Определение потерь и тока холостого тока трансформатора

Потери холостого хода трансформатора Рх состоят из потерь в стали сердечника, а также в стальных элементах конструкции остова трансформатора, электрических потерь в первичной обмотке, вызванных током холостого хода, и диэлектрических потерь в изоляции. В силовых трансформаторах диэлектрические потери  и потери от тока холостого хода не учитываются. Потери в элементах конструкции трансформатора при холостом ходе невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями. Таким образом, мощность холостого хода принимается равной потерям мощности в стали магнитопровода.
Потери в стали сердечника разделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов. Для горячекатаной легированной стали первые из них составляют 70–80 %, а вторые 30–20 % от полных потерь в стали при толщине листов соответственно 0,5 и 0,35 мм. В холоднокатаной
легированной стали потери на гистерезис составляют 25–35 % и от вихревых токов 75–65 % от полных потерь в стали.
В практике расчета обычно определяют полные потери в стали, не разделяя их, и пользуются при этом экспериментально установленной зависимостью между индукцией и удельными потерями в стали. Данные экспериментального исследования стали сводятся в таблицы или изображаются  кривой удельных потерь
Р = f(B).
Методика расчёта потерь зависит от марки стали, из которой изготовлен магнитопровод.
Если сердечник изготовлен из горячекатаной стали, то методика расчёта проще, чем при изготовлении магнитопровода из холоднокатаной стали.
Так, в случае изготовления сердечника из горячекатаной стали расчёт потерь холостого хода ведётся в следующем порядке:
определяют полную массу стали, кг,
Gст = Gс + Gя ;
потери холостого хода, Вт, по выражению
Ро = Кg(PcGc+PяGя),
где Рс и Ря         –      удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма, зависящие от величины индукции Вс и Вя, марки и толщины листов стали и частоты;
Kg – коэффициент добавочных потерь, который может быть принят.
Для трансформаторов с диаметром стержня dст до 20 см Kg =1,0¸1,01; dст = 20¸30 см – Kg = 1,02¸1,05; dст = 30¸50 см – Kg = 1,05¸1,1;
dст более 50 см – Kg = 1,07¸1,15.
Индукция в стержне Вс, Тл, в ярме Вя, Тл, определяется для окончательного установленных значений Пс и Пя
Вс =  ;  Вя = Вс .
Значения Рс и Ря для различных значений индукции и марки стали могут быть взяты из табл. 1 для сталей горячей прокатки.
Активная составляющая тока, А, холостого хода
Iоа =   или в процентах Iоа =  ,
где    Ро –  потери холостого хода, Вт; S – мощность трансформатора, кВА.
Расчет реактивной намагничивающей составляющей тока холостого хода усложняется наличием  в магнитной цепи трансформатора немагнитных зазоров.

Таблица 1

Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз 
горячекатаной стали марок 1512 и 1513 и холоднокатаной стали
марок 3411, 3412 толщиной 0,35 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Добавочные потери в зоне шихтованного стыка для горячекатаной стали не учитываются.

При расчете намагничивающей мощности сердечник трансформатора разбивается на три участка – стержни, ярма, зазоры –, и для каждого из этих участков подсчитывается требуемая намагничивающая мощность.
Полная намагничивающая мощность трансформатора, ВА, для сердечника из холоднокатаной стали при «косых стыках» может быть выражена следующей формулой:
Qx = gxcGc+gхяGя+nзgхзПс ,
где    gxc и gхя     –       удельные намагничивающие мощности для стержня и ярма, определяется по табл. 2, ВА/кг; nз     –       число воздушных зазоров (стыков) в сердечнике; gхз –       удельная намагничивающая мощность ВА/см², для воздушных зазоров, определяемая при «прямых стыках», для индукции в стержне по табл. 2; Пс    –       активное сечение стержня, см².

Таблица 2
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне
шихтованного стыка qздля горячекатаной стали марок 1512 и 1513
и холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 толщиной 0,35 мм
при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Значения qз даны для шихтовки слоями в две пластины

В сердечниках с «косыми стыками» при угле наклона около 45о индукция в немагнитном зазоре для определения gхз находится как
Вз =  = 0,71Вс,
а площадь стыка Пс = 1,41Пс.
При расчете намагничивающей мощности для сердечника с «прямыми стыками», собранного из холоднокатаной стали, следует учитывать, что в тех частях сердечника, где направление вектора индукции магнитного потока не совпадает с направлением прокатки листов, магнитная проницаемость стали существенно понижается, и требуемая для создания магнитного потока намагничивающая мощность увеличивается.
В этом случае намагничивающую мощность увеличивают в К раз.
Для различных индукций величина К может быть принята:
В = 1¸1,2 Тл К = 1,8;
В = 1,2¸1,5 Тл                          К = 1,8–3,2;
В = 1,5¸1,6 Тл                          К = 3,2–4;
В = 1,6¸1,7 Тл                          К = 4,0–3,6.
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей хода, А,
Iоф = ,  в процентах  Iop = .
Полный ток холостого хода:
абсолютное значение Io = ,
в процентах Io = .
Полученное значение тока холостого хода не должно отличаться от заданного или нормы государственного стандарта более, чем на 15 %.
Коэффициент полезного действия трансформатора
) 100 % .
Для плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы современной трёхстержневой конструкции с взаимным расположением стержней и ярм, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, с прессовкой стержней, расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а ярм ярмовыми балками или балками с полубандажами, не имеющими сквозных шпилек в стержнях и ярмах, потери холостого хода могут быть рассчитаны по (1).
.  (1)
Такая магнитная система имеет четыре угла на крайних и два на средних стержнях.
Коэффициент увеличения потерь в углах может быть найден по формуле
.
Он зависит от формы стыков в углах крайних  и средних   стержней магнитной систем, коэффициенты для которых определяются по таблицам. Значения , рассчитанные для различных сочетаний формы стыков приведены в табл. 3.
Выражение åрзnзПз определяет потери в зоне стыков пластин магнитной системы с учётом числа стыков различной формы, площади зазора П3 для прямых и косых стыков, индукции по табл. 10 и частично 9.
Коэффициенты  и  определяются по табл. 5., а коэффи-циент  для различных вариантов прямых и косых углов – по табл. 6.
Коэффициент добавочных потерь  определяется по табл. 7.
Удельные потери в стали, в зависимости от величин магнитной индукции и марки стали, приведены соответственно в табл. 4.
Согласно ГОСТ 11677-85 для потерь холостого хода в готовом трансформаторе установлен допуск +15 %. Таким образом, в расчёте следует выдержать потери холостого хода в пределах нормы соответствующего государственного стандарта плюс 7,5 %.

Таблица 3

Коэффициент Кп.у, учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы, для стали разных марок при косом и прямом стыках для
диапазона индукций В = 0,9÷1,7 Тл при  f = 50 Гц

Примечания: 1. При индукции В = 1,8 Тл коэффициент, полученный из таблицы, умножить при косом стыке на 0,96, при прямом на 0,93; при В = 1,9 Тл – на 0,85 и 0,67  соответственно. 2. При комбинированном стыке на среднем стержне принимать Кп.у = (К´п.у+ К˝п.у)/2.

