Как рассчитать ток холостого хода трансформатора

Обновлено: 26.04.2024

18. Что такое “ток холостого хода” трансформатора, где он протекает в трансформаторе? От каких факторов зависит величина тока холостого хода.

Холостой ход трансформатора представляет собой такой режим работы (предельный), когда его вторичная электрическая обмотка разомкнута (не соединена с электроцепью) и сила тока вторичной обмотки приравнивается нулю (то есть I2 = 0). Наблюдение работы холостого хода трансформатора позволяет определить действительный коэффициент трансформации, силу тока, реальные потери и электрическое сопротивление холостого хода трансформатора.

При работе холостого хода трансформатора его первичную обмотку подключают в электрическую сеть переменного синусоидального тока на некоторое номинальное напряжение U1. Под воздействием подсоединённого электрического напряжения по первичной обмотке трансформатора начинает течь некоторая сила тока (который равен электрическому току холостого хода). Сила тока холостого хода трансформатора равна около 5—10% номинального его значения, а в электрических трансформаторах с малой мощностью (примерно десятки вольт-ампер) может достигать величины в 30% и даже больше номинального рабочего.

Величина и форма тока холостого хода определяются магнитным потоком трансформатора и «свойствами его магнитной системы. Магнитный поток изменяется во времени синусоидально: Ф = Ф_msinωt, а его амплитуда определяется ЭДС:

Так как при холостом ходе ЭДС практически равна напряжению, то значение магнитного потока определяется напряжением первичной обмотки, ее числом витков и частотой.

Вопрос № 19 Объясните энергетическую диаграмму трансформатора.

Преобразование активной мощности трансформатора происходит согласно энергетической диаграмме рис.1.5а, соответствующей схеме замещения рис.1.2а и векторным диаграммам рис.1.3.

На рис.1.5а символом P_эм обозначена внутренняя электромагнитная мощность трансформатора, определяемая как: Pэм= P₁ – p_эл1 – p_мг, где P₁=3U₁I₁cosj₁ – активная мощность поступающая в первичную обмотку из сети; p_эл1 - электрические потери мощности в первичной обмотке трансформатора; p_мг - магнитные потери в трансформаторе (потери в стали).

Мощность P₂ отдаваемая трансформатором нагрузке меньше внутренней электромагнитной мощности на величину p_эл2, которая соответствует электрическим потерям мощности во вторичной обмотке трансформатора, то есть

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора равен:

Вопрос № 20 Что такое намагничивающий ток и в чём его отличие от тока холостого хода?

Намагничивающий ток I_η является главной составляющей тока холостого хода трансформатора I₁₀. Этот ток является реактивным, т.е. I_η=I_10p. Однако реальный трансформатор в режиме холостого хода потребляет от источника переменного тока некоторую активную мощность, так как при переменном магнитном потоке в стальном магнитопроводе возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов (магнитные потери ΔP_c). Поэтому ток холостого хода I₁₀ должен иметь еще и активную составляющую , которая обеспечивает поступление в первичную обмотку мощности, компенсирующей магнитные потери (электрическими потерями в первичной обмотке в этом режиме можно пренебречь из-за малости тока холостого ход). Следовательно, ток холостого хода

или .

Таким образом можно сказать что намагничивающий ток это реактивная составляющая тока холостого хода. Тем и отличается, что это тот же ток холостого хода, только без активной составляющей.

Вопрос № 21 Какие процессы будут иметь место в понижающем трансформаторе если его вторичную обмотку включить на напряжение первичной обмотки?

При подаче на вторичную обмотку номинального напряжения первой, трансформатора становится повышающим и увеличивает и без того большое напряжение. Сердечник входит в насыщение, индуктивность первичной обмотки уменьшается и ток резко возрастает, вследствие чего трансформатор скорее всего не выдержит и выйдет из строя.

Принцип работы, на всякий случай:

Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁. Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них э. д. с. e₁ и e₂соответственно.

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э. д. с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называют основным или рабочим потоком трансформатора.

Вопрос № 22 Какие процессы будут иметь место в повышающем трансформаторе если его вторичную обмотку включить на напряжение первичной обмотки?

