

Втрати в обмотках ідуть на нагрівання провідників цих обмоток струмами, що протікають до них, і прямо пропорційні силі струму у квадраті. Отже, при навантаженні 0,5 номінального сили струмів у обмотках будуть вдвічі, а втрати в обмотках у чотири рази меншими, ніж при номінальному навантаженні. Беручи певні значення cos φ визначають ККД для будь-якого навантаження трансформатора.