Какие бывают режимы работы трансформатора

30.11.2021

Трансформаторы за время эксплуатации работают в разных режимах. Но не все они одинаково сказываются на сроке службы электромагнитного оборудования. Режимы работы силового трансформатора зависят от его нагрузки, напряжения обмоток, температуры масла и обмоток, условий окружающей среды и других параметров.

Режимы работы трансформатора:

• нормальный;
• перегрузочный;
• аварийный.

Нормальные режимы работы трансформатора

К ним относятся номинальный, оптимальный, режим холостого хода и режим параллельной работы.

Номинальный и оптимальный режим

Еще эти режимы трансформатора называют рабочими. Потому что при них напряжение и ток близки к номинальным (на которые рассчитано оборудование) условиям.

Номинальный режим – это когда ток и напряжение на первичной обмотке соответствуют номинальным показателям. Но на деле трансформатор редко работает в таких условиях. Потому что в сети происходят постоянные колебания нагрузки. При таком режиме трансформатор работает исправно. Но коэффициент полезного действия (КПД) оборудования не достигает максимума.

Оптимальный режим – это режим, при котором трансформатор имеет максимальный КПД. Как правило, максимальные КПД трансформатор показывает под нагрузкой 50-70% от номинальной. Современные силовые трансформаторы работают с КПД 90% и выше.

На деле большинство трансформаторов не работают в одном и том же режиме. Потому что нагрузка в сети непостоянная. 

Холостой режим трансформатора

При режиме холостого хода на первичную обмотку трансформатора поступает напряжение, а вторичная обмотка не подключена к сети потребителя электроэнергии. В таком режиме КПД равен 0.

На холостом ходу силового трансформатора определяют коэффициент трансформации, мощность потерь в металле и параметры намагничивающей ветви схемы замещения. Для таких измерений на первичную обмотку трансформатора пускают электрический ток номинального напряжения.

А для трансформатора напряжения режим холостого хода является рабочим.

Режим параллельной работы

Два трансформатора устанавливаются в сетях, питающих энергией потребителей первой и второй категории. Важно подключить трансформаторы так, чтобы ни один из них не испытывал перегрузки.

Для этого у трансформаторов:

• должны быть одни и те же группы соединений обмоток;
• коэффициенты трансформации не должны отличаться больше, чем на 0,5 %;
• номинальные мощности должны соотноситься не более, чем один к трем;
• напряжения короткого замыкания должны различаться не более, чем на 10 %;
• должна выполняться фазировка трансформаторов.

Перегрузочный режим

Трансформатор испытывает перегрузки при воздействии нагрузок и температур выше допустимой нормы. Для каждой модели эти показатели свои. Производители силовых трансформаторов предусматривают возможность работы оборудования в условиях перегрузки. Но если устройство испытывает их продолжительное время или регулярно – это уменьшает срок службы оборудования. Допустимые перегрузки описаны в стандартах. Например, для масляных трансформаторов разработан ГОСТ 14209-97.   

Аварийный режим

Трансформатор находится в аварийном режиме, если на него воздействует электрический ток, который сильно превосходит номинальные величины. Дальше давать работать оборудованию нельзя. Как правило, в трансформаторах существуют автоматические выключатели. Они отключают питание оборудования.

Признаки аварийного режима:

• громкий и неритмичный шум и треск в баке трансформатора;
• повышение температуры рабочей части трансформатора;
• утечка трансформаторного масла.

Часто аварийный режим возникает из-за короткого замыкания во вторичной обмотке. Исключение – трансформаторы тока и сварочные трансформаторы. Для них режим короткого замыкания является рабочим.

Напряжение во время короткого замыкания (КЗ) – это еще и важный показатель, который влияет на эксплуатацию трансформатора. Его измеряют в процентах. Для трансформаторов со средним показателем мощности напряжение КЗ составляет 5-7%, а для более мощных – 6-12 %.

Важно не допускать работы трансформатора в аварийном режиме вообще и ограничивать его перегрузки. В этом случае оборудование прослужит вам заявленный производителем срок.

