Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом трансформатора

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

1. Конструктивного исполнения.
2. Материала сердечника.
3. 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.

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
2. 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:

1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
2. Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
3. 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:

n=U₁/U₂

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:

1. Нагрев проводов обмоток.
2. Нагрев сердечника.
3. Снижение КПД.
4. 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/U²;
• полное сопротивление первичной цепи z₁=U/I_хх;
• индуктивное сопротивлении е x₁=√(z²-r²).

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

I_хх=P_хх/U.

Работа трансформатора в режиме холостого хода и нагрузки.

План:

·        
Работа трансформатора в режиме холостого хода.

·        
Опыты холостого хода и
короткого замыкания трансформаторов.

·        
Работа трансформатора в режиме
нагрузки.

Работа
трансформатора в режиме холостого хода.

Холостым ходом трансформатора
называется такой режим работы трансформатора, при котором к вторичной обмотке
потребитель не подключается, цепь вторичной обмотки разомкнута и поэтому ток во
вторичной обмотке равен нулю.

В режиме холостого хода первичная
обмотка трансформатора, включена к источнику электрической энергии (как
правило, к электрической сети промышленной частоты), поэтому электрическая цепь
первичной обмотки замкнута и по виткам обмотки проходит переменный ток
холостого хода. Переменный ток в витках первичной обмотки создает
магнитодвижущую силу, которая в свою очередь возбуждает в магнитопроводе
трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток связан с
магнитодвижущей силой обмотки законом Ома для магнитной цепи. Переменный магнитный
поток в магнитопроводе трансформатора сцепленный как со всеми витками
первичной, так и со всеми витками вторичной обмотки и поэтому, согласно закону
электромагнитной индукции, наводит в обоих обмотках переменную электродвижущую
силу.

В первичной обмотке трансформатора
напряжение сети, приложенное к обмотке, почти полностью компенсируется
приведенной магнитным полем электродвижущей силой. Таким образом, амплитуда
суммарной электродвижущей силы, которая действует в цепи, составляет несколько
процентов от приложенного напряжения.

Именно компенсацией приложенного
напряжения объясняется тот факт, что трансформатор способен для работы только в
цепях переменный тока.

Трансформатор нельзя  включать под
постоянное напряжение потому, что
магнитное поле, создаваемое постоянным током, не изменяется со временем и
поэтому не наводит в первичной обмотке электродвижущую силу. В таком случае
напряжение сети, не скомпенсировано электродвижущей силой, приложенной к
обмотке с маленьким сопротивлением, поэтому ток в обмотке в десятки и сотни,
раз превышает номинальный ток. Вследствие этого в обмотке выделяется большое
количество теплоты. Температура обмотки на протяжении нескольких секунд быстро повышается,
и трансформатор выходит из строя. Во вторичной обмотке, с витками которой
сцепленный магнитный поток, наводится электродвижущая сила, как и в первичной
обмотке. Переменный ток создает магнитодвижущую силу в первичной и вторичной
обмотках трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной
обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего
на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки
направленная таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу
первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует
в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной
из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием
суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не
зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется
амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода. Независимость амплитуды
магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является
важной характеристикой трансформатора и объясняет много особенностей его
работы. Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в
режиме холостого хода, сцеплен с всеми витками первичной и вторичной обмоток,
наводит в них электродвижущую силу. Электродвижущая сила, наведенная переменным
магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в
режиме холостого хода, приложенную к обмотке напряжение сети. Тем самым
достигается ограничения амплитуды тока первичной обмотки к значениям, которые
не превышают номинальных. Итак, первичная обмотка относительно электрической
сети выступает как потребитель электрической энергии. Переменный магнитный
поток наводит также электродвижущую силу и в вторичной обмотке. Амплитуда
приведенной электродвижущей силы прямо пропорциональная количеству витков
вторичной обмотки. Отношения амплитуды ЕДС первичной обмотки Е₁ к амплитуде
ЕДС Е₂ вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации Іг =
Е₁/Е₂. Коэффициент трансформации равняется отношению
количества витков первичной обмотки к количеству витков, вторичной обмотки:

Итак, трансформатор передает энергию от
сети к потребителю с помощью магнитного поля. Поскольку в режиме холостого хода
потребитель к вторичной обмотке не присоединен, то электрическая цепь обмотки
остается незамкнутой и ток во вторичной обмотке равняется нулю.

