что такое и как рассчитать?

Трансформаторы представляют собой сложное оборудование, которое предназначено для изменения параметров тока в цепи. Они могут повышать или понижать мощность, напряжение электричества в соответствии с требованиями потребителей.

В оборудовании при работе определяются некоторые потери мощности. Поэтому не вся электроэнергия, которая поступила на первичную обмотку, доходит к потребителю. При этом греется трансформатор (магнитопривод, обмотки и прочие детали). В различных конструкциях этот показатель неодинаков.

Холостой ход трансформатора позволяет определить токовые потери. Эта методика применяется в сочетании с определением напряжения в режиме короткого замыкания трансформатора. Этот процесс называется опытом агрегата. Он выполняется по определенной схеме.

Общее устройство и виды

Чтобы понять, что такое опыт холостого хода различных трансформаторов, необходимо рассмотреть, что собой представляет подобное оборудование.

Основные типы

Трансформаторами называются машины неподвижного типа, которые работают благодаря  электрическому току. Они меняют входное напряжение. Существует несколько видов подобных аппаратов:

1. Силовые.
2. Измерительные.
3. Разделительные.
4. Согласующие.

Чаще всего в энергетическую цепь требуется подключение силового трансформатора. Они могут иметь две или более обмоток. Аппарат может быть однофазный (бытовая сеть) или многофазный (промышленная сеть).

Особенности установок

Отдельно выделяются автотрансформаторы. В них есть только одна совмещенная обмотка. Также бывает сварочный аппарат. Они имеют определенную сферу применения.

В однофазном и многофазном оборудовании может устанавливаться различная номинальная мощность. Она может определяться в диапазоне от 10 до 1000 кВА и более. Маломощные однофазные и многофазные приборы могут быть в диапазоне до 10 кВА. Средние разновидности будут иметь мощность 20 кВА, 250 кВА, 400 кВА, 630 кВА и т. д. Если же этот показатель больше 1000 кВА, это установка высокой мощности.

Методология проведения опыта

Потери холостого хода трансформатора определяются при создании определенного режима. Для этого прекращается снабжение током всех обмоток. Они остаются разомкнутыми. После этого производится снабжение цепей электричеством. Оно определяется только на первом контуре. Аппаратура должна работать под напряжением, которое устанавливается при его производстве производителем.

Через первичный контур силовой, сварочной или прочей установки протекают токи, которые носят название ХХ. Их величина равняется не более 3-9% от заданного производителем показателя. При этом на обмотке вторичного контура электричество отсутствует. На первичном контуре ток производит магнитный поток. Он пересекает витки обеих обмоток. При этом возникает ЭДС самоиндукции на контуре первичном и взаимоиндукции – на обмотке вторичного типа.

Например, напряжение холостого хода сварочного трансформатора небольшой и средней мощности представляет собой ЭДС взаимоиндукции.

Подход к проведению измерений

Замер потерь холостого хода может производиться в двух аспектах. Их называют потерями в стали и меди. Второй показатель говорит о рассеивании тепла в обмотках (они начинают греться). В процессе проведения опыта этот показатель очень мал. Поэтому им пренебрегают.

Данные о потере тока холостого хода трансформатора представляются в виде таблицы. В ней рассчитаны параметры для стали определенных сортов и толщины. Ток холостого хода трансформатора рассматривается в аспекте мощности, которая создается в магнитом потоке и именуется потерей в стали. Она затрачивается на нагрев листов из специального сплава. Они изолируются друг от друга лаковым покрытием. При создании таких магнитоприводов не используется метод сварки.

Суть измерения

Если по какой-то причине нарушается изоляционный слой между пластинами магнитопривода, между ними возрастают вихревые токи. При этом система начинает нагреваться. Лаковый слой постепенно разрушается. Потери при работе установки возрастают, его эксплуатационные характеристики ухудшаются.

В таком случае потери мощности в стали увеличиваются. При проведении расчетов этих характеристик в режиме холостого хода можно выявить возникшие нарушения в работе агрегата. Именно по этой причине производится соответствующий расчет.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки применяется такое понятие, как коэффициент трансформации. Его формула представлена далее:

К = Е1/Е2 = W1/W2

Отсюда следует, что напряжение на вторичном контуре будет определяться соотношением количества витков. Чтобы иметь возможность регулировать выходное электричество, в конструкцию установки вмонтирован специальный прибор. Он переключает число витков на первичном контуре. Это анцапфа.