Таблица 4
Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз
для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 по ГОСТ 21427-83
и для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х
толщиной 0,35,  0,30  и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Продолжение табл. 4

Примечания:  1. Удельные потери для стали марки 3405 толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 толщиной 0,30 мм. 2. Удельные потери для стали М6Х толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 той же толщины.
3. В двух последних графах приведены удельные потери р3, Вт/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в одну и две пластины одинаковые для всех марок.

Таблица 5

Способы прессовки стержня и ярма и коэффициенты К  и  
для учёта влияния прессовки на потери и ток холостого хода

Таблица 6
Значения коэффициента  для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали разных марок при В = 0,9÷1,7 Тл и f = 50 Гц

Примечание. * — Комбинированный стык

Таблица 7
Коэффициент добавочных потерь  в (1) для стали
марок 3404 и 3405

Примечания: 1. Для стали марок М4Х и М6Х можно принять те же коэффициенты. 2. При прямоугольной форме поперечного сечения ярма коэффициент, полученный из таблицы, умножить на 1,07.

Полная намагничивающая мощность трансформатора с плоской магнитной системой из анизатропной холоднокатаной стали может быть рассчитана по формуле
,
где ,  и  – масса стали стержней и отдельных частей ярм, определённых так же, как и при расчёте потеть холостого хода, кг;
 – удельные намагничивающие мощности, определяемые по
табл. 8 и 9, ВА/кг;  – удельная намагничивающая мощность, определяемая по табл. 8 и 9 по индукциям для косых и прямых стыков, ВА/м²; Пз – площадь зазора, м²;  – коэффициент, учитывающий резку полосы рулона на пластины,
для отожженной стали марок 3404 и 3405  = 1,18;
для неотожженной – 1,49;
для стали марок М4Х и М6Х – соответственно 1,11 и 1,25.
 – коэффициент, учитывающий влияние срезания заусениц,
для отожженных пластин  = 1;
для неотожженных пластин – 1,01;
если заусеницы не сняты, то  = 1,02 и 1,05.
 – коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах, он принимается по табл. 10;
 – коэффициент, учитывающий форму сечения ярма,
для ярма многоступенчатого сечения  =1;
при соотношении числа ступеней стержня и ярма равном трём  = 1,04;
при соотношении равном шести  = 1,06;
для прямоугольного ярма  = 1,07.
 – коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы, определяется по таблице 5.;
 –коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма, равный
1,01 при мощности трансформатора до 250 кВА;
1,02 – при мощности 400 – 1000 кВА;
1,04 — 1,05 – при мощности 1000 – 6300 кВА;
1,09 – при мощности 10000 и более.
Коэффициент  определяется по табл. 11. и 12.

Таблица 8
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q  и в зоне
шихтованного стыка qз для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Окончание табл. 8

Примечание. В двух последних графах приведена удельная намагничивающая мощность qз, ВА/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в две пластины. При шихтовке в одну пластину данные qз, полученные из таблицы, умножить на 0,82 и на 0,78 для стали марки 3405.

Таблица 9

Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне шихтованного стыка qз для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х толщиной 0,35 и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Окончание табл. 9

 
Таблица 10

Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2, для холоднокатаной стали

Таблица 11
Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы для стали
различных марок при косом и прямом стыках, для диапазона
индукции 0,20¸1,90 Тл при f = 50 Гц

Окончание табл. 11

Примечание. Для стали марок 3412 или 3413 толщиной 0,35 мм при всех значениях индукции и значения  К’т, у (косой стык), полученные из таблицы для стали 3404, умножить на 0,65 или 0,80 и значения К˝т, у (прямой стык) – на 0,56 или 0,78 соответственно.

Таблица 12

Значения коэффициента  для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при f = 50 Гц

Измерение тока и потерь холостого хода / Справка / Energoboard

В соответствии с требованиями ПУЭ производится одно из измерений:
а) при номинальном напряжении. Измеряется ток холостого хода. Значение тока не нормируется;

б) при малом напряжении. Измерение производится с приведением потерь к номинальному напряжению или без приведения (метод сравнения).
Опытом холостого хода трансформатора называется включение одной из его обмоток (обычно низкого напряжения) под номинальное напряжение. Потребляемый при этом ток называют током холостого хода Iхх (обычно выражают в % от Iном).

Таблица 2.10. Векторные диаграммы и расчетные формулы для определения группы соединения силовых трансформаторов

Примечание: Формулы табл. 2.10

где U2 > и Кл соответственно линейное напряжение на зажимах обмотки низшего напряжения и линейный коэффициент трансформации.

Потребляемую при этом активную мощность называют потерями холостого хода Рхх (кВт). Эта мощность расходуется, в основном, на перемагничивание электротехнической стали (потери на гистерезисе) и на вихревые токи. Ток и потери холостого хода являются паспортными данными силовых трансформаторов.

Потери холостого хода трансформаторов Рхх, измеренные при нормальной частоте и весьма малом возбуждении (порядка нескольких процентов от номинального напряжения трансформатора), можно пересчитать к потерям холостого хода при номинальном напряжении по формуле

где Р’хх= Ризм – Рпр потери, измеренные при подводимом при измерении напряжении (возбуждении) U;
Рпр и Ризм — соответственно мощность, потребляемая приборами и суммарные потери в трансформаторе и приборах.

Заводы-изготовители производят измерения потерь холостого хода при номинальном напряжении и при малом (обычно 380 В) напряжении.

Измерение потерь холостого хода может быть произведено также при напряжении, равном 5 — 10% номинального. Отличие полученных значений потерь от заводских данных должно быть не более 10% для однофазных и не более 5% для трехфазных.

Измерение потерь холостого хода производится при напряжении и по схемам, указанным в протоколе испытания завода-изготовителя.

Если завод-изготовитель производил измерения потерь холостого хода только при номинальном напряжении трансформатора, то следует измерение потерь холостого хода произвести при напряжении 380 В и выполнить пересчет их к номинальному напряжению по формуле, указанной выше.

В дальнейшем измерение потерь холостого хода следует производить при напряжениях 380 В. У исправных трехфазных трехстержневых трансформаторов соотношение потерь, как правило, не отличается от соотношений, полученных на заводе-изготовителе, более, чем на 5%.

Для трансформаторов, имеющих переключающее устройство с токоограничивающим реактором, дополнительно производится опыт холостого хода на промежуточном положении «Мост».

Измерение потерь холостого хода при напряжении 380 В следует производить до измерения сопротивления обмоток постоянному току и прогрева трансформатора постоянным током.

При измерении потерь и тока холостого хода следует применять измерительные приборы класса точности 0,5. Для измерений могут использоваться переносные измерительные комплекты типа К-50 (К-51).

При измерении потерь и тока холостого хода при номинальном напряжении обмоток выше 0,4 кВ рекомендуется применять измерительные трансформаторы класса точности 0,2.

Потери холостого хода трехфазных трехстержневых трансформаторов измеряют при трехфазном или однофазном возбуждении.

При трехфазном возбуждении измерения производят двумя однофазными ваттметрами или одним трехфазным ваттметром (см. рис. 2.9).

Измеренные потери определяются как алгебраическая сумма потерь, измеренных каждым ваттметром. Потери в трансформаторе определяют как разность измеренных суммарных потерь и потерь в приборах (см. рис. 2.10), поскольку потери в приборах могут быть соизмеримы с потерями холостого хода.

Ток холостого хода трансформатора определяют как среднеарифметическое значение токов трех фаз.