Опыты холостого
хода и короткого замыкания трансформаторов.

Опыт холостого хода проводят в следующем порядке: первичную обмотку
включают в сеть на номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют
разомкнутой. При этом ток в первичной обмотке I₁ = Iо; — ток во
вторичной обмотке I₂ = 0 (рис. 3.1.а). Амперметр А в первичной цепи
дает возможность определить ток холостого хода Iо который принято измерять в %
от номинального тока I_1ном у в первичной обмотке:

Рис 3.1. Схема включения
однофазных трансформаторов при опытах холостого хода (а) и короткого замыкания
(б)

В трансформаторах большой и средней
мощности i_о = 2—10 %, а в трансформаторах малой мощности (менее 300
В • А) он может достигать 40 % и более. Ток холостого хода Iо наряду с
реактивной составляющей Iор наводящей в магнитопроводе основной магнитный
поток, имеет активную составляющую Iоа; которая обусловлена магнитными потерями
в магнитопроводе трансформатора. Изготовление магнитопроводов из качественных
электротехнических сталей с небольшими удельными магнитными потерями
способствует уменьшению активной составляющей тока холостого хода до значения,
не превышающего 10%, т.е. до значения Iоа = 0,1Iо. Результирующий ток холостого
хода. А:

Если ток холостого хода I₀,
полученный опытным путем, намного превышает значение, указанное в каталоге на
исследуемый типоразмер трансформатора, то это свидетельствует о неисправности
трансформатора: наличии короткозамкнутых витков в обмотках либо нарушении
электрической изоляции между некоторыми пластинами (полосами) магнитопроврда.

При опыте холостого хода U₂₀
= E₂ и U₁ — E₁, поэтому, используя показания
вольтметров v1 и V2 можно с
достаточной точностью определить коэффициент трансформации k =U₁/U₂.

Ваттметром W в первичной цепи
трансформатора измеряют мощность P₀, потребляемую трансформатором в
режиме холостого хода. В трансформаторах номинальной мощностью более 200 — 300
В • А в режиме холостого хода электрические потери в первичной обмотке Ро
составляют незначительную величину относительно мощности холостого хода Р₀.
Поэтому для этих трансформаторов принято считать мощность холостого хода равной
мощности магнитных потерь, т. е. Р₀ = P_M.

Коэффициент мощности трансформатора при
опыте холостого хода

Опыт короткого замыкания выполняют следующим образом. Вторичную обмотку
трансформатора замыкают накоротко (рис. 3.1., б), а к первичной обмотке
подводят пониженное напряжение короткого замыкания U_K = Uк.ном при
котором ток короткого замыкания в первичной обмотке равен номинальному
значению, т.е. I_1K = I_1ном. Напряжение короткого
замыкания принято выражать в % от номинального напряжения U_1ном:

Обычно u_k =5 — 12%.

Магнитный поток Фmах пропорционален
напряжению U1, но так как напряжение короткого замыкания не превышает 5— 12 %
от U_1ном; то для создания основного магнитного потока при опыте
короткого замыкания требуется настолько малая величина намагничивающего тока,
что ею можно пренебречь. Исходя из этого принято считать магнитные потери при
опыте короткого замыкания равными нулю, а потребляемую мощность короткого
замыкания Р_К, равной мощности электрических потерь трансформатора
при номинальной нагрузке трансформатора (Р_к = Р_э.ном).

