почему в опыте холостого хода трансформатора можно пренебречь потерями в сопротивлении обмоток
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:
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.
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:
При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:
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:
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.
Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ
Измеряя ток, напряжение и мощность трансформатора в опыте холостого хода, можно рассчитать следующие дополнительные данные:
Найти ток холостого хода без применения амперметра можно по показаниям вольтметра и ваттметра:
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.
Опыт холостого хода трансформатора
Опыт холостого хода трансформатора, генератора, асинхронного двигателя рекомендуется к изучению электриками по той причине, что данные, полученные в результате такого исследования, позволяют охарактеризовать функционирование прибора под нагрузкой. Часто этот эксперимент проводят в паре с исследованием короткого замыкания. Такая программа предоставляет данные для расчета коэффициента полезного действия устройства.
Режим холостого хода трансформатора
Этот режим характеризует подача переменного напряжения, меняющегося по принципу синусоиды, на первичную обмотку аппарата, при этом во вторичной, находящейся в разомкнутом состоянии, электроток отсутствует полностью. В таком случае трансформаторное устройство напоминает катушку индуктивности с замкнутым магнитопроводом из ферромагнетика. Чтобы проводить опыты с трансформатором, находящимся в данном состоянии, потребуется изучить принципиальную схему, соответствующую используемому устройству (однофазному или трехфазному).
Про опыт холостого хода
Проведение опыта холостого хода позволяет узнать основные показатели функционирования прибора: теряемый процент мощности, коэффициент трансформации, значение электротока при работе вхолостую. Выполняется опыт с помощью измерительных приборов: ваттметра, амперметра и пары вольтметров, один из которых (превосходящий по внутреннему сопротивлению) подключается к клеммам вторичной обмотки. На первичную – подается номинальное напряжение.
В процессе эксперимента можно найти:
Методика проведения выглядит так: первичную катушку (или ВН) соединяют с источником питания через три традиционных измерительных прибора (ампер-, ватт,- и вольтметр). У вторичной (НН) закорачивают выводы. Потребляемый электроток будет очень высоким, особенно с учетом низкого показателя обмоточного сопротивления. Для номинального тока замеряют напряжение и мощность. На первичной катушке требуется низкое напряжение. Оно, как и ток для ХХ, имеет очень низкое значение, по сравнению с номинальным, – в районе 0,05. Тем не менее, эта техническая характеристика обладает большой практической важностью – по ней считают вторичное напряжение и узнают, допустимо ли подключать устройства параллельно.
Важно! Потери мощности в сердечнике можно не учитывать из-за мизерного напряжения. Показания на ваттметре поэтому принимаются за потери в меди.
Рабочее сопротивление обмотки R можно найти так:
Общий показатель сопротивления – Z=U/I, реактивный – X = √ (Z² — R²).
Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода
Когда на обмотку прибора подают напряжение синусоиды, в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это и есть холостой ток). Его создает обмоточная магнитодвижущая сила, именно из-за ее действия в замкнутом магнитопроводном элементе возникают ведущий магнитный поток (обозначается Ф) и рассеивающийся поток Ф1, замкнутый вокруг обмоточного тела. Значение магнитодвижущей силы равно произведению холостого тока на число обмоточных витков.
Ведущий поток создает в приборе две электродвижущие силы: самоиндукционную у первой обмотки и взаимной индукции – у второй. Ф1 продуцирует у первой катушки ЭДС рассеяния. Она имеет очень небольшую величину, ведь создающий ее поток замыкается, по большей части, по воздушным массам, ведущий поток Ф – по магнитопроводу. Поскольку главный поток имеет гораздо большие масштабы, то и генерируемая им для первичной катушки электродвижущая сила тоже имеет намного большее значение.
Важно! Так как подаваемое напряжение имеет вид синусоиды, такие же характеристики имеют главный поток и создаваемые им обмоточные электродвижущие силы. Но по причине магнитного насыщения имеющийся в приборе поток непропорционален электротоку, создающему намагничивание, так что последний синусоидальным не будет. Практикуется замена его реальной кривой соответствующей ей синусоидой с таким же значением. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми потоками и магнитопроводным насыщением).
Таблица потерь
Когда цепочка второй катушки разомкнута, она не использует какой-либо рабочей мощности. У той мощности, что потребляет первая, есть некоторый активный процент (он и представляет собой потери прибора), но доминирует реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору. Что касается потерянной мощности, то большая ее часть затрачивается на процессы перемагничивания и генерацию вихрей токов магнитопровода. Из-за этого последний начинает перегреваться. Так как поток рассеяния не зависит от нагрузочного электротока, то мощностные потери имеются не только на холостом ходу, но и при подаче нагрузок. Еще некоторая часть потерь (очень небольшая) затрачивается на нагревание катушечного провода. Ее малое значение обусловлено показателями сопротивления проводка и тока холостого хода.
При напряжении 10/0,4 кВ величина потерь будет возрастать по мере увеличения мощности. Для номинального показателя мощности в 250 кВА потери будут равны 730 Вт, для 400 кВА – 1000 Вт, для 2500 кВА – 4200 Вт. По прошествии лет эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция, изменяются структурные характеристики металла. Из-за этого теряться может до 50% мощности.
Проверка работы
Главное назначение данного опыта в сочетании с экспериментом короткозамкнутого состояния – нахождение коэффициента полезного действия трансформирующего устройства. После постановки трансформатора в надлежащий режим проводятся следующие измерения:
Холостой ход трехфазного трансформатора
Функционирование такого прибора в рассматриваемом режиме зависит от устройства его магнитной системы. Если используется прибор по типу группы однофазных трансформаторов либо бронестержневая система, третья гармоническая составляющая для каждой фазы будет замыкаться в отдельном сердечнике, набирая значение до 20% активного магнитопотока. Создается добавочная электродвижущая сила, способная достичь очень высокого показателя – 0,5-0,6 от главной ЭДС. Подобные процессы способны вызвать нарушение целостности изоляции, за которым последует поломка электрической установки. Лучшим вариантом является система с тремя стержнями, тогда третья составляющая не будет идти по магнитопроводу, а замкнется в воздушной или иной среде с низким показателем магнитной проницаемости (например, масляной). В этом случае массивная добавочная ЭДС, вносящая серьезные искажения, развиваться не будет.
Параметры трансформатора по опытам холостого хода
В паспорте аппарата указывают ряд величин, способных помочь в расчете таких эксплуатационных показателей, как максимальное получаемое на практике значение электротока короткого замыкания, энергетические потери, амплитуда вариабельности напряжения приемника при меняющемся токе. Эти величины делятся на две группы. Первая принадлежит работе в холостом режиме: сюда относятся показатель токовой силы в процентах от номинальной и мощностные потери магнитопровода. Вторая – обмоточные потери при коротком замыкании и напряжение (тоже указываемое относительно номинального) в этом состоянии.
Расчет КПД трансформатора
Энергетические потери в приборе, происходящие в медных и стальных комплектующих, обусловливают расхождение параметров выходной и потребительской мощности. То, насколько эффективен аппарат, можно узнать, вычислив его КПД: он равен частному выходного и потребляемого значений. Последнее равно сумме первого, потерь для стального сердечника (они узнаются при эксперименте холостого хода) и для медных элементов (вычисляются по замерам короткозамкнутого устройства).
Проведение опытов КЗ и ХХ – надежный способ вычислить эффективность трансформатора. Оно также позволяет определить объемы энергетических потерь и узнать, на какой компонент приходится большая их часть.