При подаче на вторичную обмотку номинального напряжения первой, трансформатора становится понижающим и уменьшает и без того маленькое напряжение.Сердечник далек от насыщения и ток мал и трансформатор не отдает свою габаритную мощность, работает в недогружённом режиме. А чем сильнее трансформатор недодгружен, тем меньше его кпд.

Принцип работы, на всякий случай:

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э. д. с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называютосновным или рабочим потоком трансформатора.

Вопрос №23 Как распределтся нагрузка между двумя паральельно работающими трансформаторами если их Uк не равны, приведите доказательство.

Нагрузка между трансформаторами распределяется прямо пропорционально их мощностям и обратно пропорционально Uк. В общем случае неравенство Uк приводит к недогрузке одного трансформатора и перегрузке другого. Таким образом, при включении на параллельную работу трансформаторов с различными Uк трансформатор с меньшим Uк примет на себя большую нагрузку. Поэтому допускается отклонение Uк не более чем ±10%, а отношение мощностей не более 1:3.

Вопрос №24 В чем сущность «эквивалентной» замены вторичной обмотки трансформатора? Зачем и как реальная обмотка заменяется иной, с другими параметрами и другими значениями тока и напряжения?

Для упрощения анализа и расчета режимов работы трансформатора пользуются способом, при котором одна из его обмоток приводится к другой. Смысл приведения состоит в том, чтобы сделать ЭДС первичной и вторичной обмоток одинаковыми, электромагнитную связь между обмотками заменить электрической связью и получить единую электрическую схему замещения трансформатора, построить другую, более простую и наглядную векторную диаграмму. Чаще всего вторичную обмотку приводят к первичной. Для этого условно заменяют реальную вторичную обмотку некоторой фиктивной обмоткой с числом витков:

т.е. увеличивают число ее витков в k раз. Таким образом, коэффициент приведения вторичной обмотки к первичной равен коэффициенту трансформации. Все параметры приведенной обмотки обозначают со штрихами:

и т.д. В приведенной обмотке в соответствии с новым числом витков увеличиваются все ЭДС, напряжения и падения напряжения, т.е.:

Важным условием приведения является то, чтобы мощности и потери энергии во вторичной обмотке не изменялись. Для этого должны выполняться равенства:

из которых получаются соотношения для тока и активного сопротивления приведенной вторичной обмотки:

Аналогично последнему соотношению изменяются индуктивное сопротивление рассеяния приведенной вторичной обмотки и параметры нагрузки:

Для полных сопротивлений справедливы соотношения:

Если таким образом изменить (условно конечно) все электрические величины вторичной обмотки, то энергетические соотношения в реальном и приведенном трансформаторе сохраняются без изменений и поэтому приведение правомерно. При этом необходимо помнить, что приведение — это чисто аналитический прием, позволяющий упростить расчеты и анализ физических процессов в реальном трансформаторе.

кпд зависит от потерь мощности, чем больше потери, тем меньше пкд, потери мощности бывают постоянные( не зависящие от тока нагрузки - потери в сердечнике трансформатора) и переменные ( зависящие от тока нагрузки -потери в токоведущих частях ЛЭП, обмотках трансформатора). Ну и вот, уменьшая сопротивление нагрузки, уменьшаешь потери и увеличиваешь КПД.

30. X₀ – учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала (в идеальном трансформаторе Z₀ стремится к 0); X_S_1, X_S₂ – индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей; Потоки рассеяния Ф1 и Ф2 первичной и вторичной обмоток обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком, так как магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает, на своем пути относительно малое магнитное сопротивление.

31. Группа соединения обмоток трансформатора - Угловое смещение векторов линейных электродвижущих сил обмоток (сторон) среднего и низшего напряжений по отношению к векторам соответствующих элетродвижущих сил обмотки (стороны) высшего напряжения. Группа соединения трансформатора характеризует сдвиг по фазе между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток. Группу соединения принято выражать числом, полученным от деления на 30 угла (в градусах), на который отстает вектор вторичного напряжения от соответствующего вектора первичного напряжения.