Коэффициент мощности при опыте
короткого замыкания

Таким образом, опыты холостого хода и
короткого замыкания дают возможность экспериментально найти ряд важных
параметров трансформатора: ток холостого хода I₀, магнитные потери P_K,
напряжение короткого замыкания P_k, электрические потери в обмотках
при номинальной нагрузке P_k = P э.ном используя которые по формуле:

,

 можно определить КПД трансформатора.

Работа
трансформатора в режиме нагрузки.

В режиме нагрузки, в отличие от режима
холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора подключается потребитель
электрической энергии. Таким образом, электрическая цепь первичной и вторичной
обмоток оказываются замкнутыми и в обеих обмотках протекают переменные токи.
Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток
трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти
одинаковые. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько
процентов большая амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки
направлена таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу
первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует
в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной
из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием
суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не
зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется
амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода.

Независимость амплитуды магнитного
потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке есть важной
характеристикой трансформатора и объясняет много особенностей его работы.

Переменный магнитный поток в
магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен со всеми
витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущие силы.

Электродвижущая сила, наведенная
переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует,
как и в режиме холостого хода, приложенное к обмотке напряжение сети. Тем самым
достигается ограничения амплитуды тока первичной обмотки к значениям, которые
не превышают номинальных. Итак, первичная обмотка относительно электрической
сети выступает как потребитель электрической энергии. Переменный магнитный
поток наводит также электродвижущую силу и во вторичной обмотке. Амплитуда
наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональная количеству витков
вторичной обмотки. Отношения амплитуды ЕДС первичной обмотки Е₁ к
амплитуде ЕРС Е2 вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = Е₁/Е₂.
Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w₁
первичной обмотки к количеству витков w₂, вторичной обмотки:

Контрольные
вопросы.

1.     
Чем
отличается работа трансформатора в режиме холостого хода от номинального режима?

2.     
Что
такое коэффициент трансформации?

3.     
В чем
заключается опыт холостого хода?

4.     
Каким
образом выполняют опыт короткого замыкания?

5.     
Какой
принцип работы трансформатора в режиме нагрузки?

Режим
холостого хода – такой режим работы
электрического трансформатора,
при котором его вторичная цепь разомкнута,
и ток в ней равен нулю
(i₂
= 0).

Под
действием приложенного напряжения u₁
по первичной обмотке протекает
ток

,
возбуждающий в магнитопроводе магнитное
поле

.

Большая
часть магнитного потока замыкается в
магнитопроводе. Однако
небольшая часть этого потока замыкается
вокруг витков только первичной
обмотки, образуя поток рассеяния,
и не индуктирует напряжение
взаимоиндукции


во
вторичной обмотке.

В
первичной обмотке


индуктирует
напряжение

(6.8)

где

–
индуктивность рассеяния первичной
обмотки электрического трансформатора;

–
индуктивное
сопротивление рассеяния этой обмотки.

Кроме
того, первичная обмотка обладает
резистивным сопротивлением r₁.
На рисунке 6.2 представлена схема замещения
электрического трансформатора
с учетом резистивных сопротивлений
r₁
и r₂
первичной
и вторичной
обмоток и их индуктивностей рассеяния

и

Рисунок 6.2. — Схема замещения
трансформатора в режиме холостого хода

Составим
уравнение для первичной цепи по II
закону Кирхгофа в комплексной
форме

(6.9)

Рисунок 6.3. — Векторная
диаграмма напряжений и тока трансформатора
в режиме холостого хода

На
рисунке 6.3 представлена векторная
диаграмма напряжений и токов, построенная
в соответствии с (6.9).

Опытом
холостого хода называется
испытание электрического трансформатора
при разомкнутой цепи вторичной обмотки
и номинальном приложенном
к первичной обмотке напряжении
.

Для
проведения опыта холостого хода
собирается электрическая цепь
согласно схеме рисунка 6.4.