При измерении потерь холостого хода при однофазном возбуждении напряжением 380 В проводят три опыта с приведением трехфазного трансформатора к однофазному путем поочередного замыкания накоротко одной из его фаз и возбуждении двух других фаз.

Первый опыт — замыкают накоротко обмотку фазы А, возбуждают фазы В и С трансформатора и измеряют потери.
Второй опыт — замыкают накоротко обмотку фазы В, возбуждают фазы А и С трансформатора и измеряют потери.

Соединение первичной обмотки в треугольник

Соединение первичной обмотки в звезду с выведенной нулевой точкой

Третий опыт — замыкают накоротко обмотку фазы С, возбуждают фазы А и В трансформатора и измеряют потери.

Группа соединения Y/Δ

Обмотки любой фазы замыкают накоротко на соответствующих выводах одной из обмоток трансформатора. Схемы однофазного возбуждения трехфазного трансформатора для измерения потерь при малом напряжении для различных групп соединений приведены на рис. 2.11.

Потери в трансформаторе при напряжении U’

где U’ — приложенное напряжение при замерах потерь холостого хода;

Приведенные к номинальному напряжению потери трансформатора измеренные при некотором малом напряжении U’ определяются

где n — зависит от сорта трансформаторной стали: для горячекатаной 1,8; для холоднокатаной 1,9.

При отсутствии дефектов и одинаковых значениях подведенного напряжения, приближенные соотношения между значениями фазовых потерь будут следующими:

• при соединении возбуждаемой обмотки в звезду (с доступной нейтралью) или треугольник потери, измеренные при подведении питания к выводам обмоток фазы «А» и «С» практически одинаковы и, как правило, не менее, чем на 25% больше потерь, измеренных при подведении питания к выводам обмотки средней фазы «В»;
• при соединении возбуждаемой обмотки в звезду без доступной нейтрали потери, измеренные при подведении питания к выводам «АВ» и «ВС», практически одинаковы, а потери, измеренные при подведении питания к выводам «АС» на 25% больше потерь, измеренных при подведении питания к выводам «АВ» и «ВС».

Необходимо иметь ввиду, что если измеряют потери у нескольких одинаковых трансформаторов (одинаковая трансформаторная сталь и одинаковая величина подводимого напряжения), то у сравниваемых трансформаторов одинаковым значениям потерь холостого хода при номинальном напряжении (указанным заводом-изготовителем), должны соответствовать приблизительно одинаковые значения потерь при малом напряжении. Кроме того, у одинаковых трансформаторов соотношения фазовых потерь должны быть приблизительно равными.

Опыт холостого хода однофазного трансформатора

Для определения параметров схемы замещения однофазного трансформатора используют опыт холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называют режим работы, когда нагрузка на вторичной обмотке отсутствует, то есть Z_н= ∞. При этом полезная мощность трансформатора равна нулю, так как ток во вторичной обмотке отсутствует. Мощность на входе трансформатора расходуется на тепловые потери в первичной обмотке I

Схема проведения опыта холостого хода для однофазного трансформатора. На схеме вольтметр V₁ измеряет напряжение, подведенное к первичной обмотке, вольтметр V₂ показывает напряжение на вторичной обмотке, амперметр A₁ измеряет ток холостого хода I₀, ваттметр W измеряет мощность холостого хода P₀.

В опыте холостого хода определяют следующие параметры:

1 – Ток холостого хода I₀. С помощью амперметра A₁ определяют ток холостого хода и выражают его в процентном соотношении от номинального тока.

2 – Коэффициент трансформации k. С помощью вольтметра V₁ в первичной обмотке устанавливают номинальное напряжение U_1н, а с помощью вольтметра V₂, определяют напряжение U₂₀, которое равно номинальному U_2н.  

3 – Потери в первичной обмотке P₀. Потери в первичной обмотке складываются из электрических и магнитных потерь. 

4- Коэффициент мощности cosφ. 

5 – Параметры намагничивающей ветви схемы замещения r_m x_m. 

6 – Угол магнитных потерь δ

Таким образом, с помощью опыта холостого хода определяется большая часть параметров необходимых для расчета и построения векторной диаграммы или схемы замещения трансформатора. Остальные параметры определяются в опыте короткого замыкания.

Тульский завод трансформаторов

В конечном счете, мощность трансформатора определяется его допустимым нагревом. Нагрев трансформатора вызван нагревом его магнитопровода (сердечника) и нагревом проводов обмоток. Нагрев сердечника определяется свойствами электротехнической стали (так называемыми удельными потерями, которые зависят от величины электромагнитной индукции) и не зависит от величины нагрузки, подключенной к трансформатору. Нагрев проводов обмоток определяется величиной тока, протекающего через обмотки, и удельного сопротивления материала обмоток (как правило, используются медные провода, реже — алюминиевые). Мощность нагрева обмоток пропорциональна квадрату силы тока и омическому (активному) сопротивлению обмотки. Таким образом, минимальный нагрев трансформатора будет иметь место в режиме холостого хода, когда нагрев обмоток минимален — через первичную обмотку протекает только ток холостого хода, а через вторичную обмотку ток совсем не протекает.

Большинством производителей проектируют трансформаторы таким образом, чтобы при полной нагрузке перегрев трансформатора (то есть превышение его температуры над температурой окружающей среды) не превышал 50…70 °. Если нагрузка трансформатора превысит номинальную, то температура перегрева превысит расчетную величину. Это приведет к ускоренному старению материалов трансформатора и к уменьшению срока его службы. При дальнейшем увеличении температуры перегрева трансформатор выйдет из строя. Однако температура перегрева может быть снижена применением принудительного охлаждения трансформатора — например, с помощью воздушного охлаждения (обдув вентилятором) или водяного охлаждения (прокачка холодной воды через специальную систему охлаждения, совмещенную с магнитопроводом или обмотками трансформатора). Следовательно, применение дополнительного охлаждения позволяет увеличить мощность, которую трансформатор способен отдать в нагрузку.

Можно также снизить нагрев применением проводов большего сечения. Однако для их размещения потребуется магнитопровод больших размеров (габаритов), и в результате получится трансформатор большей габаритной (номинальной) мощности. Поэтому увеличение номинальной мощности трансформатора сопряжено с увеличением его размеров (при сохранении температуры перегрева в допустимых пределах). Следует также заметить, что увеличение размеров трансформатора приводит к увеличению площади поверхности теплоотдачи и дает возможность рассеиванию большей тепловой мощности потерь в окружающую среду.

Нет, не зависит. Мощность, отдаваемая в нагрузку (номинальная мощность трансформатора) определяется только током и напряжением нагрузки (или вторичной обмотки, что одно и то же). Поскольку мощность трансформатора, как было показано выше (в ответе на вопрос 1) определяется допустимым нагревом обмоток, который, в свою очередь, пропорционален квадрату тока, для работы трансформатора не имеет значения, какая доля тока является активной, а какая реактивной. Как известно, соотношение активной и реактивной составляющей тока (а также напряжения или мощности) количественно определяется косинусом ФИ (Cosφ). При выборе трансформатора имеет значение только полная мощность, которую потребляет нагрузка и которая измеряется в ВА (вольт-амперы) и не имеет значения величина Cosφ.