32.С увеличением площади поперечного сечения, ток уменьшается . Магнитная индукция В также уменьшается, исходя из уравнения E=4.44*f*w*Ф, где Ф=B*s.

33. При синусоидальном напряжении и потока, как холостого хода имеет

несинусоидальную форму, за счет насыщения железа в области амплитуды потока

В большинстве трансформаторов применяются ферромагнитные сердечники для большего значения ЭДС, индуктируемого во вторичных обмотках. Ферромагнетики имеют крайне нелинейную характеристику намагничивания с насыщением и неоднозначностью (гистерезисом), которой обусловливается характер напряжений и токов в трансформаторе: при глубоком насыщении трансформатора первичный ток резко возрастает, его форма становится несинусоидальной: в нём появляются составляющие третьей гармоники.

34. С уменьшением числа витков уменьшится индуктивность и индуктивное сопротивление, значит, при том же напряжении ток возрастет. С увеличением числа витков увеличивается индукция.

35. Обратимся к трехфазному трансформатору с соединением обмотокY₀/Y. Будем считать, что с первичной стороны трансформатора выведена нулевая точка, которая соединена с нулевой точкой обмотки генератора трехфазного тока рис. 2-43.

Рис. 2-43. Третьи гармоники намагничивающих токов трехфазного трансформатора при соединении обмоток Y₀/Y.

В этом случае намагничивающие токи фаз будут иметь третьи гармоники. Они совпадают по фазе и, следовательно, будут все направлены или oт генератора к трансформатору, или обратно. По нулевому проводу будет проходить ток, равный тройному значению третьей гармоники тока.

При отсутствии нулевого провода (при Y/Y) в кривых фазных намагничивающих токов третьи гармоники не могут иметь места, так как теперь для них нет замкнутого пути. Следовательно, в кривых фазных потоков появятся третьи гармоники, которые будут наводить в фазах обмотки третьи гармоники э.д.с.

Наиболее резко третьи гармоники будут проявляться в кривых фазных э.д.с. трехфазной группы и трехфазного броневого трансформатора. Здесь магнитное сопротивление для третьей гармоники потока мало, так как она проходит по стальному, сердечнику, как и первая гармоника; поэтому она может достичь относительно больших значений: при обычных насыщениях сердечником указанных трансформаторов амплитуда третьей гармоники фазной э.д.с. достигает 40—50% амплитуды первой гармоники той же э.д.с. В трехфазном стержневом трансформаторе при соединении обмотокY/Y в кривых фазных э.д.с. также будут иметь место третьи гармоники. Однако здесь вследствие большого магнитного сопротивления для третьих гармоник потоков фаз они относительно малы: их амплитуда обычно не превышает 5—7% амплитуды первой гармоники фазной э.д.с. Увеличение магнитного сопротивления для третьих гармоник фазных потоков объясняется тем, что они в любой момент времени будут направлены по стержням трансформатора или вверх, или вниз и не могут, следовательно, замыкаться по стальному сердечнику, а принуждены часть пути проходить по воздуху или маслу, как показано на рис. 2-44.

36. Распределение нагрузок S1 и S2 между параллельно работающими трансформаторами подчинено уравнению

S1 / S2 = (S1ном / S2ном) х (Uк2_* / Uк1_*),

где S1ном, S2ном - номинальные мощности, Uк1_*, Uк2_* - напряжение короткого замыкания трансформаторов, включаемых на параллельную работу. Некоторое перераспределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с различными напряжениями короткого замыкания осуществляют изменением их коэффициентов трансформации путем переключения ответвлений первичных обмоток. Переключение необходимо выполнять так, чтобы у недогруженных трансформаторов вторичное напряжение при холостом ходе было выше, чем у трансформаторов, работающих с перегрузкой. В виде исключения допустима параллельная работа трансформаторов с разными коэффициентами трансформации и неодинаковыми напряжениями короткого замыкания при непременном условии, чтобы ни один из трансформаторов не был перегружен сверх установленных норм. Если трансформаторы имеют разные коэффициенты трансформации, то величина ЭДС может быть приближенно вычислена по выражению.

