Холостой ход трансформатора: что такое и как рассчитать?

Общее устройство и виды

Для того, чтобы понять, каков стаж холостого хода различных трансформаторов, необходимо рассмотреть, что из себя представляет такое оборудование.

Основные типы

Трансформаторами называют машины стационарного типа, которые работают за счет электрического тока. Они изменяют входное напряжение. Существует несколько видов таких устройств:

1. Мощность.
2. Измерение.
3. Обмен.
4. Соответствие.

Чаще всего в энергоцепи требуется силовой трансформатор. Они могут иметь две и более обмотки. Устройство может быть однофазным (домашняя сеть) или многофазным (промышленная сеть).

Особенности установок

Автотрансформаторы выделяются индивидуально. Они имеют только одну комбинированную обмотку. Так же есть сварочный аппарат. У них есть определенная область применения.

В однофазном и многофазном оборудовании может быть установлена ​​разная номинальная мощность. Ее можно определить в пределах от 10 до 1000 кВА и более. Однофазные и многофазные агрегаты малой мощности могут иметь мощность до 10 кВА. Средние варианты будут иметь мощность 20 кВА, 250 кВА, 400 кВА, 630 кВА и т д. Если это число больше 1000 кВА, это установка высокой мощности.

Понятие холостого хода

Приведенные выше рассуждения справедливы для идеального трансформатора. Реальные конструкции имеют следующие потери (недостатки) на:

• намагниченность сердечника;
• магнитное поле рассеяния сердечника;
• электромагнитное рассеивание обмотки;
• межвитковая емкость обмоточных проводов.

В результате в реальной конструкции трансформатора наведенная ЭДС индукции отличается от номинального напряжения первичной обмотки и не способна его полностью компенсировать. В обмотке есть ток холостого хода. При подключении нагрузки эта величина прибавляется к номинальному току и характеризует полные потери в электрической цепи.

Потери снижают общий КПД трансформатора, что приводит к увеличению потребляемой мощности.

Меры по снижению тока холостого хода

Основным источником тока холостого хода является конструкция магнитопровода. В ферромагнитном материале, помещенном в переменное электрическое поле, за счет электромагнитной индукции индуцируются вихревые токи — токи Фуко, которые нагревают материал сердечника.

Для уменьшения вихревых потерь материал сердечника выполнен из тонких пластин, отделенных друг от друга изолирующим слоем, который выполнен из оксидной пленки на поверхности. Сам материал изготавливается по специальной технологии для улучшения магнитных свойств (повышения значения магнитного насыщения, магнитной проницаемости, снижения гистерезисных потерь).

Недостатком использования большого количества пластин является то, что на стыках возникает разрыв магнитного потока, что приводит к возникновению поля рассеяния. Поэтому для вставных сердечников важно тщательно подгонять отдельные пластины друг к другу.

В ленточных разъемных магнитопроводах отдельные детали совмещаются друг с другом шлифовкой, поэтому части сердечника нельзя заменять при сборке конструкции.

О-образные магнитопроводы лишены этих дефектов. Их текущее магнитное поле стремится к нулю.

Поле рассеяния обмоток и межвитковая емкость уменьшаются за счет изменения конструкции обмоток и пространственного расположения их частей относительно друг друга.

Снижение потерь также достигается за счет максимально полного заполнения окна свободного ядра. При этом масса и габариты устройства стремятся к оптимальной производительности.

Методология проведения опыта

Потери холостого хода трансформатора определяются при создании того или иного режима. Для этого прекращается подача тока на все обмотки. Они остаются открытыми. После этого на цепи подается питание. Определяется только на первом контуре. Оборудование должно работать под напряжением, которое задается при производстве производителем.

Токи протекают по первичной цепи силовой, сварочной или другой установки, которая называется ХХ. Их величина равна не более 3-9% показателя, указанного производителем. В этом случае на обмотке вторичной цепи электричества нет.

В первичной цепи ток создает магнитный поток. Он пересекает витки обеих обмоток. При этом ЭДС возникает за счет самоиндукции по первичной цепи и взаимной индукции — по вторичной обмотке.

Например, напряжение холостого хода сварочного трансформатора малой и средней мощности представляет собой ЭДС взаимной индукции.