В режиме холостого хода нагрев трансформатора определяется потерями мощности в стали магнитопровода. Нагрев провода катушек на холостом ходу отсутствует, поскольку ток в цепи вторичной обмотки не протекает, а через первичную обмотку протекает незначительный ток холостого хода, который практически не нагревает обмотку. В режиме холостого хода перегрев трансформатора составляет от 5 ° до 15 °, если трансформатор рассчитан правильно, а напряжение сети соответствует номинальному. Если же напряжение сети превышает номинальное, то нагрев увеличится, поскольку увеличатся потери в стали сердечника за счет увеличения величины индукции. При значительном (более 10…15 %) увеличении питающего напряжения возникнет насыщение стали магнитопровода. При этом, помимо резкого увеличения мощности потерь в сердечнике, резко увеличится также и ток холостого хода, что вызовет существенный нагрев обмоток. При длительном воздействии повышенного напряжения трансформатор выйдет из строя из-за перегрева.

Нет, нельзя. Мощность потерь на холостом ходу равна произведению напряжения и активной составляющей тока холостого хода. Ток холостого хода равен векторной сумме активной и реактивной составляющих, и без применения специальных измерительных приборов эти токи определить невозможно. Приблизительно можно руководствоваться следующей информацией: для тороидальных трансформаторов активная составляющая тока составляет 40…60 % от величины полного тока холостого хода; для трансформаторов с магнитопроводом из пластин активная составляющая тока равна 5…20 % от общего тока холостого хода.

Увеличение числа витков первичной обмотки трансформатора при заданном магнитопроводе и заданном питающем напряжении приведет к снижению величины индукции и, следовательно, — к уменьшению величины тока холостого хода. Однако увеличение числа витков увеличит сопротивление обмоток трансформатора, что увеличит потери мощности в обмотках. Поскольку мощность потерь в обмотках нагруженного трансформатора в несколько раз больше мощности потерь в магнитопроводе, при увеличении числа витков КПД трансформатора уменьшится.

Иногда для подбора выходного напряжения трансформатора прибегают к уменьшению или увеличению числа витков первичной обмотки. При этом следует знать следующее. Уменьшение числа витков приведет к увеличению величины индукции в стали магнитопровода и может привести к насыщению магнитопровода, следствием чего может быть перегрев трансформатора и выход его из строя (см. также ответ на вопрос 3). Увеличение числа витков приведет к увеличению нагрева трансформатора под нагрузкой, однако при этом будет повышена устойчивость трансформатора при возможных повышениях питающего напряжения — трансформатор в этом случае не войдет в насыщение. Кроме того, увеличение числа витков уменьшает пусковой ток включения трансформатора. Однако увеличение числа витков приводит к увеличению массы и стоимости трансформатора.

Известно, что расчетная плотность тока уменьшается с увеличением габаритной мощности трансформатора. Так для трансформаторов мощностью 5…25 ВА плотность тока может составлять 5…10 А/мм2, а для трансформаторов мощностью 4…5 кВА она не превышает 1…2 А/мм2. Плотность тока выбирается из условий обеспечения требуемой температуры перегрева и зависит от множества факторов: соотношения размеров магнитопровода, условий охлаждения трансформатора, расчетной величины индукции и др. Поэтому она может быть определена путем решения сложной системы уравнений, описывающих работу трансформатора. Величины плотности тока применительно к трансформаторам на конкретных сердечниках приведены в книге Котенева С.В., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей» (М.: Горячая линия — Телеком, 2013).

Можно. Но при этом надо помнить, что при включении в питающую сеть наименьшего числа витков первичной обмотки (что соответствует наибольшему напряжению вторичной обмотки) трансформатор не должен входить в насыщение. Трансформатор должен быть рассчитан так, чтобы при подключении к питающей сети секции первичной обмотки с наименьшим числом витков величина индукции не превышала бы номинальную. Тогда при подключении к сети всей обмотки индукция будет иметь значение меньше номинального. При этом свойства электротехнической стали будут использоваться не в полном объеме, а трансформатор будет иметь избыточность (увеличенное число витков первичной обмотки). Вследствие этого — увеличенная масса, большая стоимость. К такому способу прибегают в тех случаях, когда сделать отводы во вторичной обмотке затруднительно по технологическим соображениям, а также для более точной подгонки выходного напряжения.

Практически не зависит. Для заданного магнитопровода величина индукции зависит от числа витков и величины ЭДС (электродвижущей силы), действующей в обмотке. При работе трансформатора на нагрузку величина ЭДС несколько уменьшается, поскольку ток первичной обмотки вызывает падение напряжения на омическом сопротивлении этой обмотки. Величина этого падения составляет 1…5 %, примерно на такую же величину уменьшается и индукция в магнитопроводе трансформатора.

Да, может работать. При увеличении частоты, например, в два раза величина индукции также снижается в два раза. Это следует из формулы (2.25) названной выше книги. Однако увеличение частоты магнитного потока приводит к увеличению потерь в стали магнитопровода (это следует из формулы (2.27) книги). Потери растут пропорционально степени 3/2 частоты и степени 2 (квадрату) индукции, поэтому при повышении частоты потери в магнитопроводе будут уменьшаться. Разумеется, все написанное верно при неизменном питающем напряжении. Часто возникает вопрос о возможности работы трансформаторов, рассчитанных на 50 Гц в сети с частотой 60 Гц (в ряде стран в сети именно такая частота). Из сказанного выше следует, что увеличение частоты сети с 50 Гц до 60 Гц никак не повлияет на работоспособность трансформатора.

В тех случаях, когда мощности одного трансформатора недостаточно для питания потребителей, можно прибегнуть к параллельному или последовательному соединению обмоток трансформаторов. В зависимости от способа соединения первичной и вторичной обмоток возможны четыре различных варианта соединения трансформаторов. Варианты соединения сведены в таблицу.

Действительно, иногда возникает ситуация, когда необходимо запитать однофазных потребителей от стандартной промышленной трехфазной сети. Задача преобразования трех фаз в одну довольно часто встречается, например, на различных производствах с мощными однофазными станками. В частном секторе также часто возникают проблемы невозможности равномерного распределения бытовых и профессиональных потребителей по трем фазам питающей сети частного дома.

Казалось бы, можно однофазную нагрузку подключить к любой фазе сети. Но при этом, если потребитель достаточно мощный, а нагрузка по двум остальным фазам небольшая, может возникнуть так называемый перекос фаз: уменьшение напряжения на той фазе, к которой подключена нагрузка, и увеличение напряжения на двух других фазах. Чтобы этого не происходило, следует применять специальные трансформаторы, преобразующие трехфазное напряжение в однофазное. Такие трансформаторы решают проблему перекоса фаз, а также обеспечивают гальваническую развязку потребителей от питающей сети.

Последовательное и параллельное соединение дросселей позволяет увеличить суммарную индуктивность и суммарный рабочий ток. Формулы для вычисления индуктивности и тока приведены в таблице. В таблице приняты следующие обозначения: L₁, L₂ и i₁, i₂ — соответственно номинальные значения индуктивности и тока первого и второго дросселей; L и I — суммарные значения индуктивности и тока двух дросселей, соединенных последовательно или параллельно.

Пропитка трансформаторов и дросселей электротехническим лаком (Тульский завод трансформаторов использует лак марки МЛ-92) преследует несколько целей. Во-первых, пленка лака после высыхания обладает очень высокой электрической прочностью (то есть способностью без электрического пробоя выдерживать высокое напряжение) — для данного лака 40…65 кВ/мм. Во-вторых, лаковое покрытие обеспечивает определенную влагозащиту трансформатора от воздействия окружающей среды. В-третьих, пропитка лаком уменьшает подвижность витков магнитопровода и провода обмоток и несколько снижает уровень шума трансформатора или дросселя.