Приемлемые технические характеристики трансформаторов позволяют агрегатам работать в разных состояниях. Так, новое оборудование, только что введенное эксплуатацию, проходит тестовый режим. Если необходимо, то и под присмотром специалистов. Иногда первичный этап работы называют введением в работу оборудования. В вот как только первый этап будет успешно завершен, стартует следующий и самый важный – номинальный режим, когда трансформаторы тока и их характеристики работают на результат, согласно инструкции и техническим параметрам. При сбоях в системе могут проявиться аномальные режимы работы силового оборудования, и к таким состояниям относят холостой ход, короткое замыкание, которое провоцирует поломки и остановку в сети, а также перенапряжение, способное нарушить работу слаженного механизма электрической магистрали.

«Номинальный» — это обычный, стандартный, типичный, плановый режим, при котором эксплуатируется трансформатор, выполняя возложенный на него разработчиками и изготовителям функционал. В стандартном режиме в обмотках агрегата ток соответствует расчетным, то есть номинальным значениям. Само же силовое оборудование потребляет предлагаемые нагрузки и преобразовывает получаемые мощности на тот срок, пока ресурсы трансформатора, его характеристики позволяют находиться в рамках номинального режима работы.

Холостой ход – это признак отклонения от нормы. В этом случае характеристика сварочного трансформатора не будет воплощаться в полной мере, функционируя на холостом ходу. А что же это значит? Происходит спад потенциала, когда на сам агрегат подается заданное напряжение от внешнего источника, а вот на этапе вывода второй или выходной катушки нагрузка не срабатывает, как бы «исчезает или гаснет». А это значит, что основной причиной холостого хода является – разомкнутая цепь, при которой характеристики трансформатора не срабатывают в полной мере, минимизируется рабочий потенциал, так как протекание тока во вторичной обмотке не происходит, как это положено по регламенту. Холостой ход опасен и тем, что трансформатор уже не способен потреблять и преобразовывать подаваемую извне мощность.

Даже школьники знают, что короткое замыкание не сулит ничего хорошего. Но почему же оно происходит? Короткое замыкание происходит в момент, когда нагрузка, подаваемая в трансформатор, получается закороченной, но при этом на нее продолжает действовать вся положенная мощность питания источника напряжения. Бесспорно, короткое замыкание – это самый опасный режим работы трансформатора, который предсказать невозможно, а значит, предотвратить или проконтролировать. Остается лишь быть бдительным и пытаться предвидеть опасные скачки напряжения в сети или же воспользоваться протекторными элементами для магистрали, которые отслеживают возможные скачки тока, и при возрастающей нагрузке практически мгновенно отключают автоматически оборудование. И это хорошо, так как при коротком замыкании идет такой огромный тепловой выброс, что он даже способен сжечь провода или окончательно привести в негодность все оборудование. Без капитального ремонта не обойтись.

При соблюдении технических характеристик трансформаторов ТМ, у каждого стандартного оборудования обмотки покрыты специальным слоем изоляции, чтобы агрегат выдерживал определенный уровень напряжения. Но в сети возможны скачки напряжения, что не очень хорошо, так как появляются предпосылки к перенапряжению, проявляется негативное воздействие атмосферных явлений на энергосистему.

Для справки уточним, что в паспорте трансформатора разработчиками указана допустимая величина напряжения, при которой характеристики трансформатора ТМ достойно и надлежаще проявляют себя в работе. При норме напряжения система изоляции обмоток справляется с нагрузками, даже если появляются кратковременные перенапряжения в сети, это, оказывается, не так критично.

Так же, как и от короткого замыкания, в магнитной сфере трансформатора продуманы средства защиты, которые при появлении предвестников аварийной ситуации срабатывают, отключая питание или же уменьшая количество подаваемых импульсов разрядов.

Согласно законам физики, чтобы произошло образование магнитного поля, и в системе появился электрический ток, следует учитывать ряд факторов, которые обязательно должны быть воплощены. Во-первых, магнитные потоки и электрический ток может образовываться и успешно протекать в тех случаях, если технически создана замкнутая силовая цепь. Во-вторых, в созданной системе должно присутствовали либо магнитное, либо электрическое сопротивление. А еще должен присутствовать внешний импульс, тот самый внешний источник напряжения положенной для созданной цепи энергии. Как дополнение, отметим, что показатели индуктивного сопротивления очень важны для создания условий нормальной работоспособности трансформатора.

