Transformatortesten: open-circuit en kortsluitingstest uitgelegd

Open-circuit test (nulbelasting) en kortsluitingstest (belasting) van een transformator

In het equivalente schema van een transformator zijn er vier hoofparameters:

• Equivalente weerstand (R₀₁)
• Equivalente reactantie (X₀₁)
• Kernverliesweerstand (R₀)
• Magnetiseringsreactantie (X₀)

De open-circuit en kortsluitingstest worden uitgevoerd om schakelingparameters, regeling en efficiëntie te bepalen. Deze tests worden zonder echte belasting uitgevoerd en gelden daarom als indirecte testmethodes.

Deze tests geven nauwkeurigere resultaten dan een test op volbelaste transformator (directe methode) en zijn economischer door het lage stroomverbruik. Twee indirecte testmethodes:

• Open-circuit test
• Kortsluitingstest

Open-circuit test (Nulbelastingstest)

De open-circuit test (ook nulbelastingstest) bepaalt de verliezen in een transformator: kernverlies (ijzerverlies), nulbelastingstroom (I₀), en nulbelasting equivalent parameters (R₀ en X₀). De test wordt uitgevoerd op de primaire of secundaire wikkeling, maar meestal op de laagspanningswikkeling. Redenen: hoge spanning is in laboratoria moeilijk te realiseren, en de stroom in de hoogspanningswikkeling is erg klein (moeilijk nauwkeurig te meten).

Het experimentele schema voor een eensfasige transformator is getoond in de afbeelding.

De primaire wikkeling (laagspanning) krijgt nominale spanning en frequentie (meestal eensfasig via autotransformator). De secundaire wikkeling blijft open. Een voltmeter V₀, amperemeter I₀ en wattmeter W₀ zitten in de primaire wikkeling.

Omdat de secundaire open is, is de secundairestroom nul. Er is geen last aangesloten. De primaire stroom is dus de nulbelastingstroom I₀, gemeten door de amperemeter.

De voedingsspanning is nominaal → de flux in de kern is normaal en gelijk voor alle belastingstoestanden. Ijzerverlies hangt af van spanning en frequentie; beide zijn nominaal → het ijzerverlies in deze test is representatief voor alle belastingstoestanden.

De nulbelastingstroom voorziet in ijzerverlies en koperverlies in de primaire. I₀ is erg klein (2-5% van volllaststroom) → koperverlies in de primaire is verwaarloosbaar. De primaire stroom levert dus voornamelijk het kernverlies.

De wattmeter in de primaire meet het toegevoerde vermogen → wijst het verlies in de kern aan. Metingen bij open-circuit test:

• Ammeter: nulbelastingstroom I₀
• Voltmeter: nominale voedingsspanning V₁
• Wattmeter: ijzer- of kernverlies P_i

Observatietabel open-circuit test

Nu kunnen de nulbelasting parameters R₀ en X₀ berekend worden uit I₀.

P₀ = V₁ I₀ cos φ₀ = Ijzerverlies

Werkende component van nulbelastingstroom: I_W = I₀ cos φ₀

Magnetiserende component: I_M = I₀ sin φ₀

Nulbelasting weerstand: R₀ = V₁ / I_W

Nulbelasting reactantie: X₀ = V₁ / I_M

Kortsluitingstest (Belastingstest)

De kortsluitingstest (ook belastingstest) wordt uitgevoerd op de hoogspanningszijde; de laagspanningszijde wordt kortgesloten. De test kan ook op de laagspanningszijde, maar de benodigde spanning (5-7% van nominaal) is dan erg klein met grote meetfouten. Op de hoogspanningszijde is deze verminderde spanning eenvoudig beschikbaar in het laboratorium.

Het schema is getoond in de afbeelding.

Meestal wordt de laagspanningswikkeling met een dikke draad kortgesloten. Soms zit een amperemeter in serie om de nominale laststroom te meten. Amperemeter, voltmeter en wattmeter zitten aan de hoogspanningszijde. We beschouwen de primaire als hoogspanningswikkeling, secundaire als laagspanning.

De hoogspanningswikkeling krijgt een verminderde invoerspanning van een variabele bron. De spanning wordt langzaam verhoogd tot de volllast primaire stroom door de primaire vloeit. Door transformatorwerking vloeit dan ook de volllast secundairestroom.

De amperemeter meet de volllast primaire stroom. De voltmeter meet de toegevoerde spanning bij volllaststroom (5-10% van nominaal). Door de lage invoerspanning is de flux in de kern erg laag. Kernverlies is evenredig met het kwadraat van de flux → kernverlies is verwaarloosbaar klein.

De stroom door de wikkelingen is volllaststroom → het optredende koperverlies is het normale volllast koperverlies. De wattmeter toont het volllast koperverlies. De secundaire spanning is nul (kortsluiting) → de volledige primaire spanning compenseert de spanningsval over de totale impedantie gerefereerd naar de primaire zijde.

Het benaderende equivalente schema onder kortsluitingstest is getoond in de afbeelding.

Observatietabel kortsluitingstest

Metingen bij kortsluitingstest:

• Ammeter: Volllast primaire stroom (I_SC)
• Voltmeter: Toegevoerde spanning (V_SC)
• Wattmeter: Volllast koperverlies (P_C)

Volllast koperverlies: P_C = I_SC² R₀₁

Equivalente weerstand gerefereerd naar primaire: R₀₁ = P_C / I_SC²

Equivalente impedantie gerefereerd naar primaire: Z₀₁ = V_SC / I_SC

Equivalente reactantie gerefereerd naar primaire: X₀₁ = √(Z₀₁² – R₀₁²)

Vermogensfactor: cos φ = P_C / (V_SC I_SC)