На Тульском заводе трансформаторов пропитке подвергаются все дроссели и трансформаторы мощностью более 0,1 кВА.

Как известно, в нашей стране питающая трехфазная сеть 380/220 В обязательно заземляется, то есть имеет, как говорят, гальваническую связь с землей. Поэтому в электрической бытовой розетке два провода неравнозначны: связанный с землей провод называется нулевым (или нейтральным) проводом, а второй провод называется фазным проводом. При касании фазного провода индикаторной отверткой индикатор светится, а при касании нулевого провода — нет. Если человек прикоснется рукой или другой частью тела к фазному проводу, через его тело будет протекать переменный ток. Величина этого тока будет зависеть от сопротивления тела человека и переходного сопротивления между телом и землей. Уменьшению переходного сопротивления способствует влажность обуви, пола, одежды. Человек начинает чувствовать ток величиной от 0,1…0,3 мА, а ток более 100 мА считается смертельным.

Применение разделительного трансформатора позволяет значительно снизить риск поражения электрическим током, поскольку вторичная обмотка такого трансформатора не имеет гальванической связи с землей. Применение разделительного трансформатора необходимо также для обеспечения нормальной работы некоторых типов газовых котлов.

Иногда в наличии оказывается трансформатор, рассчитанный на более высокое напряжение, чем напряжение питающей сети. Например, трансформатор рассчитан на напряжение 380 В, а его требуется подключить к сети 220 В, при этом напряжение вторичной обмотки оказывается достаточным для питания нагрузки. В таком случае следует иметь в виду, что трансформатор не сможет отдать в нагрузку номинальную мощность. Это связано с тем, что мощность равна произведению напряжения и тока; при уменьшении напряжения для сохранения мощности неизменной следует увеличить ток. Однако при увеличении тока через обмотки трансформатора будет увеличиваться нагрев обмоток, поскольку мощность потерь в обмотках будет возрастать пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, при питании трансформатора пониженным напряжением необходимо так рассчитать режим работы, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных величин. При этом мощность нагрузки снизится, то есть трансформатор не сможет отдать номинальную мощность.

Два наиболее распространённых примера питания нагрузки током несинусоидальной формы: регулирование мощности в нагрузке с помощью тиристорного регулятора с фазоимпульсным управлением и зарядное устройство для автомобильного аккумулятора. В первом случае форма напряжения представляет собой резаную вертикальной линией синусоиду, поскольку тиристор открывается с задержкой относительно нуля напряжения. Во втором случае форма тока представляет собой набор узких импульсов, поскольку ток заряда течёт только в те моменты времени, когда мгновенное значение напряжения на выходе зарядного устройства превышает напряжение заряжаемого аккумулятора.

При питании трансформатора напряжением, форма которого отличается от синусоидального, в общем случае нагрев трансформатора увеличится. Во-первых, увеличатся потери в стали магнитопровода. Это связано с тем, что в спектре несинусоидального напряжения имеются гармонические составляющие частот, кратных частоте основной гармоники 50 Гц. Как было показано в ответе на вопрос 10, увеличение частоты магнитного потока приводит к росту потерь в стали.

Во-вторых, возрастут потери в проводах обмоток при том же среднем значении тока, что и для сигнала синусоидальной формы. Количественно это характеризуется коэффициентом формы напряжения или тока. Попросту говоря, ток синусоидальной формы способен перенести большее количество энергии, чем ток такой же величины, но несинусоидальной формы. Это следует учитывать при выборе номинальной мощности трансформатора.

Удельное сопротивление алюминия в полтора раза больше, чем удельное сопротивление меди. Поэтому, для сохранения температуры перегрева трансформатора неизменной, сечение алюминиевого провода должно быть в полтора раза больше, чем сечение медного провода. Для укладки алюминиевого провода в общем случае необходим магнитопровод большего размера, чем для размещения медного провода. Следует также учитывать, что плотность (удельная масса) алюминия в три раза меньше аналогичного параметра меди; обмотки из алюминиевого провода при прочих равных условиях будут иметь массу примерно вдвое меньшую, чем обмотки из медного провода. Однако необходимость применения магнитопровода большего размера может привести к увеличению массы трансформатора. Кроме того, паять алюминий гораздо сложнее, чем медь, необходимо применять специальные флюсы и припои. В то же время трансформатор с обмотками из алюминиевого провода будет несколько дешевле, нежели его аналог с медными проводами.

Исходя из возможностей намоточного оборудования, разные производители для трансформаторов одной и той же мощности могут применять магнитопроводы с разным соотношением высоты к диаметру. Это первая причина различия в размерах трансформаторов одинаковой номинальной мощности. Другая причина — разные производители могут задавать разные температуры перегрева трансформатора. Выше, в ответе на вопрос 1, было показано, что увеличение температуры перегрева трансформатора приводит к снижению его размеров и массы. Поэтому, если имеются два трансформатора одинаковой номинальной мощности, но разных размеров, можно с уверенностью утверждать: меньший трансформатор будет сильнее нагреваться во время работы.

Если не рассматривать заведомо неверно рассчитанный и неправильно изготовленный трансформатор, то есть две главные группы причин выхода из строя трансформаторов: 1) неосторожное обращение при транспортировке и монтаже и 2) неправильная эксплуатация трансформатора. Трансформаторы боятся ударов, поскольку при ударе деформируются провода обмоток, а эмалевая изоляция повреждается; это может вызвать замыкание соседних витков обмоток, что приводит к локальным коротким замыканиям и резкому повышению температуры в местах таких замыканий. При этом величина выходного напряжения трансформатора будет отличаться от своего номинального значения. При монтаже трансформаторов следует помнить, что вся поверхность тороидального трансформатора образована витками проводов обмоток, и производить затяжку крепежных элементов (чашек) следует крайне осторожно. На Тульском заводе трансформаторов для трансформаторов мощностью 1,6 кВА и выше (а по желанию заказчика — и на меньшую мощность) применяются методы крепления, полностью исключающие механическое воздействие на витки обмоток.

При эксплуатации трансформаторов мощность подключённой нагрузки не должна превышать номинальную мощность трансформатора. Температура окружающей среды должна быть такой, чтобы температура трансформатора не превысила 120 °С (предельная температура нагрева эмальпровода). Чем меньше температура, тем медленнее происходит старение проводов обмоток. Одной из наиболее частых причин выхода из строя трансформаторов является их длительный перегрев по причине короткого замыкания в цепи нагрузки или подключения нагрузки с мощностью, превышающей номинальную мощность трансформатора. При таком перегреве происходит осыпание эмалевой изоляции проводов обмоток, что приводит к замыканию витков, ещё большему нагреву и, в конечном итоге, к расплавлению провода обмотки. Предохранитель в таких случаях срабатывает не всегда, поскольку перегрев может происходить при незначительном, но длительном превышении номинального тока.

