Меню

Для трансформаторов напряжения режим холостого хода

Всё об энергетике

Трансформаторы. Режимы работы

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 \(\dot_1 ≈ \dot_<1ном>\);
  • Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot_1ном\).

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 \(\dot_1 = \dot_<1ном>\);
  • Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot_<1ном>\).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с б&#243льшими 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:

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

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 \(\dot_ <1хх>= \dot_<1ном>\);
  • Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора — \(\dot_ <2ф>≈ \dot_ <2л>≈ 0\).

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

Рисунок 1 — Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 — Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

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 \(\dot_1\), что ток первичной обмотки равен её номинальному току \(\dot_1 = \dot_<1ном>\)
  • Напряжение вторичной обмотки \(\dot_2 = 0\) (для трехфазного трансформатора — \(\dot_ <2ф>= \dot_ <2л>= 0\).

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

Рисунок 3 — Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 — Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

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»).

Источник

Что такое холостой ход трансформаторов, формулы и схемы

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:

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=Pхх/U 2 ;
  • полное сопротивление первичной цепи z1=U/Iхх;
  • индуктивное сопротивлении е x1=√(z 2 -r 2 ).

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

Источник

Режим холостого хода трансформатора

Определение режима. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение u1, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю. Принципиальная схема однофазного трансформатора при холостом ходе изображена на рис.7.6. В этом режиме трансформатор подобен дросселю с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом.

Необходимость изучения данного режима заключается в том, что одновременно с определением основных параметров трансформатора (коэффициента трансформации, тока холостого хода, потерь в стали магнитопровода) возможно в сочетании с параметрами, полученными при другом крайнем режиме — коротком замыкании, охарактеризовать работу трансформатора под нагрузкой и наиболее точно определить коэффициент полезного действия.

Рисунок 7.6 — Схема трансформатора при холостом ходе

Принцип действия в режиме холостого хода. Под действием приложенного напряжения u1 в первичной обмотке трансформатора имеет место небольшой ток холостого хода i10 = i, обычно не превышающий (3-10%) от номинального тока в первичной обмотке, т.е. его действующее значение I£(0,03…0,1)I. Этот ток создает МДС первичной обмотки i×w1, которая обусловливает в замкнутом магнитопроводе переменный основной магнитный поток трансформатора Ф и небольшой переменный поток рассеяния первичной обмотки ФS1, замыкающийся вокруг первичной обмотки по воздуху.

Основной поток Ф наводит в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции e2. Поток рассеяния создает в первичной обмотке ЭДС eS1, называемую электродвижущей силой рассеяния. Так как основной поток Ф замыкается по магнитопроводу, а поток рассеяния ФS1 в основном по воздуху, то основной поток будет во много раз больше потока рассеяния (Ф>>ФS1), следовательно, и ЭДС, наводимые этими потоками в первичной обмотке, будут тоже существенно различаться по величине (E1>>ES1).

При синусоидальном напряжении u1 ЭДС e1 и e2 тоже синусоидальны, а следовательно, и поток Ф, создающий их, синусоидален. Однако вследствии магнитного насыщения магнитный поток трансформатора непропорционален намагничивающему току. Поэтому при синусоидальном потоке Ф намагничивающий ток i является несинусоидальным. При исследовании процессов в трансформаторе действительную кривую намагничивающего тока заменяют либо эквивалентной синусоидой с тем же, что и у действительной кривой, действующим значением, либо его первой гармоникой.

Действующие значения индуктированных ЭДС в обмотках трансформатора при холостом ходе определяются по формулам, известным из электротехники:

где w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток;

Разделив E1 на E2, получим коэффициент трансформации трансформатора:

(7.7)

В двухобмоточных трансформаторах согласно ГОСТ 16110-80 при определении коэффициента трансформации берется отношение высшего напряжения к низшему и поэтому значение «n» всегда больше единицы.

Коэффициент трансформации n, как уже отмечено, приближенно определяется из опыта холостого хода трансформатора по отношению напряжений на зажимах обмоток

Контур намагничивания. Трансформатор фактически представляет собой две электрические цепи (первичная и вторичная обмотки), связанные магнитным полем, что усложняет расчет самого трансформатора и анализ его работы. По этой причине в теории и инженерной практике исходную схему трансформатора (рис. 7.6) заменяют схемой электрической цепи без взаимоиндукции (рис. 7.7).