Примем для определенности , тогда ЭДСбудет находиться в противофазе с напряжением. Примодуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, составит,а его фаза будет определяться аргументами комплексных сопротивленийи. Появление уравнительного тока приведет к уменьшению нагрузки первого трансформатора и ее увеличению у второго (рис. 32). Для того, чтобы не вызвать серьезного нарушения параллельной работы трансформаторов, различие в коэффициентах трансформации не должно превышать 0,5%. При равенстве коэффициентов трансформации, и ток нагрузки будет распределяться обратно пропорционально сопротивлениям:.

37. . Падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния в первичной обмотке I₀x₁ мало по сравнению с I₀x_m, и им обычно пренебрегают. На основании сказанного можно счи-тать:

. То есть при увеличении U1 увеличивается, z0 и следовательно увеличивается Xm

38. потери короткого замыкания . Электрические потери определяются с помощью опыта короткого замыкания. Для этого к первичной обмотке трансформатора подводят пониженное напряжение. Величина этого напряжения выбирается исходя из того что. При коротком замыкании во вторичной обмотке, в первичной протекал ток номинального значения, для данного трансформатора. Следовательно, токи не превысят номинальные и повреждение трансформатора при этом не произойдет.

Объяснить зависимость мощности короткого замыкания от напряжения

Опыт короткого замыкания. По данным, полученным в опыте короткого замыкания и сведенным в табл. 1.2, строят характеристики короткого замыкания

Характеристики короткого за-мыкания показаны на рис. 1.6. При весьма слабом насыщении магнит-ной цепи трансформатора, что имеет место при опыте короткого за- мыкания, зависимости ив пределах от нуля до номинального значения тока прямолинейны. Значениеопределяется по формуле

Потери в трансформаторе в опыте короткого замыкания состоят из электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в стальном сердечнике. Поскольку при коротком замыкании потери в стали малы и ими можно пренебречь, мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, с достаточной точностью может быть принята равной сумме электрических потерь обмоток:

39. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется ток холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации n. Ток холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника Рст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания uк%, его активная uа% и реактивная uх% составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора Ро6м при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании RK, XK иZK. Потери в обмотках измеряются ваттметром.

Определение холостого хода трансформатора

Трансформаторы представляют собой сложное оборудование, которое предназначено для изменения параметров тока в цепи. Они могут повышать или понижать напряжение электричества в соответствии с требованиями потребителей.

В оборудовании при работе определяются некоторые потери мощности. Поэтому не вся электроэнергия, которая поступила на первичную обмотку, доходит к потребителю. При этом греется трансформатор (магнитопривод, обмотки и прочие детали). В различных конструкциях этот показатель неодинаков.

Холостой ход трансформатора позволяет определить токовые потери. Эта методика применяется в сочетании с определением напряжения в режиме короткого замыкания трансформатора. Этот процесс называется опытом агрегата. Он выполняется по определенной схеме.

Общее устройство и виды

Чтобы понять, что такое опыт холостого хода различных трансформаторов, необходимо рассмотреть, что собой представляет подобное оборудование.

Основные типы

Трансформаторами называются машины неподвижного типа, которые работают благодаря электрическому току. Они меняют входное напряжение. Существует несколько видов подобных аппаратов:

Силовые.
Измерительные.
Разделительные.
Согласующие.

Чаще всего в энергетическую цепь требуется подключение силового трансформатора. Они могут иметь две или более обмоток. Аппарат может быть однофазный (бытовая сеть) или многофазный (промышленная сеть).

Особенности установок

Отдельно выделяются автотрансформаторы. В них есть только одна совмещенная обмотка. Также бывает сварочный аппарат. Они имеют определенную сферу применения.

В однофазном и многофазном оборудовании может устанавливаться различная номинальная мощность. Она может определяться в диапазоне от 10 до 1000 кВА и более. Маломощные однофазные и многофазные приборы могут быть в диапазоне до 10 кВА. Средние разновидности будут иметь мощность 20 кВА, 250 кВА, 400 кВА, 630 кВА и т. д. Если же этот показатель больше 1000 кВА, это установка высокой мощности.