Нет, нельзя. В основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции, который предусматривает изменение магнитного потока по величине и направлению. Это можно обеспечить подачей только переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора. Напряжение автомобильного аккумулятора (равно как и любого другого химического источника электроэнергии) является постоянным (по величине и направлению). Для преобразования постоянного напряжения в переменное, пригодное для подачи на трансформатор, следует применять специальные коммутаторы на механических или электронных элементах. Устройство, включающее в себя коммутатор и трансформатор и предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное, называется инвертором.

Такой вопрос иногда возникает, и он не так банален, как может показаться на первый взгляд. Возникает он обычно потому, что первичная обмотка трансформатора напоминает обмотку дросселя. Можно ли обмотку трансформатора использовать в качестве дросселя?

Вначале — о различиях. Главная функция трансформатора — изменять величину напряжения, подводимого к первичной обмотке. Главная функция дросселя — обеспечивать определённую (и постоянную) величину индуктивности в диапазоне токов от нуля до некоторого номинального значения. Невозможность дросселя выполнить функцию трансформатора обусловлена отсутствием в дросселе вторичной обмотки. В то же время, первичная обмотка трансформатора в некоторых условиях может выполнять функцию дросселя, но индуктивность такого «дросселя» будет существенно зависеть от величины протекающего тока. Чтобы исключить такую нежелательную зависимость, дроссели на сердечниках из трансформаторной стали обязательно имеют немагнитный зазор, который уменьшает относительную магнитную проницаемость, но позволяет обеспечить неизменность величины индуктивности во всём диапазоне рабочих токов дросселя. Кстати, существуют устройства, имеющие свойства и трансформаторов, и дросселей. Их называют трансреакторами. Реактор — одно из названий дросселя. Трансреакторы выполняются на магнитопроводах с немагнитным зазором и имеют первичную и вторичную обмотки. Подробно о трансреакторах написано в разделе «Информация».

Как рассчитать ток холостого хода асинхронного двигателя

Подписка на рассылку

Электродвигатель переходит в режим холостого хода, когда с его вала снимают рабочую нагрузку. В этом случае можно определить такие важные параметры функционирования устройства, как намагничивающий ток, мощность и коэффициент потерь в элементах конструкции привода. Но главное – в режиме холостого хода можно определить исправность устройства.

Так, электродвигатель на холостом ходу греться не должен. Но в некоторых случаях температура привода повышается – и это сигнализирует о неполадках, которые впоследствии могут проявить себя.

Параметры холостого хода электродвигателя

Как было сказано выше, холостой ход – это режим работы асинхронного электродвигателя, при котором на валу нет нагрузки. В этом случае устройство с точки зрения электротехники схоже с трансформатором. Но главное – оно потребляет меньше электроэнергии, что особенно важно для контроля правильности работы мотора.

В частности, ток холостого хода асинхронного электродвигателя в зависимости от мощности и частоты вращения составляет в среднем 20-90% от номинального. Существует таблица, в которой указаны данные значения.

Так, например, ток холостого хода электродвигателя на 5 кВт при частоте вращения в 1000 оборотов в минуту составляет 70% от номинального (см. рис. 2). При частоте вращения 3000 оборотов в минуту – всего 45% от номинального (см. рис. 3). Это важно учесть, так как если фактическая сила тока значительно расходится с расчётной, то это сигнализирует о неполадках.

Стоит отметить, что параметры работы двигателя обычно указаны в прилагаемой к нему документации или могут быть получены посредством расчётов.

Что делать, если греется электродвигатель на холостом ходу
Электродвигатель на холостом ходу греться не должен. Допускается лишь незначительное увеличение температуры, обусловленное естественными причинами – появление трения в подшипниках на валу ротора и сопротивление в обмотке. А вот заметный нагрев сигнализирует в первую очередь о неполадках в устройстве.

Чаще всего нагревается асинхронный электродвигатель на холостом ходу из-за межвиткового замыкания в обмотках. Это требует срочного ремонта. Ведь при повышении нагрузок межвитковое замыкание может привести к перегреву и выгоранию обмотки – и, как следствие, повреждению как самого ЭД, так и конструкции, в которую он установлен.

Ещё одна возможная причина нагрева ЭД в этом режиме – эксплуатация в нештатных условиях. Например, превышение напряжения. В этом случае необходимо срочно отключить питание двигателя, так как из-за перегрева может возникнуть межвитковое замыкание в обмотках или замыкание обмотки на корпус двигателя.

Реже нагрев ЭД наблюдается из-за затруднённого движения ротора. Стоит убедиться, что подшипники работают нормально, а между обмотками ротора и статора не попали загрязнения.

Ток – холостой ход – асинхронный двигатель

Ток холостого хода асинхронных двигателей достигает 20 – 40 % от номинального тока статора ( / 0 0 2 – 0 4 / IH), между тем как у трансформаторов ток / 0 составляет всего 2 5 – 10 % от / IH. Повышенное значение тока холостого хода асинхронной машины обуслоь-лено наличием воздушного зазора между статором и ротором. [1]

Ток холостого хода асинхронных двигателей достигает 20 – 40 % от номинального тока статора ( / 0 2 – 0 4 / IH), между тем как у трансформаторов ток / 0 составляет всего 2 5 – 10 % от / IH. Повышенное значение тока холостого хода асинхронной машины обусловлено наличием воздушного зазора между статором и ротором. [2]

Почему ток холостого хода асинхронного двигателя составляет 25 – 50 %, а у трансформатора 3 – 10 % от номинального тока. [3]

Почему ток холостого хода асинхронного двигателя составляет 25 – 50 %, а трансформатора – 3 – 10 % от номинального тока. [4]

Для определения активной составляющей тока холостого хода асинхронного двигателя необходимо предварительно вычислить: вес активной стали статора и магнитные потери в нем-для трехфазного асинхронного двигателя; вес стали статора и ротора и потери в них – для однофазного двигателя с беличьей клеткой и малоинерционного асинхронного двигателя с немагнитным полым ротором. [5]

Для определения активной составляющей тока холостого хода асинхронного двигателя необходимо предварительно вычислить: массу активной стали статора и магнитные потери в нем – для трехфазного асинхронного двигателя; массу стали статора и ротора и потери в них – для однофазного двигателя с беличьей клеткой и малоинерционного асинхронного двигателя с немагнитным полым ротором. [6]

Из-за большого магнитного сопротивления цепи с двумя воздушными зазорами ток холостого хода асинхронного двигателя значителен и является в основном реактивным током. [7]

Сопротивления Rm и Хт намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформатора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной. [8]

При повышении частоты и номинальном напряжении ток холостого хода и магнитный поток уменьшаются, а следовательно, снижается и вращающий момент. На рисунке 249 приведен график зависимости тока холостого хода асинхронного двигателя от частоты, который показывает, что уменьшение частоты влечет за собой резкое увеличение тока холостого хода. [10]

Ток холостого хода двигателя и потребляемая им реактивная мощность значительно возрастают в случае работы от сети с напряжением выше номинального. Поэтому во время эксплуатации необходимо следить за напряжением цеховых сетей и не допускать отклонения его от номинального. Величина тока холостого хода асинхронного двигателя возрастает также вследствие низкого качества ремонтных работ: неправильное соединение секций обмоток, изменение при перемотке обмоточных данных по сравнению с паспортными и увеличение величины воздушного зазора. [11]

Привет посетители сайта fazanet.ru, и в сегодняшней статье мы с вами разберём, как же сделать, этот непонятный расчёт тока электродвигателя. Каждый уважающий себя электромонтёр, робота которого связана с обслуживанием электрических, машин просто обязан это знать. Я в своё время тоже помню, что меня это очень сильно интересовало, когда меня перевили с одного цеха в другой. А конкретно именно работать электромонтёром.