Для проведения опыта на холостом ходу регулятор ставится в среднее положение. При этом измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для проведения представленного опыта, при использовании понижающего или повышающего бытового агрегата, в расчет берется представленный коэффициент. При этом используют два вольтметра. Первый прибор подключается к первичной обмотке. Соответственно второй вольтметр подсоединяется к вторичному контуру.

Входное сопротивление измерительных приборов должно соответствовать номинальным характеристикам установки. Она может работать в понижающем или повышающем режиме. Поэтому при необходимости провести ремонтные работы, на нем измеряют не только подачу низкого, но и высокого напряжения.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе проведения опыта исследуются показатели на всех контурах. При этом потребуется применять сразу 6 вольтметров. Можно использовать один прибор, который будет подключаться поочередно ко всем точкам измерения.

Если установленное производителем значение на первичной обмотке превышает 6 кВ, на нее подают ток 380 В. При измерении в высоковольтном режиме нельзя определить показатели с требуемым  классом точности. Поэтому замер производят в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

В процессе проведения измерения анцапфу перемещают во все установленные производителем положения. При этом замеряют коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие в витках замыкания.

Если показания по фазам будут иметь разброс при замерах больше, чем 2%, а также их снижение в сравнении с предыдущими данными, это говорит об отклонениях в работе агрегата. В первом случае в системе определяется короткое замыкание, а во втором – нарушение изоляции обмоток. Агрегат не может при этом работать правильно.

Такие факты требуют подтверждения. Например, это может быть измерение сопротивления. Влиять на увеличение разброса показателей коэффициента могут возрастание сопротивления между контактами анцапфы. При частом переключении возникает такая ситуация.

Измерение тока

При опытном измерении тока холостого хода мастер применяет амперметры. Их необходимо подсоединять к первичной обмотке последовательно. Напряжение в контуре должно равняться номинальному значению.

Если проводится исследование работы трехфазного промышленного агрегата, замер выполняет для всех фаз одновременно или последовательно. При этом испытания производятся только для установок от 1000 кВА.

Измерение потерь

Потери в магнитоприводе замеряют исключительно при использовании мощной установки. При этом можно брать для расчетов пониженное напряжение, которое подключено к первичному контуру через ваттметр. Это прямой метод измерения.

При учете показателей вольтметра или амперметра потребуется умножить их мощности друг на друга. Это косвенный метод. При этом результат имеет определенную погрешность. Искажение происходит из-за невозможности учесть при таком расчете коэффициент мощности. Это конус угла, который образуется в векторной схеме между напряжением и током. В режиме холостого хода между ними появляется угол 90º.

Применение ваттметра

Ваттметр позволяет произвести замер с учетом коэффициента мощности. Это дает возможность получить более точный результат. Расчет выполняется по следующей формуле:

Cos φ = P1/U1*L0

Далее необходимо создать на основе полученного результата векторную диаграмму. По каждой фазе учитываются установленные потери. Для этого чаще всего строится таблица. При этом используется схема, которая изначально применялась производителем при создании оборудования.

Полученный результат не подлежит сравнению с нормативами. Показатели сравнивают только с характеристиками предыдущих проверок. Если потери с течением времени только возрастают, это говорит о нарушении изоляции пластин магнитопривода или появлении иных нарушений. Обратить этот процесс невозможно.

Проведение замеров холостого хода позволяет оценить состояние аппаратуры, а также определить потребность в необходимости планового или аварийного ремонта. Поэтому регулярные испытания позволяют правильно спланировать работу установки, предотвратить ее непредвиденное отключение.

Интересное видео: Описание основ работы трансформатора.

protransformatory.ru

Режим холостого хода трансформатора

Трансформатор, как таковой, предназначен для повышения или понижения напряжения, если это необходимо, а также он может служить для разделения электрических цепей. Он имеет, как минимум, две обмотки. Причем, одна из них – первичная, а другая (или несколько) – вторичные. В повышающем трансформаторе количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, в понижающем – меньше.В разделительных трансформаторах – число витков одинаково в обоих обмотках.