Рисунок
6.4. — Схема электрической цепи для
проведения опыта холостого
хода трансформатора

При

ток

составляет
3…10 % от номинального первичного тока

.
Следовательно, в формуле (6.9) слагаемыми

и


можно
пренебречь. Тогда имеем:

(6.10)

При разомкнутой
цепи вторичной обмотки

(6.11)

поэтому,
измерив вольтметром PV1
первичное
напряжение


и
вольтметром
PV2
–
вторичное напряжение
,
определяют коэффициент трансформации
по напряжению

(6.12)

Этот
коэффициент указывается на щитках
электрических трансформаторов
как отношение высшего напряжения к
низшему (например К
= 6000/230).

При
холостом ходе


и
мощность потерь в проводах первичной
обмотки (потери в меди)


мала
по сравнению с потерями на вихревые
токи (потери в стали)

.
Поэтому в опыте холостого хода по
показаниям
ваттметра


определяют
мощность потерь в магнитопроводе.

6.4 Опыт короткого замыкания

Необходимо
различать опыт
короткого замыкания и
режим
короткого замыкания, так
как в последнем случае имеет место
аварийный режим электрического
трансформатора, при котором он сильно
разогревается может
произойти сгорание трансформатора.

Опыт
короткого замыкания — испытание
электрического трансформатора
при короткозамкнутой цепи вторичной
обмотки и номинальном токе
в первичной обмотке

.

(6.13)

Этот
опыт проводится при аттестации
электрического трансформатора для
определения важнейших параметров:

• мощности
  потерь в проводах обмоток (потери в
  меди)
  
  ;

• внутреннего
  падения напряжения;

• коэффициента
  трансформации и др.

Опыт
короткого замыкания (рис.6.5), как и опыт
холостого хода, обязателен при заводских
испытаниях.

Рисунок
6.5. — Схема электрической цепи для
проведения опыта короткого
замыкания трансформатора

В
опыте короткого замыкания (U₂
= 0) напряжение U_M2k,
индуктируемое во второй обмотке равно

(6.14)

где


–
напряжение на резистивном сопротивлении
вторичной обмотки;

–напряжение на
индуктивном сопротивлении рассеяния
вторичной
обмотки.

Напряжение
первичной обмотки в опыте короткого
замыкания


при
токе


составляет
5…10 % от номинального.

Поэтому
действующее
значение напряжения индукции
U_M2k
составляет лишь 2…5 % от
действующего значения
U_M2
в рабочем (номинальном) режиме.

Пропорционально
значению
U_M2
уменьшается
магнитный поток


в
магнитопроводе, а вместе с ним и мощность
потерь в магнитопроводе

,
пропорциональная

Следовательно,
в опыте короткого замыкания почти вся
мощность трансформатора

равна
мощности потерь в проводах первичной
и вторичной
обмоток (потери в меди):

(6.15)

Значение
этой мощности определяется по показаниям
ваттметра

(рис.6.5).


и


—
токи в опыте короткого замыкания
соответствующих
обмоток трансформатора, определяемые
по показаниям амперметров

и

При
коротком замыкании в уравнении (6.7)
составляющая
ничтожно
мала, по сравнению с двумя другими
составляющими, и ею можно
пренебречь, следовательно

и коэффициент
трансформации

Таким
образом, опыт короткого замыкания может
служить для определения
коэффициента трансформации К.

Соседние файлы в папке Конспект лекций

• #
• #

Холостой ход трансформаторов может понадобиться тогда, когда требуется определить реальные параметры тока и напряжения, выводимыми во время трансформации. Ее обеспечивают специальные устройства, обеспечивающие понижение или повышение напряжения переменного электрического тока. С помощью холостого хода выясняются  фактические потери процесса работы устройства.

При режиме работы с разомкнутой вторичной обмоткой частота тока не изменяется. Остаются прежними и показатели мощности. Таким образом можно выяснить фактическую силу тока, электрическое сопротивление. Какого бы не был типа трансформатор, они имеют аналогичные характеристики. Наблюдение за работой холостого хода трансформатора необходимо при их эксплуатации и при проверки их работоспособности.

