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变压器开路和短路测试:二者有何区别差异?

IC先生 IC先生 4192 2022-06-14 11:12:58

通过了解所有等效电路参数,可以预测变压器在不同负载水平下的性能。这些电路参数以变压器的开路 (OC) 和短路 (SC) 测试数据的形式提供。在没有实际加载变压器的情况下,这两个评估测试给出了测试结果,用于确定等效电路参数。

通过这些参数,可以很容易地预先确定变压器在任何功率因数条件以及任何负载条件下的效率和调节。这种查找变压器参数的方法称为间接加载方法。在本文中,小编简单介绍如何从测试数据中确定等效参数以及要执行计算的HV或LV侧的意义。

变压器开路或空载测试

进行开路或空载测试是为了找出变压器等效电路的分流或空载支路参数。本次测试得出铁损和空载电流值,通过简单计算即可确定空载支路参数。

顾名思义,变压器的二次侧负载端子保持开路,输入电压施加在一次侧。由于该测试是在不施加任何负载的情况下进行的,因此该测试也称为空载测试。

如何进行开路测试?

开路 (OC) 测试是通过自耦变压器、电流表、电压表和瓦特表将变压器的LV侧(作为初级)连接到交流电源来进行的。二次侧或高压侧端子保持开路,在某些情况下,在其两端连接电压表以测量二次电压。

初级侧电压表读取施加到变压器的电压,电流表读取空载电流,功率计给出输入功率和用于改变施加到变压器的电压的自耦变压器,以便在额定频率下施加额定电压。变压器的OC测试布置如下图所示:

超频测试

当给变压器提供单相电源时,通过改变自耦变压器来调整初级电压的额定值。在此额定电压下,将获取电流表和瓦特表读数。通过该测试,可以得到额定电压V O、输入或空载电流 I O和输入功率W O。

众所周知,当变压器空载时,空载电流或初级电流很小,一般为额定电流值的3%~5%。因此,初级绕组中的铜损可以忽略不计。

在OC测试中,变压器在额定电压和额定频率下运行,因此最大损失将是铁芯中的磁通。由于铁损或铁损处于额定电压,因此变压器在空载时会汲取功率输入来提供铁损,即:W O = 铁损。

无负载分流参数从OC测试计算为:

空载功率因数,Cos Φ O = W O /V O I O 

获得功率因数后,空载组件电流确定为:

  • 空载电流的励磁分量,I m = I O sin Φ O 
  • 空载电流的铁损分量,I m = I O cos Φ O 
那么,磁化支路电抗,X O = V O / I m,电阻代表铁损,R O = V O / I O 

当变压器空载运行时,分流或并联参数汲取的电流非常小,约为额定电流的2%至5%。因此,在OC测试期间将有一个低电流流过电路。为了仪器可读,电压、电流和功率的测量必须在低压侧进行。

此外,还必须选择低量程电流线圈和低量程电流表。变压器空载时的功率因数过低,通常低于0.5 。因此,为了使用这个低值,可以选择LPF功率计。OC测试得到的等效电路如下图所示:

等效电路

变压器短路测试

执行变压器短路测试是为了找到等效电路的串联支路参数,例如等效阻抗(Z o1或Z o2)、总绕组电阻(R o1或R o2)和总漏电抗(X o1或X o2)。此外,可以确定任何所需负载下的铜损和变压器初级或次级的总压降。在这个测试中,通常LV绕组被一根粗线短接。并且测试在另一侧进行,即HV侧(作为初级)。

SC测试

如何进行短路测试?

在短路(SC) 测试中,初级或高压绕组通过电压表、电流表、瓦特表和自耦变压器连接到交流电源,如图所示。该测试也称为降低电压测试或低电压测试。由于次级绕组短路,在额定电压下,变压器由于其非常小的绕组电阻而吸收非常大的电流。

如此大的电流会导致变压器过热和烧毁。因此,为了限制高电流,初级绕组必须用低电压通电,这刚好足以在变压器初级产生额定电流。

由于这两个主要原因,SC测试在HV侧进行。第一个是施加额定电流的SC测试,高压侧的额定电流远小于低压侧的额定电流。因此,与低压侧相比,高压侧(由于电流值低)更容易达到额定电流。

另一方面,如果通过在低压侧连接测量仪器来短接高压端子,则次级电压为零。因此,与LV侧相比,流过HV侧的电流非常高(因为VA额定值是恒定的),因此会导致变压器烧毁。