Каждый трансформатор через определенный промежуток времени проходит проверку, или, говоря техническим языком – поверку. Главные испытания, которые проходит любой трансформатор, это:

1. Проверка работы в режиме холостого хода
2. Проверка под нагрузкой (на различных режимах)
3. Проверка работы в режиме короткого замыкания.

Обычный двухобмоточный трансформатор на схемах обозначается следующими символами:

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

В зависимости от того, разделительный это трансформатор(рис 1), повышающий(рис 2) или понижающий(рис 3).

Проверка работы холостого хода производится при подключении в сеть первичной обмотки.

Вторичная, при этом, на нагрузку не включается. Имеем напряжение U₁на первичной обмотке, и напряжение U₂ на вторичной. Ток I₁будет иметь некоторое значение, в отличие отI₂ который будет равен нулю.

Схема подключения для данного опыта представлена на рис. 4

Рисунок 4

Для лучшего понимания процесса перечертим трансформатор (см. рис.5) в ином виде:

Рисунок 5

Первичная обмотка с числом витков W₁ подключена в сеть стандартного напряжения U₁. Если обмотка имеет сопротивление не равное бесконечности, то по ней потечет ток I₁. Из курса физики знаем, что всякая обмотка, через которую протекает ток, создает магнитное поле. В данном случае переменное поле, то есть интенсивность его меняется во времени и направление поля тоже меняется во времени. Магнитный поток Ф зависит от индуктивности катушки Lи силы тока в ней, в данном случае I₁. Формула: Ф = L* I₁. Сердечник трансформатора, на котором намотаны катушки, обычно делаются из тонких стальных листов, для уменьшения потерь этого магнитного потока. Однако потери все равно есть, из-за, так называемого, рассеивания. Данный магнитный поток будет одинаковым, как в режиме холостого хода, так и в режиме нагрузки, то есть, когда на вторую обмотку подключен потребитель и по ней потечет ток.

Вышеназванный переменный магнитный поток Ф будет создавать электродвижущую силу как во вторичной обмотке e₂, так и в первичнойe₁. Во вторичной обмотке нагрузки нет (потребитель не подключен), то нет и тока I₂. То есть он равен нулю. А напряжение U₂ есть, какое оно мы рассмотрим позже.

В первичной обмотке цепь замкнута и ЕДС e₁ создает ток противодействующий основному току I₁ и собственный магнитный поток, который противодействует потоку Ф.  В связи с этим, ток холостого хода никогда не бывает большим. Для крупных трансформаторов это в пределах 5%, максимум 10% от номинального. Для трансформаторов малой мощности вне ответственных изделиях, например зарядных устройствах телефонов, этот ток может доходить до 30 и более процентов от номинального.

Напряжение U₁ есть сумма от падений напряжений на активном сопротивлении U_А1, а так же от создания магнитного потока Ф, которое обозначим U_L1 и падения напряжения от создания потока рассеивания U_LS1.

Значит формула, согласно закону Кирхгофа будет иметь вид: U₁=U_А1+U_L1+U_LS1. В свою очередь U_А1=I₁*R₁. Где R₁ – активное сопротивление на первичной обмотке. Витки обмотки, как правило, медные, по этой причине сопротивление R₁ имеет очень малое значение.

Если трансформатор собран для ответственной работы, то и поток рассеивания так же будет мал. U_LS1=X_LS*I₁=2πfL_s1* I₁, где f–промышленная частота 50 герц, а L_s1 – поток рассеивания. И тем и другим слагаемым можно пренебречь по сравнению с потерями на перемагничивание стали сердечника трансформатора. В этом случае мы допускаем, что все напряжение тратится на создание потока Ф, а он зависит от тока в проводнике, в данном случае I₁ и индуктивности L, которая зависит от количества витков в обмотке. Но так как магнитный поток в первичной и вторичной обмотке одинаков, то напряжение U₁ и U₂ зависят только от количества витков в первичной и вторичной обмотке. Коэффициент зависимости этих напряжений и называется коэффициентом трансформации К = U₁/U₂= e₁/e₂ = W₁/W₂.

Напомним, что противодействие основному потоку возникает только при его изменении, то сеть при переменном потоке (иными словами при переменном токе в цепи). Если обмотку трансформатора включить в цепь постоянного тока, то она наверняка перегорит, поскольку противодействие будет составлять только активное сопротивление, а оно очень мало.