В данной статье будут описаны основные технические нюансы режима холостого хода и область его применения. К статье бонусом добавлен видеоролик с информацией о холостом ходе трансформатора и файл с учебным пособием Каганович Е.А. “Испытания трансформаторов”.

Передача и использование электрической энергии

Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Трансформаторы в случае широко используются Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линии электропередачи (ЛЭП).

При передаче электроэнергии на большие расстояния неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Потери при нагревании электрических проводов прямо пропорционально I² через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца).  Работа любого трансформатора состоит из трех основных режимов:

• Режим холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой;
• рабочим режимом (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с сопротивлением R = 0;
• режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, т.к. в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

[stextbox id=’info’]Один из самых основных режимов – это холостой ход. На основании характеристик холостого хода происходит анализ всех режимов работы трансформатора.[/stextbox]

Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI).

Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор, а понижающий трансформатор — между ЛЭП и потребителем электроэнергии. В бытовых электроприборах (по технике безопасности) используются небольшие напряжения 220 и 380 В. У современных трансформаторов высокий КПД — свыше 99%.

Режим холостого хода трансформатора

Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена.

По первичной обмотке трансформатора проходит ток I, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф, который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ.

Очевидно, что переменный магнитный поток Ф пересекает обе обмотки трансформатора. В каждой из них возникают эдс: в первичной обмотке — эдс самоиндукции Е₁, во вторичной обмотке — эдс взаимоиндукции Е₂. Действующие значения этих эдс зависят от числа витков в обмотках, магнитного потока Ф и частоты его изменения f. Величины эдс определяют по формулам:

Е₁ = 4,44fω₁Ф_{0 макс}10^-8В,

Е₂ = 4,44fω₂Ф_{2 макс}10^-8В,

где ω₁ и ω₂ — числа витков в обмотках;

f — частота, Гц;

Ф_{0 макс} — максимальное значение магнитного потока, Вб.

Разделив Е₁ на Е₂, получим

Е₁ / Е₂ = ω₁ / ω₂.

Это соотношение характеризует одно из основных свойств трансформатора: эдс в обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков. Отношение числа витков ω₁ / ω₂ = k называют коэффициентом трансформации.

Таким образом, если мы хотим повысить полученное от генератора напряжение в 10, 100 или 1000 раз, то необходимо так подобрать обмотки трансформатора, чтобы число витков ω₂ вторичной обмотки было больше числа витков ω₁ первичной обмотки соответственно в 10, 100 или 1000 раз.

Тогда вторичная обмотка оказывается обмоткой высшего напряжения (ВН), а первичная — обмоткой низшего напряжения (НН). Наоборот, если необходимо снизить напряжение в линии, первичное напряжение подводят к обмотке ВН, а к обмотке НН подключают приемники электрической энергии.

Итак, любой трансформатор может работать как повышающий и как понижающий. Все зависит от того, к какой из его обмоток будет подведено напряжение для преобразования. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия преобразуемого переменного тока, называется первичной (независимо от того, будет ли эта обмотка высшего или низшего напряжения). Обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной.

Мы рассмотрели действие только рабочего, или основного, магнитного потока Ф. Однако в трансформаторе кроме рабочего существует еще магнитный поток рассеяния Ф_р1. Этот магнитный поток образуется силовыми линиями, которые ответвляются от основного потока в сердечнике и замыкаются по воздуху вокруг витков обмотки ω₁.

Поскольку поток рассеяния замыкается по воздуху, его величина пропорциональна току, в нашем случае — току холостого хода I. Следовательно, поток рассеяния Ф_р1 является, как и ток I, переменным и, пересекая витки первичной обмотки, создает в ней эдс самоиндукции Е_р1. В первичной обмотке трансформатора создаются две эдс самоиндукции: одна E₁ — рабочим магнитным потоком Ф, другая Е_р1 — магнитным потоком рассеяния.

Интересный материал для ознакомления: полезная информация о трансформаторах тока.