Кажется, что может быть сложного при отключении силового оборудования. Но не спешите с ответом, когда дело касается трансформатора ТП и его характеристик. Все дело в том, что при стихийном отключении агрегата, внутри, на обмотках, может сохраняться напряжение, заведомо нанося вред оборудованию. А далее последствия очевидны. Во-первых, обслуживающий персонал может быть подвергнут опасности. Во-вторых, наличие напряжения внутри может привести к случайному воздействию снарядов тока.

Думаем, что никто не хочет иметь проблем с техническим состоянием трансформатора ЯТП и его характеристиками. Ввиду этого советуем первоначально снять напряжение с первичной обмотки, отключив источник электроэнергии. Таким образом, возникнет возможность исключить дальше прохождение электрического тока.

• трансформаторы различаются уровнем напряжения. И виды отличаются високо-, низковольтным и высоко потенциальным напряжение. Вся информация указана в сопроводительных документах.
• трансформаторы имеют разницу в способах преобразования энергии. И агрегаты бывают повышающими и понижающими.
• трансформаторы характеризуются еще количеством фаз. И бывает оборудование одно- или трехфазное.
• трансформаторы оборудованы разным числом обмоток и формой магнитопроводов, которые бывают стержневыми, броневыми или тороидальными.

Таким образом, характеристики трансформаторов считаются стандартными и понятными специалистам. Используются трансформаторы всегда по назначению и отрабатывают положенный срок, если соблюдены условия их эксплуатации. Бывают сбои в программе агрегатов, но если идут перепады напряжения в сети или же нарушаются правила эксплуатации. Проблем можно избежать, если наладить бесперебойную работу и активировать систему защиты самого агрегата, пусть он лучше автоматически отключится, чем проявит свой характер короткое замыкание.

Скачать материал

Скачать материал

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов  и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике  с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго. Подробней об этом — ниже в статье

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

1. Рабочий режим;
2. Номинальный режим;
3. Оптимальный режим;
4. Режим холостого хода;
5. Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

• Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему (dot{u}_1 ≈ dot{u}_{1ном});
• Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему (dot{i}_1 ≤ dot{i}_1ном).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

• Напряжение первичной обмотки равно номинальному (dot{u}_1 = dot{u}_{1ном});
• Ток первичной обмотки равен номинальному (dot{i}_1 = dot{i}_{1ном}).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

begin{equation}
k_{нг} = sqrt{P_{хх}over P_{кз}}
end{equation}

Где (P_{хх}) — потери холостого хода;
    (P_{кз}) — потери короткого замыкания;
    (k_{нг}) — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

begin{equation}
k_{нг} = {I_2over I_{2ном}}
end{equation}

Где (P_2) — ток нагрузки вторичной обмотки;
    (P_{2ном}) — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри «Трансформаторы. Оптимальный режим работы»).

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

• Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки¹ трансформатора;
• К первичной обмотке приложено напряжение (dot{u}_{1хх} = dot{u}_{1ном});
• Ток вторичной обмотки (dot{i}_2 ≈ 0) (для трехфазного трансформатора — (dot{i}_{2ф} ≈ dot{i}_{2л} ≈ 0).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 — трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока (i_х), мощности (ΔQ_хх) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри «Опыт холостого хода трансформатора»).

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

• Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
• К первичной обмотке приложена такая величина напряжения (dot{u}_1), что ток первичной обмотки равен её номинальному току (dot{i}_1 = dot{i}_{1ном})
• Напряжение вторичной обмотки (dot{u}_2 = 0) (для трехфазного трансформатора — (dot{u}_{2ф} = dot{u}_{2л} = 0).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 — для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения (u_к), мощности (ΔP_кз) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри «Опыт короткого замыкания трансформатора»).

Список использованных источников

1. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник / Л.А. Бессонов — Москва: Высшая школа, 1996 — 623 с.
2. Вольдек, А.И. Электрические машины: учебник для студентов вузов / А.И. Вольдек — СПб.: Энергия, 1978 — 832 с.
3. Касаткин А.С. Электротехника: учебное пособие для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов — Москва: Энергоатомиздат, 1995 — 240 с.