Подход к проведению измерений

Потери холостого хода можно измерить двумя способами. Их называют потерями в стали и меди. Второй показатель указывает на тепловыделение в обмотках (они начинают греться). Во время эксперимента этот показатель очень мал. Поэтому ими пренебрегают.

Данные о потерях тока холостого хода на трансформатор представлены в виде таблицы. Рассчитывает параметры для стали определенного качества и толщины. Ток холостого хода трансформатора рассматривается по мощности, которая создается в магнитном потоке и называется потерями в железе.

Используется на нагревательных пластинах из специального сплава. Они изолированы друг от друга лаковым покрытием. При изготовлении таких магнитных приводов метод сварки не используется.

Суть измерения

Если изолирующий слой между пластинами магнитного привода по какой-либо причине нарушен, вихревые токи между ними возрастают. В этом случае система начинает нагреваться. Лаковый слой постепенно разрушается. Потери при эксплуатации установки увеличиваются, ее эксплуатационные характеристики ухудшаются.

В этом случае потери мощности в стали увеличиваются. При расчете этих характеристик в холостом режиме можно выявить нарушения в работе устройства. Именно по этой причине производится соответствующий расчет.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки используется такое понятие, как коэффициент трансформации. Формула представлена ​​ниже:

К=Е1/Е2=В1/В2

Отсюда следует, что напряжение на вторичной цепи будет определяться соотношением числа витков. Для того чтобы иметь возможность регулировать выдаваемую электроэнергию, в конструкцию установки встроено специальное устройство. Он переключает количество витков в первичной цепи. Это анапфа.

Для проведения теста на холостом ходу установите регулятор в среднее положение. В этом случае измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для выполнения представленного опыта при использовании понижающего или повышающего бытового прибора учитывают представленный коэффициент. В этом случае используются два вольтметра. Первое устройство подключается к первичной обмотке. Соответственно, второй вольтметр подключается к вторичной цепи.

Входное сопротивление измерительных приборов должно соответствовать номиналу установки. Он может работать в режиме buck или boost. Поэтому при необходимости проведения ремонтных работ измеряет подачу не только низкого, но и высокого напряжения.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе эксперимента исследуют индикаторы на всех цепях. В этом случае необходимо использовать одновременно 6 вольтметров. Можно использовать одно устройство, которое в свою очередь подключено ко всем точкам измерения.

Если значение, установленное изготовителем на первичной обмотке, превышает 6 кВ, на нее подают ток напряжением 380 В. При измерении в режиме высокого напряжения невозможно определить показатели с требуемым классом точности. Поэтому измерение выполняется в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

Во время измерения antapf перемещается во все положения, указанные производителем. При этом измеряется коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие замыкания в витках.

Если показания фаз будут иметь разброс измерений более 2%, а также их уменьшение по сравнению с предыдущими данными, это свидетельствует об отклонениях в работе прибора. В первом случае в системе обнаруживается короткое замыкание, а во втором — разрыв изоляции обмоток. Устройство может работать неправильно.

Такие факты требуют подтверждения. Это может быть, например, измерение сопротивления. Увеличение сопротивления между контактами антапф может повлиять на увеличение разброса показателей коэффициента. Такая ситуация возникает при частой замене.

Какие факторы влияют на потери

Современные трансформаторы при полной нагрузке достигают КПД 99%. Но устройства продолжают совершенствоваться и пытаются уменьшить потери энергии, которые практически равны сумме потерь на холостом ходу, возникающих под действием различных факторов.

Изоляция

Если крепежные болты снабжены плохой или недостаточной изоляцией, произойдет короткое замыкание. Это один из основных факторов этой проблемы трансформатора. Поэтому процессу утепления следует уделить больше внимания, используя для этих целей специализированные качественные материалы.

Вихревые токи

Развитие вихревых токов связано с протеканием магнитного потока по магнитопроводу. Их функция заключается в направлении, перпендикулярном току. Для их уменьшения магнитопровод выполнен из отдельных элементов, предварительно изолированных.

Вероятность возникновения вихревых токов зависит от толщины листа, чем она меньше, тем ниже риск их развития, что приводит к меньшим потерям мощности.

Для уменьшения вихревых токов и увеличения электрического сопротивления стали в материал добавляют различного рода добавки.