在该测试中,通过缓慢地改变自耦变压器,可以向初级施加一个通常为额定电压5%到10%的低电压,以使额定电流在初级和次级绕组中流动,我们可以在电流表读数中观察到(在某些情况下,次级通过电流表短路)。在这个额定电流下,必须记录电压表 (V sc )、电流表 (I sc ) 和功率表 (W sc ) 的读数。

由于这个测试当中的电流是额定值,因此空载电流非常小,为额定电流的3%到5%。换言之,施加到初级绕组的电压非常低,因此铁芯中的磁通量非常小。反过来,磁芯损耗可以忽略不计。因此,空载分流支路被认为在该测试的等效电路中不存在,因为铁芯损耗可以忽略不计。

由于铁损或铁芯损耗是电压的函数,因此这些损耗非常小。所以,功率计读数显示的功率损耗或I 2 R损耗等于整个变压器的满载铜损,即:W sc = 满载铜损。

根据测试结果,可以确定等效电路的串联支路参数为:

  • 相对于HV侧的等效电阻,R01 = W sc / I sc 2 
  • 参考HV侧的等效阻抗,Z01 = V sc / I sc 
  • 相对于HV侧的等效漏抗,X01 = √ (Z 2 01 – R 2 01) 
  • 短路功率因数,Cos Φ sc = W sc /V sc I sc 
从该测试中获得的等效电路如下图所示:

SC等效电路

需要注意的是,在计算参数之前必须知道在哪一侧(主要或次要)记录测试读数。假设如果变压器是升压变压器,那么在初级或低压侧短路时在次级侧(高压侧)进行SC测试。在这种情况下,可以从R02、X02和Z02等计算中得到参考次级的参数。

如果是降压变压器,得到的参数值为R01、X01和Z01,因为仪表连接到初级的高压侧。

从OC测试得到,并联支路参数参考LV侧,而从SC测试得到串联支路参数参考HV侧。因此,对于有意义的等效电路,所有参数都必须参考某一特定方面。

通过OC和SC测试计算效率

正如上面所述,实际的变压器有两种主要的损耗,即铜损耗和磁芯损耗。由于这些损耗,变压器的温度会升高,这些损耗会以热量的形式消散。由于这些损耗,初级吸收的输入功率不再等于次级提供的输出。因此,变压器的效率为:

η = 以 KW 为单位的功率输出/以 KW 为单位的功率输入 = 以 KW 为单位的功率输出/(以 KW 为单位的功率输出 + 损耗) = 功率输出 KW/(功率输出 KW + 铜损 + 铁损) 。

前面已经说过,铁芯损耗Pcore从空载到满载时保持恒定,因为铁芯中的磁通保持恒定。铜损取决于电流的平方。随着绕组电流从空载到满载的变化,铜损也会发生变化。

假设变压器的KVA额定值为 S,负载的一部分为x,负载的功率因数为Cos Φ,则有:以KW为单位的输出功率 = xSCos Φ 

假设满载时的铜损为P cu (因为 x =1), 那么每单位负载 x 处的铜损 = x 2 P cu,因此变压器的效率为

η = xSCos Φ / (x S Cos Φ + x 2 Px cu + Px core ) 

在上述效率方程中,铁损或铁损和满载铜损是通过OC和SC测试得出的。

调节计算方法

对于初级中的固定电压,次级端电压不会从空载到满载保持恒定。这是由于漏阻抗上的电压降,其幅度取决于负载程度和功率因数。

因此,调节给出了在给定功率因数下从空载到满载的二次电压变化。它被定义为当变压器在额定电压下以规定的功率因数满载运行时,在一次电压保持恒定的情况下,向空载运行时二次电压的变化。

电压调节百分比:%R = ((E 2 – V 2 )/ V 2 )×100 

用电压降表示的电压调节表达式为:% R = ((I 1 R01 cos Φ +/- I 1 X01 sin Φ) / V 1 ) × 100 或者是: % R = ((I 2 R02 cos Φ +/- I 2 X02 sin Φ) / V 2 ) × 100 

上述两个方程所用的参数是指初级侧还是次级侧。因此,从SC测试数据我们可以找出变压器的调节。正号用于滞后功率因数,负号用于超前功率因数。

总结

以上就是关于变压器进行开路和短路测试、计算等效电路参数、计算效率和调节百分比的相关内容,其实在变压器电路中,变压器的开路和短路是非常重要的两个概率,大家务必要弄懂其原理,从而熟练引用。

通过上面内容可以看出,变压器电路参数可以变压器的开路 (OC) 和短路 (SC) 测试数据的形式提供,而以变压器开路和短路测试数据的主要区别在于所参考的侧不一样,其中OC测试并联支路参数参考LV侧,而从SC测试得到串联支路参数参考HV侧。

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