Перед этим я уже немного затрагивал темы электродвигателей, когда писал о том как запустить асинхронные двигателей, и когда писал какие бывают номиналы электродвигателей.

Ну а теперь приступим конкретно к самому расчёту. Допустим: у вас есть трёхфазный асинхронный электродвигателей переменного тока, номинальная мощность, которого составляет 25 кВт, и вам хочется узнать какой же у него будет номинальный ток.

Для этого существует специальная формула: I_н = 1000P_н /√3•(η_н • U_н • cosφ_н),

Где P_н – это мощность электродвигателя; измеряется в кВт

Uн – это напряжение, при котором работает электродвигатель; В

η_н – это коэффициент полезного действия, обычно это значение 0.9

ну и cosφ_н – это коэффициент мощности двигателя, обычно 0.8.

Последние два значения обычно пишутся на заводской бирке, хотя они у всех двигателей практически одинаковые. Но все же нужно брать данные именно с заводской бирки на двигателе.

Вот как на этой картинке все значения видны, а ток нет. Только если КПД написан 81%, то для расчёта нужно брать 0.81.

Теперь подставим значения I_н = 1000•25/√3 • (0.9 • 380 • 0.8) = 52.81 А

Тем, кто не помнит, сколько будет √3, напоминаю – это будет 1,732

Вот и всё, все расчёты закончены. Всё очень легко и просто. По моему образцу вы можете легко рассчитать номинальный ток электродвигателя, вам всего лишь нужно подставить своих данных.

Как определить ток электродвигателя на практике.

Ещё в заключении, хотел поделиться с вами, тем как я определяю приблизительное значение тока без всяких расчётов. Если реально посмотреть, что у нас с вами получилось при расчёте, то реально вид, что номинальный ток приблизительно в два раза больше чем его мощность. Вот так я определяю ток на практике, мощность умножаю на два. Но это только приблизительное значение.

А ток холостого хода будет обычно в два раза меньше, чем его мощность. Но про то, как определить эти значения, мы поговорим с вами в следующих статьях. Так что подписывайтесь на обновления и не забываете поделиться этой статьёй со своими друзьями в социальных сетях.

Ток холостого хода трансформатора и метод его измерения при эксплуатации

Ни один трансформатор не может работать без потерь мощности. Мощность, поступающая на первичную обмотку из сети, не вся доходит до потребителя. Часть ее расходуется на бесполезный нагрев деталей агрегата: обмоток, магнитопровода. Для того, чтобы оценить потери мощности, оценивают ток холостого хода трансформатора (ХХ) и напряжение в режиме короткого замыкания.

Для измерения этих величин проводят опыт холостого хода и короткого замыкания для трансформатора. Рассмотрим подробнее, как это делается.

Методика и теоретические основы проведения опыта

Режим холостого хода трансформатора достигается сравнительно просто. Для этого достаточно отключить нагрузку от всех его обмоток, оставив их разомкнутыми, а затем – включить его в сеть. Для точности эксперимента желательно, чтобы напряжение в сети было равно номинальному для данного агрегата.

Через первичную обмотку протекает ток I_o, называемый током ХХ. Его величина не превышает 3-10 % от номинального. Напомним, никакой нагрузки на вторичной обмотке нет, поэтому стоит пояснить процессы, проходящие внутри, чтобы понять: откуда берется этот ток.

Ток ХХ создает магнитный поток Ф_о в магнитопроводе, пересекающий витки первичной и вторичной обмоток. За счет него на первичной обмотке возникает эдс самоиндукции Е₁, во вторичной появляется эдс взаимоиндукции Е₂.

Эдс самоиндукции Е₁ на первичное напряжение U₁ влияет незначительно. Если подключить к ней вольтметр, то он измерит величину U₁. А эдс Е₂ можно практически считать напряжением U₂, поскольку ток ее нагрузки отсутствует. К примеру, напряжение холостого хода сварочного трансформатора порядка 60В, это – эдс Е₂. При возникновении дуги Е₂ резко снижается до десятка вольт – это величина под нагрузкой U₂.

Потери полезной мощности в трансформаторе при его эксплуатации делятся на две составляющие: потери в меди и потери в стали. Под потерями в меди подразумевают мощность, рассеиваемую в качестве тепла в обмотках. При проведении опыта ХХ ток через первичную обмотку достаточно мал, и потерями в меди можно пренебречь.

Работа трансформатора в режиме холостого хода сопровождается расходом мощности на создание замкнутого магнитного потока в его магнитопроводе. Ее и называют мощностью потерь в стали. Она уходит на нагревание пластин магнитопровода. Он собран из отдельных тонких листов специального сплава, изолированных друг от друга лаком. При сборке не используется сварка, только болтовые соединения. Это сделано для минимизации вихревых токов, возникающих из-за того, что магнитный поток переменный.

Если изоляция между пластинами нарушается, то возникающие между ними вихревые токи нагревают магнитопровод. Это приводит к дальнейшему разрушению лакового слоя. Мощность потерь в стали при этом увеличивается, что увеличит потери холостого хода трансформатора.

Коэффициент трансформации

Для трансформатора существует понятие коэффициента трансформации, формула которого:

Ктр = Е₁/Е₂ = W₁/W₂

В итоге напряжение, которое будет на выводах вторичной обмотки, определяется соотношением количества витков обмоток. Это свойство используется для корректировки его величины на выходе.

Для этого в конструкцию входит регулирующее устройство, ступенчато переключающее число витков первичной обмотки. Положений для регулировки у него бывает от 3 до 5, при этом выходное напряжение с каждым шагом регулирования изменяется на 5% выше или ниже номинального. Переключающее устройство называют анцапфой.

[ads-pc-1][ads-mob-1]

Опыт ХХ проводят на среднем положении анцапфы, соответствующем номинальному значению.

При проведении опыта ХХ коэффициент трансформации измеряется. Для этого используются два вольтметра. Один из них подключается к первичной обмотке и измеряет U₁. Второй подключается к вторичной обмотке, он измеряет эдс ХХ. Входное сопротивление вольтметра при этом должно быть достаточно большим, чтобы не влиять на измеряемую величину. Деление показаний вольтметров дает величину коэффициента трансформации.

Трансформатор – может работать как повышающий, так и понижающий. Поэтому при проведении ремонтных работ на нем используется подача не только высокого напряжения на обмотку ВН, но и низкого на НН. Даже, если это измерительный трансформатор, имеющий небольшое вторичное напряжение, составляющее 100 В.

Мы рассмотрели холостой ход однофазного трансформатора. Для трехфазных устройств измеряется коэффициент трансформации на всех трех фазах, для чего используются либо одновременно 6 вольтметров, включенных на линейные напряжения трехфазной системы, либо один, подключаемый к точкам измерений поочередно.

Если номинальное напряжение питания первичной обмотки велико (6 кВ и выше), то на первичную обмотку подают 380 В. Для высоковольтных измерений невозможно применить приборы, обладающие соответствующим классом точности. К тому же процесс измерений на низком напряжении питания безопаснее.

Коэффициент должен измеряться на всех позициях анцапфы.