Методология проведения опыта

Потери холостого хода трансформатора определяются при создании определенного режима. Для этого прекращается снабжение током всех обмоток. Они остаются разомкнутыми. После этого производится снабжение цепей электричеством. Оно определяется только на первом контуре. Аппаратура должна работать под напряжением, которое устанавливается при его производстве производителем.

Через первичный контур силовой, сварочной или прочей установки протекают токи, которые носят название ХХ. Их величина равняется не более 3-9% от заданного производителем показателя. При этом на обмотке вторичного контура электричество отсутствует. На первичном контуре ток производит магнитный поток. Он пересекает витки обеих обмоток. При этом возникает ЭДС самоиндукции на контуре первичном и взаимоиндукции – на обмотке вторичного типа.

Например, напряжение холостого хода сварочного трансформатора небольшой и средней мощности представляет собой ЭДС взаимоиндукции.

Подход к проведению измерений

Замер потерь холостого хода может производиться в двух аспектах. Их называют потерями в стали и меди. Второй показатель говорит о рассеивании тепла в обмотках (они начинают греться). В процессе проведения опыта этот показатель очень мал. Поэтому им пренебрегают.

Данные о потере тока холостого хода трансформатора представляются в виде таблицы. В ней рассчитаны параметры для стали определенных сортов и толщины. Ток холостого хода трансформатора рассматривается в аспекте мощности, которая создается в магнитом потоке и именуется потерей в стали. Она затрачивается на нагрев листов из специального сплава. Они изолируются друг от друга лаковым покрытием. При создании таких магнитоприводов не используется метод сварки.

Суть измерения

Если по какой-то причине нарушается изоляционный слой между пластинами магнитопривода, между ними возрастают вихревые токи. При этом система начинает нагреваться. Лаковый слой постепенно разрушается. Потери при работе установки возрастают, его эксплуатационные характеристики ухудшаются.

В таком случае потери мощности в стали увеличиваются. При проведении расчетов этих характеристик в режиме холостого хода можно выявить возникшие нарушения в работе агрегата. Именно по этой причине производится соответствующий расчет.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки применяется такое понятие, как коэффициент трансформации. Его формула представлена далее:

Отсюда следует, что напряжение на вторичном контуре будет определяться соотношением количества витков. Чтобы иметь возможность регулировать выходное электричество, в конструкцию установки вмонтирован специальный прибор. Он переключает число витков на первичном контуре. Это анцапфа.

Для проведения опыта на холостом ходу регулятор ставится в среднее положение. При этом измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для проведения представленного опыта, при использовании понижающего или повышающего бытового агрегата, в расчет берется представленный коэффициент. При этом используют два вольтметра. Первый прибор подключается к первичной обмотке. Соответственно второй вольтметр подсоединяется к вторичному контуру.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе проведения опыта исследуются показатели на всех контурах. При этом потребуется применять сразу 6 вольтметров. Можно использовать один прибор, который будет подключаться поочередно ко всем точкам измерения.

Если установленное производителем значение на первичной обмотке превышает 6 кВ, на нее подают ток 380 В. При измерении в высоковольтном режиме нельзя определить показатели с требуемым классом точности. Поэтому замер производят в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

В процессе проведения измерения анцапфу перемещают во все установленные производителем положения. При этом замеряют коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие в витках замыкания.

Если показания по фазам будут иметь разброс при замерах больше, чем 2%, а также их снижение в сравнении с предыдущими данными, это говорит об отклонениях в работе агрегата. В первом случае в системе определяется короткое замыкание, а во втором – нарушение изоляции обмоток. Агрегат не может при этом работать правильно.

Такие факты требуют подтверждения. Например, это может быть измерение сопротивления. Влиять на увеличение разброса показателей коэффициента могут возрастание сопротивления между контактами анцапфы. При частом переключении возникает такая ситуация.

Измерение тока

При опытном измерении тока холостого хода мастер применяет амперметры. Их необходимо подсоединять к первичной обмотке последовательно. Напряжение в контуре должно равняться номинальному значению.

Если проводится исследование работы трехфазного промышленного агрегата, замер выполняет для всех фаз одновременно или последовательно. При этом испытания производятся только для установок от 1000 кВА.