Мы знаем, что эдс самоиндукции всегда направлена против приложенного напряжения и ее действие на ток в цепи равносильно добавочному сопротивлению, которое называют индуктивным и обозначают х. Для поддержания неизменным тока холостого хода подводимое напряжение U₁ должно расходоваться не только на преодоление активного сопротивления r₁ обмотки, но и на создание эдс самоиндукции.

Другими словами, приложенное напряжение U₁ складывается из нескольких частей: первая часть равна эдс самоиндукции E₁ от потока Ф, вторая — эдс самоиндукции Е_р1 от потока рассеяния Ф_р1, третья — активному падению напряжения Ir₁.

Холостой ход тpexфaзного устройства

Характер работы З-фaзного устройства в режиме XX зависит от магнитной системы и схемы подключения обмоток:

• первичная катушка — «треугольником»;
• вторичная — «звездой» (D/Y): имеет место свободное замыкание TГC тока I1 по обмоткам устройства. Поэтому магнитный поток и ЭДC являются синусоидальными и нежелательные процессы, описанные выше, не происходят; схема Y/D: TГC магнитного потока появляется, но ток от наведённой им дополнительной ЭДC свободно течет по замкнутым в «треугольник» вторичным катушкам.

Этот ток создаёт свой поток вектора магнитной индукции, который гасит вызывающую его третью ГC основного MП. B результате магнитный поток и ЭДC, имеют почти синусоидальную форму, соединение первичной и вторичной катушек «звездой» (Y/Y).

B последней схеме TГC тока I1 отсутствует, поскольку для нее нет пути: третьи гармонии каждой из фаз в любой момент времени направлены к нулевой точке или от неё. Из-за этого искажается магнитный поток.

Дальнейшее определяется магнитной системой: З-фазный трансформатор в виде группы 1-фaзныx: TГC магнитного потока замыкается в каждой фазе по собственному сердечнику и из-за малого магнитного сопротивления последнего, достигает амплитуды в 15% – 20% рабочего магнитного потока.

Она созидает дополнительную ЭДC, амплитуда которой может достигать уже 45% – 60% от основной ЭДC. Такой рост напряжения может привести к пробою изоляции c последующей поломкой электроустановок. Трансформаторы c бронестержневой магнитной системой имеют место такие же явления (третьи гармонические магнитного потока замыкаются по боковым ярмам мaгнитопpоводa).

Тpexcтepжнeвaя магнитная система: TГC пути по мaгнитопpоводa не имеет и замыкается по среде c малой магнитной проницаемостью — воздух, масло, стенки бака. Поэтому она имеет малую величину и значительной дополнительной ЭДC не наводит.

Как определить коэффициент трансформации

Что такое «холостой ход трансформатора»? По сути, это особый режим работы устройства, условием которого является разомкнутость вторичной обмотки, а первичная обмотка имеет номинальное напряжение. В таком состоянии, при проведении ряда расчетов, можно определить точные параметры целого ряда показателей, например, для трансформаторных устройств распространенного однофазного типа так рассчитываются:

• коэффициент трансформации;
• активное, полное, индуктивное сопротивление ветви намагничивания;
• коэффициент мощности, процентное значение тока и измерения холостого хода.

Материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор и в чем его преимущества.

Алгоритм проведения измерений холостого хода выглядит так:

• Измеряется ток, который был приложен к первичной обмотке, посредством измерительных приборов, которые включены в общую цепь.
• Замыкается вторичная обмотка на вольтметре. Сопротивление должно быть такой величины, чтобы значение тока вторичной обмотки приближалось к минимальной отметке.
• Величина тока холостого хода в первичной обмотке минимальна относительно значения номинала, если сравнивать с прикладываемым напряжением, которое приводит в равновесие электродвижущая сила первичной обмотки. И оба этих показателя отличаются незначительно, а значит значение хода электродвижущей силы в первичной обмотке можно определить по данным вольтметра.

Наиболее точны[stextbox id=’info’]е искомые значения можно получить, используя обмотки различного напряжения – низкого и высокого. Точность таких измерений будет определяться разницей номиналов между ни[/stextbox]ми.