В такой эквивалентной схеме электрической цепи математическое описание процессов чаще всего ведут с использованием алгебраических уравнений, записываемых для комплексных действующих напряжений и токов.

Рисунок 7.7 — Эквивалентная электрическая схема замещения трансформатора в режиме холостого хода.

Действие противо-ЭДС E 1 можно представить в виде падения напряжения от тока I10 = I на некотором полном сопротивлении Z m:

где — параметр, характеризующий магнитную цепь трансформатора и называемый полным сопротивлением контура намагничивания;

rm— активное сопротивление контура намагничивания, определяемое потерями в стали трансформатора;

хm — индуктивное сопротивление контура намагничивания, определяемое потокосцеплением основного потока с первичной и вторичной обмотками при токе в первичной обмотке, равном I (при отсутствии тока во вторичной обмотке).

Таким образом, сопротивление Zm обусловлено потерями в стали магнитопровода и намагничивающей МДС холостого хода (I×w1) первичной обмотки трансформатора.

Поток рассеяния ФS1 замыкается в основном по воздуху и, следовательно, практически не создает никаких потерь в стали. Значит, ЭДС рассеяния ES1 можно заменить падением напряжения только на индуктивном сопротивлении первичной обмотки x1, обусловленном потокосцеплением рассеяния YS1 первичной обмотки с её витками при соответствующем токе в обмотке

(7.9)

Величину x1 называют индуктивным сопротивлением рассеяния первичной обмотки.

Замена ЭДС рассеяния ES1 падением напряжения US1 от тока I на сопротивлении x1 делает более наглядной роль потока рассеяния: он создает индуктивное падение напряжения в первичной обмотке трансформатора, не участвуя в передаче энергии из одной обмотки в другую.

Уравнения равновесия напряжений. Эти уравнения удобно записать для комплексной схемы замещения трансформатора, работающего в режиме холостого хода (рис. 7.8)

Рисунок 7.8 — Комплексная схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

При синусоидальном напряжении U 1 и эквивалентном синусоидальном токе I уравнения равновесия напряжений для первичной и вторичной цепей трансформатора при холостом ходе записываются в следующем виде:

(7.10)

где — полное комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

r1 – активное сопротивление первичной обмотки (обычно r На основании вышеизложенного можно сделать ряд выводов .

1. Режим холостого хода характеризуется тем, что по отношению к сети трансформатор представляет комплексную нагрузку почти индуктивного характера, при которой приложенное напряжение U 1 опережает ток холостого хода I на угол, близкий к 90 0 . Работа трансформатора в этом режиме вследствие значительной потребляемой из сети реактивной мощности является нежелательной.

2. Так как величины падений напряжений Ir1 и IхS1 составляют лишь несколько процентов от приложенного напряжения, то векторы E 1 и E 2 сдвинуты по отношению к вектору U 1 на угол, близкий к 180 0 . При этом величины векторов U 1 и E 1 отличаются незначительно. Поэтому практически коэффициент трансформации можно с достаточной степенью точности определить из отношения напряжений обмоток трансформатора при холостом ходе, т.е.

(7.11)

Опыт холостого хода. Режим холостого хода трансформатора обычно исследуют опытным путем с использованием двух вольтметров, амперметра и ваттметра. При этом к первичной обмотке трансформатора (рис. 7.7) подводится номинальное напряжение U10 = U. На зажимы вторичной обмотки включается вольтметр с большим внутренним сопротивлением, позволяющий измерять напряжение U20»Е2.

В опыте холостого хода определяются:

а) ток холостого хода I (по показанию амперметра, включенного в первичную цепь). При U10 = U ток I не должен превышать (3-10%) I;

б) потери в стали магнитопровода трансформатора Pст (по показаниям ваттметра) P = I 2 r1 + Pст » Pст, так как потерями в меди первичной обмотки ввиду малости тока I и сопротивления r1 можно пренебречь ;

в) коэффициент трансформации n (по показаниям вольтметров в первичной и вторичной цепях)

г) коэффициент мощности cosj (по показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра в первичной цепи)

;

д) параметры схемы замещения трансформатора при холостом ходе:

Источник

Читайте также:  Виды защиты от высокого напряжения
Adblock
detector