Измерение потерь

Потери в магнитоприводе замеряют исключительно при использовании мощной установки. При этом можно брать для расчетов пониженное напряжение, которое подключено к первичному контуру через ваттметр. Это прямой метод измерения.

При учете показателей вольтметра или амперметра потребуется умножить их мощности друг на друга. Это косвенный метод. При этом результат имеет определенную погрешность. Искажение происходит из-за невозможности учесть при таком расчете коэффициент мощности. Это конус угла, который образуется в векторной схеме между напряжением и током. В режиме холостого хода между ними появляется угол 90º.

Применение ваттметра

Ваттметр позволяет произвести замер с учетом коэффициента мощности. Это дает возможность получить более точный результат. Расчет выполняется по следующей формуле:

Далее необходимо создать на основе полученного результата векторную диаграмму. По каждой фазе учитываются установленные потери. Для этого чаще всего строится таблица. При этом используется схема, которая изначально применялась производителем при создании оборудования.

Полученный результат не подлежит сравнению с нормативами. Показатели сравнивают только с характеристиками предыдущих проверок. Если потери с течением времени только возрастают, это говорит о нарушении изоляции пластин магнитопривода или появлении иных нарушений. Обратить этот процесс невозможно.

Проведение замеров холостого хода позволяет оценить состояние аппаратуры, а также определить потребность в необходимости планового или аварийного ремонта. Поэтому регулярные испытания позволяют правильно спланировать работу установки, предотвратить ее непредвиденное отключение.

Что такое холостой ход трансформаторов, формулы и схемы

Вопрос-ответ

Трансформатор электрического тока является устройством преобразования энергии. Ток холостого хода трансформатора характеризует потери при отсутствии подключенной нагрузки. Величина данного параметра зависит от нескольких факторов:

Конструктивного исполнения.
Материала сердечника.
Качества намотки.

При изготовлении преобразователей стремятся к максимально возможному снижению потерь холостого хода с целью повышения КПД, снижения нагрева, а также уменьшения паразитного поля магнитного рассеивания.

Содержание

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
Обмотки.

Обмотки могут быть намотаны на жестком каркасе или иметь бескаркасное исполнение. В качестве сердечников трансформаторов напряжения промышленной частоты используется специальным образом обработанная сталь. В некоторых случаях встречаются устройства без сердечника, но они используются только в области высокочастотной схемотехники и в рамках данной темы рассматриваться не будут.

Принцип действия рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
Магнитное поле сердечника, в силу электромагнитной индукции, создает во всех обмотках ЭДС индукции.

ЭДС индукции создается, в том числе, в первичной обмотке. Ее направление противоположно подключенному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются и ток через обмотку при отсутствии нагрузки равен нулю. Соответственно, потребляемая мощность при отсутствии нагрузки равна нулю.

Понятие холостого хода

Приведенные выше рассуждения справедливы для идеального трансформатора. Реальные конструкции обладают следующими потерями (недостатками) на:

намагничивание сердечника;
магнитное поле рассеивания сердечника;
электромагнитное рассеивание обмотки;
междувитковую емкость проводов обмотки.

В результате, в реальных конструкциях трансформатора наводимая ЭДС индукции отличается от номинального напряжения первичной обмотки и не в состоянии его полностью скомпенсировать. В обмотке возникает некоторый ток холостого хода. При подключении нагрузки данное значение суммируется с номинальным током и характеризует общие потери в электрической цепи.

Потери снижают общий КПД трансформатора, в результате чего растет потребление мощности.

Меры по снижению тока холостого хода

Основным источником возникновения тока холостого хода является конструкция магнитопровода. В ферромагнитном материале, помещенном в переменное электрическое поле, наводятся вихревые токи электромагнитной индукции – токи Фуко, которые нагревают материал сердечника.

Для снижения вихревых потерь материал сердечника изготавливают из тонких пластин, отделенных друг от друга изолирующим слоем, которую выполняет оксидная пленка на поверхности. Сам материал производится по специальной технологии, с целью улучшения магнитных свойств (увеличения значения магнитного насыщения, магнитной проницаемости, снижения потерь на гистерезис).

