Режим холостого хода трансформатора: нормальный ток, схемы опыта и таблица потерь
Холостой ход трансформатора — особый режим работы, позволяющий определить некоторые характеристики устройства.
Так проверяют преобразователи не только новые, но и находящиеся в эксплуатации, ведь со временем в них из-за износа магнитопровода возрастает доля потерь.
Далее будут рассмотрены суть режима холостого хода и методика замеров параметров.
Режим холостого хода трансформатора
Холостым ходом (ХХ) называют такое подключение устройства, когда на первичную обмотку подается номинальное переменное напряжение, а цепи всех вторичных – разомкнуты (нагрузки не подключены).
В преобразователе напряжения, деление обмоток (катушек) на первичную и вторичные условно. Любая из них становится первичной, когда на нее поступает исходное переменное напряжение. Прочие, в них наводится ЭДС — становятся, соответственно, вторичными.

Следовательно, любой трансформатор, соответственно способу подключения, может быть как понижающим, так и повышающим (кроме разделительного — с коэффициентом трансформации, равным единице).
Поскольку цепь вторичной катушки разъединена, тока в ней нет (I2 = 0). В первичной протекает I1, формирующий в магнитопроводе поток вектора магнитной индукции Ф1. Последний меняется по синусоидальному закону, но из-за перемагничивания стали отстает по фазе от I1 на угол B (угол потерь).
Применяют следующую терминологию:
- I1: ток ХХ трансформатора;
- Ф1: рабочий магнитный поток.
Под действием Ф1 во всех катушках возникает ЭДС:
- в первичной – самоиндукции (Е1);
- во вторичных – взаимоиндукции (Е2).
Зависимость ЭДС от различных параметров определяется формулами:
Е1 = 4,44 * f * W1 * Ф1max *10-8 ,
Е2 = 4,44 * f * W2 * Ф1max * 10-8, где
F — частота, Гц;
W1 и W2 — число витков в обмотках;
Ф1max — величина магнитного потока в точке максимума.
Следовательно, числовое значение ЭДС находится в прямой зависимости от числа витков катушки. Из соотношения ЭДС в первичной и вторичной обмотках, определяют главный параметр аппарата— коэффициент трансформации (К): К = Е1 / Е2 = W1 / W2.
Вторичная катушка по сравнению с первичной содержит витков:
- в повышающем трансформаторе – больше (К меньше единицы);
- в понижающем – меньше (К больше единицы).
Помимо рабочего (основного), в установке образуется магнитный поток рассеяния Фр1. Это силовые линии, ответвляющиеся от рабочего магнитного потока Ф1 в сердечнике и замыкающиеся по воздуху вокруг витков катушек. Как и Ф1, Фр1 является переменным, а значит, он, согласно закону электромагнитной индукции, наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции Ер1.
Е1 и Ер1 всегда направлены против приложенного к первичной обмотке напряжения U1. По характеру действия на ток, они подобны резистору, потому и обозначаются термином «индуктивное сопротивление» (Х).