Причины и следствия потерь холостого хода трансформатора

Потери холостого хода трансформаторных устройств любого типа — это следствие износа устройств. Со временем их магнитная система и структура используемого металла стареет и меняется, межлистовая изоляция становится хуже, а прессовка сердечника ослабляется. Естественно, вы это негативно сказывается на уровне потерь электроэнергии.

Практика показывает, что вопреки установленных нормам, согласно которым потери могут отличаться от заводских показателей не более, чем на пять процентов, во многих случаях они превышают порог в пятьдесят процентов. Особенно это касается трансформаторов силового типа. Данные измерений такого типа устройств позволяют довольно точно прогнозировать потери энергии в каждом отдельном муниципалитете. Таблица допустимых потерь при холостом ходу трансформатора приведена ниже.

Как измерить потери холостого хода трансформатора

Основные принципы измерений потерь холостого хода всех видов трансформаторных приборов прописаны в ГОСТах. Главной причиной ошибочных результатов, полученных во время проведения измерений, можно назвать низкую точность измерительных устройств и неверные действия замерщиков, а также несоответствие необходимым условий проведения измерений. Чтобы избежать отклонений, влияющих на прогнозы и корректировку условий и интенсивности эксплуатации приборов, стоит предварительно разработать, согласовать с изготовителем и утвердить методику измерения потерь в данном режиме.

Эффективность действия устройства напрямую зависит от такого явления, как электромагнитная индукция. Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора? Напомним, что такой режим устанавливается при разомкнутой вторичной обмотке в тот момент, когда подключается первичная обмотка с током I1. Напряжение сети переменного тока в данном случае равно U1.

Ток, идущий по первичной обмотке, моделирует магнитный поток с переменными характеристиками, индуцирующий переменное напряжение U2, возникающее во вторичной обмотке. А так как ее цепь находится в разомкнутом состоянии, соответственно ток I2 имеет нулевое значение.

То есть во вторичной цепи нет никаких затрат электроэнергии. В этих условиях вторичное напряжение, которое возникает в комментируемом режиме, достигает пиковых значений. Такая величина является напряжением холостого хода.

Принцип действия таких устройств базируется на преобразовании стандартного сетевого напряжения. Этот стандарт преобразуется в напряжение холостого хода, имеющее приблизительный диапазон от 60 до 80 В.

[stextbox id=’info’]Все параметры и их соотношение влияют на уровень и плавность регулировки. Делать это можно двумя путями: меняя значение либо индуктивного сопротивления, либо напряжения холостого хода.[/stextbox]

В первом случае, который является более частотным и популярным, регулировка сварочного тока происходит более плавно. Вторым предпочитают пользоваться, как альтернативным.

Плавность двухдиапазонного регулирования мощности тока в процессе работы трансформатора сварочного типа играет важную роль, так как дает возможность значительно снизить показатели массы, а также ощутимо уменьшить размеры устройства. Получить широкий диапазон больших токов можно, включая попарно параллельно катушки как первичной, так и вторичной обмоток, а чтобы получить диапазон токов малой мощности, их необходимо включать в последовательном режиме.

Заключение

Более подробно о проверке трансформаторов на холостом ходу можно почитать в файле с учебным материалом Кагановича Е.А. “Испытания трансформаторов”. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте.

Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.forca.com.ua
www.energiatrend.ru
www.ets.ifmo.ru
www.proprovoda.ru
www.kaplio.ru

Предыдущая

ТрансформаторыНеобходимые условия для выполнения параллельной работы трансформаторов

Следующая

ТрансформаторыЧем отличаются трансформаторы напряжения от трансформаторов тока

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

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 обмотки⁽¹⁾ 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»).

Примечание:
1. Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина (R_{Нном}), равная отношению номинального напряжения обмотки (U_{ном}) к её номинальному току обмотки (I_{ном})

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.

( 1 оценка, среднее 4 из 5 )