Обратная сторона использования большого количества пластин состоит в том, что в местах стыков происходит разрыв магнитного потока, в результате чего возникает поле рассеивания. Поэтому для наборных сердечников важна тщательная подгонка отдельных пластин друг к другу. В ленточных разрезных магнитопроводах отдельные части подгоняются друг к другу при помощи шлифовки, поэтому при сборке конструкции нельзя менять местами части сердечника.

От указанных недостатков свободны О-образные магнитопроводы. Магнитное поле рассеивания у них стремится к нулю.

Поле рассеивания обмотки и междувитковую емкость снижают путем изменения конструкции обмоток и пространственного размещения их частей относительно друг друга.

Снижение потерь также достигается при возможно более полном заполнении свободного окна сердечника. При этом масса и габариты устройства стремятся к оптимальным показателям.

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

амперметры для измерения тока в каждой фазе;
вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

Нагрев проводов обмоток.
Нагрев сердечника.
Снижение КПД.
Появление магнитного поля рассеивания.

Схема замещения в режиме трансформатора

Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.

Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:

для первичной обмотки комплексное сопротивление включается последовательно в цепь;
для вторичной обмотки параллельно нагрузке.

Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимоиндукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструктивного исполнения.

Важную роль играет коэффициент заполнения окна магнитопровода, который показывает отношение общего пространства, к месту, занятому обмоткой.

Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше будет взаимоиндукция обмоток и меньше потери в трансформаторе.

Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ

Измеряя ток, напряжение и мощность трансформатора в опыте холостого хода, можно рассчитать следующие дополнительные данные:

активное сопротивление первичной цепи r₁=P_хх/U 2 ;
полное сопротивление первичной цепи z₁=U/I_хх;
индуктивное сопротивлении е x₁=√(z 2 -r 2 ).

Найти ток холостого хода без применения амперметра можно по показаниям вольтметра и ваттметра:

Понятие потерь холостого хода трансформатора и как их определить, формулы и таблицы

Вопрос-ответ Содержание

Понятие холостого хода трансформатора

Когда у трансформатора наблюдается выделенное питание одной обмотки, а другие пребывают в разомкнутом состоянии. Этот процесс приводит к утечке энергии, что и называют потерями холостого хода. Его развитие происходит под влиянием ряда внешних и внутренних факторов.

Мощность трансформатора не используется в полной мере, а часть энергии утрачается по причине некоторых магнитных процессов, особенностями первичной обмотки и изоляционного слоя. Последний вариант влияет при использовании приборов, функционирующих на повышенной частоте.

Какие факторы влияют на потери

Современные трансформаторы в условиях полной нагрузки достигают 99% КПД. Но устройства продолжают совершенствовать, пытаясь снизить утрату энергии, которая практически равны сумме потерь холостого хода, возникающих под влиянием разнообразных факторов.

Изоляция

Если на стягивающих шпильках установлена плохая изоляция или ее недостаточно, возникает замкнутый накоротко контур. Это один из главных факторов данной проблемы трансформатора. Поэтому процессу изоляции следует уделять больше внимания, используя для этих целей качественные специализированные материалы.

Вихревые токи

Развитие вихревых токов связано с течением магнитного потока по магнитопроводу. Их особенность в перпендикулярном направлении по отношению к потоку. Чтобы их уменьшить, магнитопровод делают из отдельных элементов, предварительно изолированных. От толщины листа и зависит вероятность появления вихревых токов, чем она меньше, тем ниже риск их развития, приводящего к меньшим потерям мощности.

Чтобы уменьшить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали, в материал добавляют различные виды присадок.

Они улучшают свойства материала и позволяют снизить риск развития неблагоприятных процессов, плохо отражающихся на работе устройства.

Гистерезис

Как и переменный ток, магнитный поток также меняет свое направление. Это говорит о поочередном намагничивании и перемагничивании стали. Когда ток меняется от максимума до нуля, происходит размагничивание стали и уменьшение магнитной индукции, но с определенным опозданием.