Следовательно, создавая I1, напряжение U1 преодолевает активное сопротивление R1 первичной катушки и обе ЭДС самоиндукции. Математически это выглядит так: U1 = I1 * R1 + (-Е1) + (-Ер1).
Запись выполнена в векторной форме, поэтому перед обозначениями ЭДС самоиндукции проставлены значки «-»: они говорят о противоположном направлении этих векторов относительно напряжения U1. Ток холостого хода I1 не является строго синусоидальным.
Он искажается, поскольку имеет в своем составе так называемую третью гармоническую составляющую (ТГС), обусловленную вихревыми токами, гистерезисом и магнитным насыщением магнитопровода. Но с определенной долей приближения, годной для практических расчетов, его можно заменить эквивалентным синусоидальным током с равноценным действующим значением.
Таблица потерь
Потребляемая активная мощность — это потери ХХ трансформатора. Часть ее тратится на нагрев провода обмотки (I12 * R1). Она незначительна, поскольку сопротивление R1 провода мизерно и ток ХХ также мал — 3-10% от номинального.
Основная доля расходуется на вихревые токи в магнитопроводе и его перемагничивание. Эти явления приводят к нагреву магнитопровода. Ф1, обуславливающий основную часть потерь холостого хода, не зависит от тока нагрузки. Следовательно, потери имеются постоянно и в любом режиме работы устройства, в том числе и в активном (нагрузочном).
Таблица потерь ХХ:
Номинальная мощность, кВА | Номинальное напряжение ВН/НН, кВ | Потери холостого хода, Вт |
250 | 10/0,4 | 730 |
315 | 10/0,4 | 360 |
400 | 10/0,4 | 1000 |
500 | 10/0,4 | 1150 |
630 | 10/0,4 | 1400 |
800 | 10/0,4 | 1800 |
1000 | 10/0,4 | 1950 |
1250 | 10/0,4 | 2300 |
1600 | 10/0,4 | 2750 |
2000 | 10/0,4 | 3200 |
2500 | 10/0,4 | 4200 |
Со временем, потери увеличиваются из-за следующих изменений в магнитопроводе:
- меняется структура стали;
- падает сопротивление изоляции между пластинами;
- нарушается изоляция стяжек, что приводит к короткому замыканию между пластинами.
Проверка работы
С целью проверки устройства его включают в режиме ХХ и выполняют следующие измерения:
- вольтметром замеряют напряжение, подаваемое на первичную катушку (U1);
- другим вольтметром — напряжение U2 на выводах вторичной обмотки. Применяют прибор с сопротивлением, довольно высоким для того, чтобы ток во вторичной обмотке оставался равным нулю;
- в цепь первичной навивки включают амперметр для определения силы тока холостого хода
- сюда же включают ваттметр, измеряющий потребляемую мощность.
Сняв показания с приборов, производят вычисления:
- определяют коэффициент трансформации: К = U1 / U2;
- по специальным формулам рассчитывают потери ХХ.
Используя данные опыта ХХ в сочетании с данными опыта короткозамкнутого режима, определяют КПД устройства.
Холостой ход трехфазного трансформатора
Характер работы 3-фазного устройства в режиме ХХ зависит от магнитной системы и схемы подключения обмоток:
- первичная катушка — «треугольником», вторичная — «звездой» (D/Y): имеет место свободное замыкание ТГС тока I1 по обмоткам устройства. Поэтому магнитный поток и ЭДС являются синусоидальными и нежелательные процессы, описанные выше, не происходят;
- схема Y/D: ТГС магнитного потока появляется, но ток от наведенной им дополнительной ЭДС свободно течет по замкнутым в «треугольник» вторичным катушкам. Этот ток создает свой поток вектора магнитной индукции, который гасит вызывающую его третью ГС основного МП. В результате магнитный поток и ЭДС, имеют почти синусоидальную форму;
- соединение первичной и вторичной катушек «звездой» (Y/Y).
В последней схеме ТГС тока I1 отсутствует, поскольку для нее нет пути: третьи гармонии каждой из фаз в любой момент времени направлены к нулевой точке или от нее. Из-за этого искажается магнитный поток.
Дальнейшее определяется магнитной системой:
- 3-фазный трансформатор в виде группы 1-фазных: ТГС 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 создает дополнительную ЭДС, амплитуда которой может достигать уже 45% — 60% от основной ЭДС. Такой рост напряжения может привести к пробою изоляции с последующей поломкой электроустановок;
- трансформаторы с бронестержневой магнитной системой: имеют место те же явления (третьи гармонические магнитного потока замыкаются по боковым ярмам магнитопровода);
- трехстержневая магнитная система: ТГС пути по магнитопроводу не имеет и замыкается по среде с малой магнитной проницаемостью — воздух, масло, стенки бака. Поэтому она имеет малую величину и значительной дополнительной ЭДС не наводит.

Присутствие в схеме 3-фазного трансформатора соединения «треугольник» в значительной степени нейтрализует негативное влияние ТГС магнитного потока и улучшает кривую ЭДС.
Видео по теме
О работе трансформатора на холостом ходу в видео:
Режим холостого хода используется для определения параметров как только что изготовленных трансформаторов, так и уже эксплуатируемых. Эти параметры — потери холостого хода, ток холостого хода и пр. — должны лежать в пределах, оговоренных ГОСТами.
Нижний предел в нормативах не обозначен, но нужно понимать, что слишком низкие потери говорят о перерасходе материалов в трансформаторе и, соответственно, о его неоправданно высокой стоимости.