Если нам известен ток первичной обмотки I₁, напряжение на первичной обмотке U₁, напряжение на вторичной обмотке U₂ и потребляемая трансформатором мощность S, то мы можем вычислить следующие параметры:

1. Коэффициент трансформации К = U₁/U₂
2. Процентное значение тока холостого хода: i = (I_xx/I_H)*100, где I_xx – ток холостого ходав данном случае I₁, I_H – ток при номинальной нагрузке.
3. Активное сопротивление первичной обмотки R₁ = P_А/I_xx
4. Полное сопротивление первичной обмотки Z₁ = U₁/I_xx
5. Индуктивное сопротивление первичной обмотки X₁ = (Z²₁ -R²₁)
6. Коэффициент мощности трансформатора cosφ = S/I₁²R₁

Поскольку пункт 2 невозможно вычислить без проверки трансформатора при нагрузке, то и последовательность проверок, как правило, следующее: под нагрузкой, при коротком замыкании и при режиме холостого хода.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

Трансформатор. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (профильного и углубленного уровней).

Компьютерная программа иллюстрирует принцип действия трансформатора.

Краткая теория

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Различают два режима работы трансформатора.

1. Трансформатор на холостом ходу (нагрузка отсутствует)

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке (имеющей N₁ витков) обозначить как ε₁, а полную ЭДС индукции, возникающую во вторичной обмотке (N₂ витков) как ε₂, то имеет место следующее соотношение:

Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции.

Величина K называется коэффициентом трансформации. При K > 1 трансформатор является понижающим, а при K < 1 – повышающим.

2. Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи:

Отсюда:

Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Работа с моделью

Компьютерная программа моделирует два режима работы трансформатора.

• Трансформатор на холостом ходу (ненагруженный).
• Нагруженный трансформатор.

В режиме холостого хода модель позволяет проводить эксперимент, изменяя число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора, напряжение на первичной обмотке (напряжение на вторичной обмотке изменяется автоматически, в соответствии с выбранными пользователем параметрами).

В режиме нагруженного трансформатора можно изменять число витков первичной и вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотке, сопротивление нагрузки. Выводятся значения напряжения на вторичной обмотке, а также силы тока в первичной и вторичной обмотках.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 11 классе по теме «Трансформатор». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися принцип действия трансформатора, его работу на холостом ходу и с нагрузкой.

Пример планирования урока с использованием модели

Тема «Трансформатор»

Цель урока: рассмотреть принцип действия трансформатора, ввести понятие холостого хода трансформатора, коэффициента трансформации.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы 1 Организационный момент 2 2 Повторить основные понятия из темы «Электромагнитная индукция» 10 Фронтальный опрос 3 Объяснение нового материала по теме «Трансформатор» 20 Объяснение нового материала с использованием модели «Трансформатор» 4 Решение задач по теме «Трансформатор» 10 Фронтальная работа с использованием модели «Трансформатор» 5 Объяснение домашнего задания 3

Таблица 1.

Примеры вопросов

• Что можно сказать о магнитном потоке, пронизывающем первичную и вторичную обмотки трансформатора? Какая часть трансформатора это обеспечивает?
• За счет чего трансформатор изменяет величину напряжения?
• По данным модели определить коэффициент трансформации.
• Определить повышающий трансформатор или понижающий.

files.school-collection.edu.ru

Вопрос 5 Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

Рисунок 212

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э.д.с.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂)

Вопрос 6 Холостой ход трансформатора.

Режимом холостого хода называется режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке , а на первичную обмотку подается номинальное напряжение

Под воздействием подсоединённого электрического напряжения по первичной обмотке трансформатора начинает течь некоторая сила тока (который равен электрическому току холостого хода). Сила тока холостого хода трансформатора равна около 5—10% номинального его значения, а в электрических трансформаторах с малой мощностью (примерно десятки вольт-ампер) может достигать величины в 30% и даже больше номинального рабочего.

Для непосредственного измерения электрического тока холостого хода, которое возникает при подсоединении к первичной обмотке трансформатора напряжения и потребляемой электрической мощности в имеющейся цепь этой обмотки включены различные измерительные электроприборы (вольтметр V, амперметр А и ваттметр W). Вторичная обмотка проверяемого электрического трансформатора, в свою очередь, замкнута на вольтметр, внутреннее сопротивление которого довольно большое, поэтому сила тока на вторичной обмотки трансформатора почти равна нулю. Сила тока холостого хода трансформатора возбуждает в его магнитопроводе электромагнитный поток, что в свою очередь индуктирует электродвижущую силу (ЭДС) Е1 и Е2, как в первичной, так и во вторичной обмотках нашего трансформатора. Во вторичной обмотке электрического трансформатора тока нет, а следовательно, не будет и падения электрического напряжения в имеющемся сопротивлении данной обмотки, по этой причине электродвижущая сила (ЭДС) приравнивается действительному напряжению, то есть Е2=1/2. Отсюда следует, что электродвижущая сила (ЭДС) вторичной обмотки трансформатора определяется значениями вольтметра, подключенного в эту обмотку. Сила тока холостого хода трансформатора, который протекает в его первичной обмотке, весьма мала, если сравнивать с номинальным его значением, поэтому имеющееся падение электрического напряжения во внутреннее сопротивлении первичной обмотки довольно маленькое по сравнению с подключённым электрическим напряжением. Отсюда следует, что подключённое напряжение почти полностью сбалансируется электродвижущей силой (ЭДС) первичной обмотки трансформатора и реальная величина электрического напряжения и электродвижущая сила (ЭДС) приблизительно равны между собой. Значит, при работе холостого хода трансформатора электродвижущая сила первичной обмотки полностью определится действительным показанием вольтметра, который включен в ее электроцепь.

Для однофазного трансформатора на основе данных опыта холостого хода можно рассчитать:

– коэффициент трансформации

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветви намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветви намагничивания

.

– индуктивное сопротивление ветви намагничивания

Часто определяют также коэффициент мощности холостого хода:

studfiles.net

Трансформатор. Холостой и рабочий ход

Трансформатор

Электрический ток можно преобразовывать практически без потерь. На практике чаще всего требуется невысокое напряжение. Устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения, называется трансформатором. Или трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым.

Простейший трансформатор состоит из сердечника 2 (магнитопровода) замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная 1 и вторичная 2. Сердечник собирают из множества тонких пластин ферромагнитного сплава для того, чтобы снизить воздействия вихревых токов внутри стали, возникающих при появлении магнитного поля.

Условное обозначение трансформатора

Принцип действия трансформатора основано на  явлении электромагнитной индукции. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная, соответственно, к потребителям электроэнергии. Протекающий по первичной обмотке ток создает переменный магнитный поток (Ф) в сердечнике трансформатора. В результате магнитной индукции переменный магнитный поток   в сердечнике трансформатора создает в обмотке ЭДС индукции, в том числе и в первичной обмотке.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора: 

U₁  —  напряжение на первичной обмотке трансформатора, В;

U₂  —  напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В;

N₁  — число витков на первичной обмотке;

N₂  — число витков на вторичной обмотке;

K – коэффициент трансформации.

При k > 1 трансформатор будет понижающим, при k < 1 — повышающим.

Режимы работы трансформатора:

• Режим холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой;
• рабочим режимом (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с сопротивлением R = 0;
• режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, т.к. в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

Передача и использование электрической энергии

Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Трансформаторы в случае широко используются Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линии электропередачи (ЛЭП). При  передаче электроэнергии на большие расстояния неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Потери при нагревании электрических проводов прямо пропорционально I² через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца). Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI). Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор, а понижающий трансформатор — между  ЛЭП и потребителем электроэнергии.

В бытовых электроприборах (по технике безопасности) используются небольшие напряжения 220 и 380 В. У современных трансформаторов высокий КПД — свыше 99%.

Технологическая цепочка передачи электроэнергии

kaplio.ru

Что такое холостой ход трансформатора

Трансформаторы являются устройствами, предназначенными для повышения и понижения переменного напряжения. При этом частота тока не меняется, также, как и практически не изменяются его мощностные характеристики. Каким бы ни был трансформатор (по разным критериям их можно разделить на несколько групп), он имеет ряд сходных характеристик, на которые следует обращать особое внимание, не только во время эксплуатации, но и во время проверки работоспособности устройства.

Содержание:

Трансформаторы и режимы их работы

Работа всех трансформаторных устройств, а их около десятка различных видов, способны соответствует одному из трех основных режимов:

• Холостому ходу.
• Короткому замыканию.
• Нагрузочному режиму.