При перемене направления тока кривая намагничивания формирует петлю гистерезиса. Она отличается в разных сортах стали и зависит от того, какие максимальные показатели магнитной индукции материал может выдержать. Петля охватывает мощность, которая постепенно перерасходуется на процесс намагничивания. При этом происходит нагревание стали, энергия, проводимая по трансформатору, превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду, то есть, она тратится зря, не принося никакой пользы всем пользователям.

Характеристики электротехнической стали

Для трансформаторов используют преимущественно холоднокатаную сталь. Но показатель потерь в ней зависит от того, насколько качественно собрали устройство, соблюдались ли все правила в ходе производственного процесса.

Для уменьшения потерь можно также немного добавить сечения проводам на обмотке. Но это не выгодно с финансовой точки зрения, ведь придется использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размер обмоточных проводов меняют редко. Пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.

Перегрев

В процессе работы трансформатора его элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не способно нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее прибор перестанет выполнять свои прямые функции и понадобится капитальный ремонт и замена определенных деталей.

В первичной обмотке

Если электрический ток по проводнику замыкается, то высокая вероятность утечки электрической энергии. Размер потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузок, возлагаемых на прибор.

Как определить потери

Этот процесс можно измерить, воспользовавшись мощной установкой. Формула включает такие действия: необходимо умножить показатели их мощности друг на друга. При использовании этого способа необходимо учитывать наличие определенных погрешностей. Искажение связано с тем, что коэффициент мощности учесть точно нельзя. Этот показатель называют конус игла. Он достаточно важен для работы устройства.

Таблица потерь силовых трансформаторов по справочным данным в зависимости от номинала

Чаще всего проблема утечки электроэнергии связана с движением вихревых токов и перемагничиванием. Под влиянием этих факторов нагревается магнитопровод, который обуславливает основную часть потерь холостого хода независимо от тока нагрузки. Развитие этого процесса происходит независимо от того, в каком режиме функционирует устройство.

Постепенно, под влиянием определенных факторов могут меняться эти показатели в сторону значительного увеличения.

Таблица потерь ХХ

Мощность кВа	Напряжение ВН/НН, кВ	Потери холостого хода Вт
250	10/0,4	730
315	10/0,4	360
400	10/0,4	1000
500	10/0,4	1150
630	10/0,4	1400
800	10/0,4	1800
1000	10/0,4	1950

Проверка устройства в режиме ХХ

Для этого выполняют такие действия:

С использованием вольтметра проверяют напряжение, подающееся на катушку.
Другим вольтметром исследуют напряжение на остальных выводах. Важно использовать устройство с достаточным сопротивлением, чтобы показатели были требуемого значения.
Выполняют присоединение амперметра к цепи первичной обмотки. С его помощью можно добиться определения силы тока холостого хода. Также прибегают к применению ваттметра, с помощью которого стараются выполнить измерение уровня мощности.

После получения показаний всех приборов выполняют расчеты, которые помогут в вычислении. Чтобы получить нужные данные, необходимо показатели первой обмотки разделить на вторую. С применением данных опыта ХХ с результатами короткозамкнутого режима определяют, насколько полно устройство выполняет свои действия.

Особенности режима ХХ в трехфазном трансформаторе

На функционирование трехфазного трансформатора в таком режиме влияют отличия в подключении обмоток: первичная катушка в виде треугольника и вторичная в форме звезды. Ток способствует созданию собственного потока.

Трехфазный ток в виде группы однофазных имеет такие особенности: замыкание ТГС магнитного потока происходит в каждой фазе за счет сердечника. Если напряжение будет постепенно увеличиваться, то в изоляции возникнет пробой и электроустановка рано или поздно выйдет из строя.

Если в трансформаторе используется бронестержневая магнитная система, то в нем можно наблюдать развитие похожих процессов.

Примеры определения потерь ХХ на реальных моделях

Чтобы определить показатель потерь в течение года на трансформаторе типа ТНД мощностью в 16МВА, необходимо воспользоваться эмпирической формулой:

n – сколько электротехнических устройств используется;
β – коэффициент загрузки трансформатора, представляющий собой отношение расчетной мощности к номинальной (β = Sp/Sн).

Вывод

Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.

Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.

Читайте также: