Холостой ход трансформатора для чего нужен

Режим холостого хода трансформатора: нормальный ток, схемы опыта и таблица потерь

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:

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:

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:

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.

Что такое потери холостого хода трансформатора

Любые потери энергии могут приводить к перерасходу материалов и топлива, что приводит к значительному увеличению стоимости энергоресурсов. Чтобы потери не приводили к серьезным финансовым затратам, на трансформаторах должны периодически проводиться профилактические и электроизмерительные работы, которые позволяют своевременно выявить любые проблемы и неполадки в работе оборудования.

Самой распространенной причиной проблем в работе трансформаторов являются потери холостого хода. Холостым ходом называется один из режимов работы прибора, в процессе которого выделенное питание подается на одну обмотку устройства, в то время как остальные обмотки разомкнуты. Потери холостого хода трансформатора – это любые утечки и потери, возникающие во время такого режима работы оборудования. Утечки обязательно возникают при номинальных уровнях частоты, напряжения и других параметров электрической энергии. Потери холостого хода сказываются на качестве электроснабжения, о чем следует помнить при создании проектов реконструции электрики в домах и на других объектах.

Пример проекта технического отчета нежилого помещения

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:

Проверка работы

С целью проверки устройства его включают в режиме ХХ и выполняют следующие измерения:

Сняв показания с приборов, производят вычисления:

Используя данные опыта ХХ в сочетании с данными опыта короткозамкнутого режима, определяют КПД устройства.

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:

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.

а) Опыт XX в поминальных условиях

Холостым ходом трансформатора называется режим работы, при котором к одной из его обмоток приложено номинальное напряжение номинальной частоты синусоидальной формы, а остальные обмотки разомкнуты. При испытании трехфазных трансформаторов, кроме того, необходимо, чтобы напряжение было практически симметричным. Ток. протекающий по обмоткам трансформатора, в этом случае называется током XX и обозначается I0. Ток XX данной обмотки выражается в процентах тока той же обмотки, приведенного к номинальной мощности трансформатора. В трехфазных трансформаторах значение тока XX определяют как среднее арифметическое трех измеренных значений токов XX различных фаз. Ток XX зависит от мощности трансформатора, конструкции магнитопровода, качества электротехнической стали и исполнения. Активная мощность, подводимая к трансформатору, расходуется главным образом на потери, вызванные перемагничиванием электротехнической стали (потери от гистерезиса), и на потерн от вихревых токов. Измеренные при этом потери в трансформаторе называются потерями XX и обозначаются Р0. При опыте XX трехфазного трансформатора подводимое напряжение определяют как среднее арифметическое трех измеренных линейных напряжений. В [Л. 1-3] допускается за подводимое напряжение принимать линейное напряжение на вводах а—с(А—С).

При испытании трехфазных трансформаторов приложенное напряжение должно быть практически симметричным. Трехфазная система считается практически симметричной, если при ее разложении на системы векторов прямой и обратной последовательностей окажется, что размер векторов обратной последовательности не превышает 5% размера векторов Прямой последовательности. Cиcтемy линейных напряжений допускается считать практически симметричной, если каждое из линейных напряжений отличается не более чем на 4,5% от среднего арифметического трех линейных напряжений системы. Допуски для значений потерь и тока XX мощных трансформаторов согласно ГОСТ 11677-75 установлены следующие: для потерь XX +15%; для тока XX +30%. Назначение опыта XX состоит в том, чтобы определить потери и ток XX, соответствующие поминальному напряжению, при практически синусоидальном1 и симметричном напряжении и номинальной частоте. Затем результаты измерений сравнивают с расчетными. При изготовлении трансформатора опыт XX производят несколько раз (см. гл. 1). Это испытание является одним из наиболее часто повторяемых, и его проводят в следующих случаях: 1) при испытании магнитопровода (на первых экземплярах новых конструкций и в других случаях, когда это вызывается необходимостью),

4) приемосдаточные испытания (опыт XX при номинальных условиях и повторный опыт XX при тех же условиях после испытания электрической прочности изоляции индуктированным напряжением при повышенной частоте); 5) пофазные измерения потерь XX при малом напряжении (иногда делается для трех значений напряжений: при 5—10% номинального возбуждения трансформатора; при 380 и 220 В);

1 Кривая напряжения считается практически синусоидальной, если ни одна из ее ординат и не отличается от соответствующей ординаты основной синусоиды более чем на 5% амплитуды U основной синусоиды, т. е. если разность синусоидальность напряжения допускается проверять визуально с помощью электроннолучевого осциллографа.

Источник

Режим холостого хода трансформатора

Одно из наиболее используемых электротехнических устройств – трансформатор. Данное оборудование используется для изменения величины электрического напряжения. Рассмотрим особенности режима холостого хода трансформатора, с учётом правил определения характеристик для различных видов устройств.

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных на сердечнике. При подаче напряжения на входную катушку, образуется магнитное поле, индуцирующее ток на выходной обмотке. Разница характеристик достигается, благодаря различному количеству витков в катушках входа и выхода.

Что такое режим холостого хода

Под режимом холостого хода понимают состояние устройства, при котором во время подачи переменного электротока на входную катушку выходная находится в разомкнутом состоянии. Данная ситуация характерна для агрегата, подключённого к электросети, при условии, что нагрузку к выходному контуру ещё не включили.

В процессе эксперимента можно найти:

Как проводится опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.

При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.

В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.

Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.

Для однофазного трансформатора

Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:

Приборы подключаются по следующей схеме:

Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:

Iо% = I0×100/I10.

Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

K = w1/w2 = U1н/ U2О.

Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:

P0 = I02×r1 + I02×r0.

Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.

Для трёхфазного трансформатора

Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.

При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.

Применяется следующая схема:

Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.

В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.

Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.

Для сварочного трансформатора

Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.

После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.

Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.

Блокировка срабатывает за время, не превышающее 1 секунду с момента прерывания рабочего режима. Дополнительная защитная мера – устройство заземления корпуса сварочного агрегата.

Видео: измерение тока холостого хода

Меры по снижению тока холостого хода

Ток при нахождении трансформатора в режиме холостого хода возникает, благодаря конструктивным особенностям сердечника. Для ферромагнитного материала, попавшего в электрическое поле переменного тока, характерно наведение вихревых индуктивных токов Фуко, вызывающих нагревание данного элемента.

Чтобы снизить вихревые токи, сердечник изготавливают не в виде цельной детали, а набирают из пакета пластин небольшой толщины. Между собой пластины изолируются. Дополнительная мера – изменение свойств самого материала, позволяющее увеличить порог магнитного насыщения.

Чтобы не допустить разрыва магнитного потока с возникновением поля рассеивания, пластины тщательно подгоняют в процессе набора. Отдельные элементы шлифуют, с получением гладкой, идеально прилегающей поверхности.

Также потери снижаются за счёт более полного заполнения окна магнитопровода. Это позволяет обеспечить оптимальные показатели массы и габаритов агрегата.

Холостой ход трансформатора – режим, при котором можно рассчитать важные характеристики. Это проводится для оборудования, находящегося в эксплуатации и на стадии проектирования.

Источник

Режим холостого хода для трансформаторов

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 I 2 через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца). Работа любого трансформатора состоит из трех основных режимов:

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.

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:

где ω₁ и ω₂ — числа витков в обмотках;

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

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 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.

Холостой ход тpexфaзного устройства

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

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:

Алгоритм проведения измерений холостого хода выглядит так:

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.

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.

Источник