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.

Опыт холостого хода проводится по схеме показанной на рисунке

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).

Емкостное и индуктивное сопротивление

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

Будучи разомкнутой, цепь вторичной катушки не потребляет активной мощности. Но в потребляемой первичной обмоткой доля активной имеется. Хотя основную часть составляет реактивная (намагничивающая) мощность, возвращаемая генератору.

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:

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:

1. вольтметром замеряют напряжение, подаваемое на первичную катушку (U1);
2. другим вольтметром — напряжение U2 на выводах вторичной обмотки. Применяют прибор с сопротивлением, довольно высоким для того, чтобы ток во вторичной обмотке оставался равным нулю;
3. в цепь первичной навивки включают амперметр для определения силы тока холостого хода
4. сюда же включают ваттметр, измеряющий потребляемую мощность.

Сняв показания с приборов, производят вычисления:

1. определяют коэффициент трансформации: К = U1 / U2;
2. 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:

1. 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;
2. 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;
3. 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:

1. 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;
2. трансформаторы с бронестержневой магнитной системой: имеют место те же явления (третьи гармонические магнитного потока замыкаются по боковым ярмам магнитопровода);
3. 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.

Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

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.