Они улучшают свойства материала и снижают риск развития нежелательных процессов, негативно влияющих на работу устройства.

Читайте также: Ток утечки: что это такое, особенности, путь протекания, измерение

Гистерезис

Как и переменный ток, магнитный поток также меняет направление. Это свидетельствует о чередовании намагничивания и перемагничивания стали. При изменении тока от максимального до нуля сталь размагничивается и магнитная индукция уменьшается, но с некоторым запаздыванием.

Когда направление тока меняется на противоположное, кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. Она отличается в разных марках стали и зависит от максимальной магнитной индукции, которую может выдержать материал. Петля перекрывает ток, который постепенно расходуется на процесс намагничивания.

При этом сталь нагревается, энергия, прошедшая через трансформатор, превращается в тепло и распространяется в окружающую среду, то есть идет впустую, не принося никакой пользы всем пользователям.

Характеристики электротехнической стали

Холоднокатаная сталь в основном используется для трансформаторов. Но скорость потерь в нем зависит от того, насколько качественно было собрано устройство, соблюдены ли все правила в процессе изготовления.

Для уменьшения потерь можно также увеличить сечение проводов на обмотке. Но это невыгодно с экономической точки зрения, потому что приходится использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размеры обмоточных проводов редко меняются. Они пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.

Перегрев

В процессе работы трансформатора элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не может нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее устройство перестанет выполнять свои прямые функции и потребует капитального ремонта и замены некоторых деталей.

В первичной обмотке

Если электрический ток по проводнику замкнут, велика вероятность утечки электрической энергии. Величина потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузки, приложенной к устройству.

Качество стали

Для правильного определения процентных потерь от различных магнитных причин при нормальной эксплуатации трансформаторного оборудования специалистам обязательно придется учитывать свойства электротехнической стали, применяемой в устройстве.

Для проведения измерений также необходимо учитывать технологические характеристики магнитной системы, массу, способ производства стальных пластин и другие ее характеристики.

Все факторы, влияющие на потери трансформатора, можно разделить на две группы: конструктивные и технические. К конструктивной группе факторов принято относить форму, размеры и способ крепления металлических листов, способ их запрессовки, особенности обработки прутков и так далее

Довольно частыми причинами потерь на трансформаторах являются ошибки при изготовлении элементов такого оборудования, а также ошибки при сборке трансформаторной установки.

По ГОСТу правильно установленный трансформатор должен иметь реальный уровень потерь с отклонением не более 5% от расчетного уровня потерь, указанного в технической документации.

Измерение тока

При опытном измерении тока холостого хода мастер использует амперметр. Они должны быть соединены с первичной обмоткой последовательно. Напряжение в цепи должно быть равно номинальному значению.

Если проводится исследование работы трехфазного промышленного агрегата, измерение проводят для всех фаз одновременно или последовательно. В этом случае испытания проводятся только для установок от 1000 кВА.

Измерение потерь

Потери в магнитном режиме измеряются исключительно при использовании мощной установки. В этом случае можно принять для расчетов приведенное напряжение, которое подключается к первичной цепи через ваттметр. Это метод прямого измерения.

При учете показателей вольтметра или амперметра нужно перемножить их мощности друг с другом. Это косвенный метод. В этом случае результат имеет некоторую ошибку. Искажение возникает из-за невозможности учета коэффициента мощности в этом расчете. Это угловой конус, образованный в векторной цепи между напряжением и током. В режиме ожидания между ними отображается угол 90º.

Схема замещения в режиме трансформатора

Непосредственный электрический расчет трансформатора сложен, так как он состоит из двух электрических цепей, соединенных магнитопроводом.

Для упрощения расчетов удобнее использовать упрощенную схему замещения. В схеме замещения вместо обмоток используются сложные резисторы:

• для первичной обмотки комплексное сопротивление включено в цепь последовательно;
• для вторичной обмотки параллельно нагрузке.

Каждый комплексный резистор состоит из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимной индукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструкции.

Важную роль играет коэффициент заполнения окна магнитопровода, который показывает отношение общего пространства к пространству, занимаемому обмоткой.

Чем ближе этот коэффициент к единице, тем выше взаимная индуктивность обмоток и меньше потери в трансформаторе.