Коэффициент трансформации – показатель, свидетельствующий о том, есть ли в обмотках витковое замыкание. Разброс показаний по фазам более 2% или снижение их по сравнению с предыдущими данными дает основания полагать, что изоляция проводников обмоток где-то нарушена. Подозрение потребует подтверждения другими методами испытаний, например, измерением сопротивления. Также причиной увеличения разброса коэффициента трансформации может быть и повышенное сопротивление между контактами переключающего устройства – анцапфы. Что чаще всего и происходит, особенно если ею часто пользуются.

Измерение тока холостого хода

Для проверки тока холостого хода применяются амперметры прямого включения, присоединяемые последовательно с первичной обмоткой. Такое измерение тока производят при напряжении обмотки, равном номинальному.

У эксплуатируемых или вводимых в эксплуатацию трехфазных силовых трансформаторов замеры производятся для трех фаз одновременно или поочередно. Испытанию подлежат агрегаты, мощность которых 1000 кВА и выше.

Измерение мощности потерь в стали

Измерение потерь в магнитопроводе производят также только у мощных агрегатов. Для этого измеряют мощность, которая потребляется первичной обмоткой на холостом ходу. Можно использовать пониженное напряжение, подключаемое к обмотке через ваттметр. Это прибор, способный напрямую измерять мощность. Использование амперметра и вольтметра (косвенный метод измерения) подразумевает затем вычисление мощности путем умножения их показаний друг на друга. Рассчитанный результат получается искаженным, так как не учитывается коэффициент мощности – косинус угла между током и напряжением. Холостой ход трансформатора приводит к появлению угла порядка 90 градусов, что весьма существенно.

Ваттметр производит измерение уже с учетом коэффициента мощности, поэтому дорабатывать его показания нет необходимости. Измерение параметров напрямую всегда точнее, чем использование косвенного метода измерений. При наличии амперметра, вольтметра и ваттметра можно рассчитать по их показаниям коэффициент мощности трансформатора:

Cos ϕ = P₁/U₁∙Io

Производится вычисление из косинуса угла между напряжением и током. Теперь может быть построена векторная диаграмма. Расчет потерь производится по каждой фазе отдельно, для чего используется таблица.

Для измерений обязательно использование именно той схемы, которая применялась на заводе изготовителе (если о ней что-нибудь известно). Полученные значения не нормируются, но обязательно сравниваются с данными предыдущей проверки. Эта характеристика важна: если потери год за годом повышаются, это означает, что качество изоляции стальных пластин магнитопровода трансформатора ухудшается. Процесс этот необратим, повреждение будет развиваться в процессе эксплуатации, и скоро потребуется ремонт. Лучше выполнить его в плановом порядке.

Метод расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированный на использование в САПР / A calculation method of transformer exiting current for using in the automated design engineering

Пентегов И.В. Метод расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированный на использование в САПР / И.В. Пентегов, С.В. Рымар // Техническая электродинамика. – 1996. – № 1. – С. 39-45. Статья посвящена описанию метода расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированного на использование в автоматизированных расчетах. Предложена аппроксимация кривых намагничивания электротехнических сталей, дающая хорошее совпадение с опытными кривыми в диапазоне рабочих магнитных индукций трансформаторов (1,3…1,8 Тл). Она позволила получить аналитические выражения для определения тока намагничивания трансформатора. В приведенных формулах учтено влияние частоты магнитного потока и скин-эффекта, что делает их универсальными. Предложенный метод требует хранения значений лишь 5 параметров для каждой марки электротехнической стали и толщины листа, что позволяет избежать создания больших баз данных. Ключевые слова: трансформатор, ток холостого хода, ток намагничивания, магнитный поток, кривая намагничивания, аппроксимация, частота, магнитная индукция, скин-эффект, электротехническая сталь, аналитические вычисления, методика расчета, автоматизированное проектирование. / Pentegov I.V., Rymar S.V. A Calculation Method of Transformer Exiting Current for Using in the Automated Design Engineering. Tekhnicheskaia Еlektrodinamika – Technical Electrodynamics, 1996, no. 1, pp. 39-45. (Rus). The article describes the method of calculation of the exiting current of the transformer, based on the use of automated calculation. An approximation of the magnetization curves of electrical steel, which gives a good agreement with the experimental curves in the range of operating magnetic induction transformers (1,3… 1,8 T). It is possible to obtain analytical expressions for determining the magnetizing current of the transformer. In the above formulas take into account the effect of the frequency of the magnetic flux and the skin effect that makes them versatile. The proposed method requires the storage of the values of only 5 parameters for each grade electrical steel sheet thickness, thus avoiding the creation of large databases. Key Words: Transformers, Exiting Current, Magnetizing Current, Magnetic Flux, Magnetization Curve, Approximation, Frequency, Magnetic Induction, Skin Effect, Electrical Steel, Analytical Calculations, Calculation Method, Automated Design Engineering.

All figure content in this area was uploaded by Sergii Rymar

Content may be subject to copyright.

трансформаторов | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как работает трансформатор.
• Рассчитайте напряжение, ток и / или количество витков с учетом других величин.

Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжения из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление).Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный трансформатор (как на рис. 1), который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, таких как показано на рисунке 2. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее.Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более знакомым с ростом количества электронных устройств, которые работают от напряжения, отличного от обычных 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme)

Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Местное распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемый в этом тексте (см. Рисунок 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной обмоткой и вторичной обмоткой .При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке.

Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение В, , _, , почти полностью зависит от входного напряжения В, , _p и соотношения количества витков в первичной и вторичной катушках. Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает наведенное выходное напряжение В _с равным

[латекс] {V} _ {\ text {s}} = — {N} _ {\ text {s}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex],

, где N _s — количество витков во вторичной катушке, а Δ Φ / Δ t — скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС ( В, , _с = ЭДС _с ), при условии, что сопротивление катушки невелико (разумное предположение для трансформаторов). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаковы с обеих сторон. Входное первичное напряжение В _p также связано с изменением магнитного потока на

[латекс] {V} _ {p} = — {N} _ {\ text {p}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Причина этого немного более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению магнитного потока, вызванному входным напряжением В _p , отсюда знак минус (это пример самоиндукции , тема, которая будет исследована в некоторых подробнее в следующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, правило петли Кирхгофа говорит нам, что наведенная ЭДС точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках.Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменный выход, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор — это трансформатор, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной.На практике это почти верно — КПД трансформатора часто превышает 99%. Уравнивание входной и выходной мощности,

P _p = I _p V _p = I _s V _s = P _s .

Перестановка терминов дает

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p}}} {{ I} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].

В сочетании с [латексом] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}} } {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex], мы находим, что

[латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{ N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex]

— это соотношение между выходным и входным токами трансформатора.Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора

Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 петель и потребляет ток 10,00 А. а) Какое количество петель во вторичной обмотке? (b) Найдите текущий выходной сигнал вторичной обмотки.

трансформатор
 v1 1 0 ac 10 грех
 rbogus1 1 2 1e-12
 rbogus2 5 0 9e12
 l1 2 0 10000
 l2 3 5 100
 к l1 l2 0,999
 vi1 3 4 ac 0
 rload 4 5 1k
 .ac lin 1 60 60
 .print ac v (2,0) i (v1)
 .print ac v (3,5) i (vi1)
 .конец
 

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Первичная обмотка

частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Вторичная обмотка