Один из наиболее важных режимов — холостой ход трансформатора, ведь именно на основании информативных показателей опытов холостого хода проводится доскональный анализ любого их режимов. Для этого также требуются параметры схемы замещения.

Как определить коэффициент трансформации и другие параметры? ↑

Что такое «холостой ход трансформатора»? По сути, это особый режим работы устройства, условием которого является разомкнутость вторичной обмотки, а первичная обмотка имеет номинальное напряжение. В таком состоянии, при проведении ряда расчетов, можно определить точные параметры целого ряда показателей, например, для трансформаторных устройств распространенного однофазного типа так рассчитываются:

• коэффициент трансформации;
• активное, полное, индуктивное сопротивление ветви намагничивания;
• коэффициент мощности, процентное значение тока и измерения холостого хода.

Алгоритм проведения измерений холостого хода выглядит так:

• Измеряется ток, который был приложен к первичной обмотке, посредством измерительных приборов, которые включены в общую цепь.
• Замыкается вторичная обмотка на вольтметре. Сопротивление должно быть такой величины, чтобы значение тока вторичной обмотки приближалось к минимальной отметке.
• Величина тока холостого хода в первичной обмотке минимальна относительно значения номинала, если сравнивать с прикладываемым напряжением, которое приводит в равновесие электродвижущая сила первичной обмотки. И оба этих показателя отличаются незначительно, а значит значение хода электродвижущей силы в первичной обмотке можно определить по данным вольтметра.

Наиболее точные искомые значения можно получить, используя обмотки различного напряжения — низкого и высокого. Точность таких измерений будет определяться разницей номиналов между ними.

Причины и следствия потерь холостого хода трансформатора ↑

Потери холостого хода трансформаторных устройств любого типа — это следствие износа устройств. Со временем их магнитная система и структура используемого металла стареет и меняется, межлистовая изоляция становится хуже, а прессовка сердечника ослабляется. Естественно, вы это негативно сказывается на уровне потерь электроэнергии.
Практика показывает, что вопреки установленных нормам, согласно которым потери могут отличаться от заводских показателей не более, чем на пять процентов, во многих случаях они превышают порог в пятьдесят процентов. Особенно это касается трансформаторов силового типа. Данные измерений такого типа устройств позволяют довольно точно прогнозировать потери энергии в каждом отдельном муниципалитете.

Инженерный центр «ПрофЭнергия» имеет все необходимые инструменты для качественного проведения обслуживания трансформаторных подстанций, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории «ПрофЭнергия» вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Если хотите заказать обслуживание трансформаторных подстанций или задать вопрос, звоните по телефону: +7 (495) 181-50-34.

Как измерить потери холостого хода трансформатора? ↑

Основные принципы измерений потерь холостого хода всех видов трансформаторных приборов прописаны в ГОСТах.
Главной причиной ошибочных результатов, полученных во время проведения измерений, можно назвать низкую точность измерительных устройств и неверные действия замерщиков, а также несоответствие необходимым условий проведения измерений.
Чтобы избежать отклонений, влияющих на прогнозы и корректировку условий и интенсивности эксплуатации приборов, стоит предварительно разработать, согласовать с изготовителем и утвердить методику измерения потерь в данном режиме.

Плавность регулировки сварочного трансформатора ↑

Эффективность действия устройства напрямую зависит от такого явления, как электромагнитная индукция. Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора? Напомним, что такой режим устанавливается при разомкнутой вторичной обмотке в тот момент, когда подключается первичная обмотка с током I1. Напряжение сети переменного тока в данном случае равно U1.

Ток, идущий по первичной обмотке, моделирует магнитный поток с переменными характеристиками, индуцирующий переменное напряжение U2, возникающее во вторичной обмотке. А так как ее цепь находится в разомкнутом состоянии, соответственно ток I2 имеет нулевое значение. То есть во вторичной цепи нет никаких затрат электроэнергии. В этих условиях вторичное напряжение, которое возникает в комментируемом режиме, достигает пиковых значений. Такая величина является напряжением холостого хода.

Принцип действия таких устройств базируется на преобразовании стандартного сетевого напряжения. Этот стандарт преобразуется в напряжение холостого хода, имеющее приблизительный диапазон от 60 до 80 В.

Все параметры и их соотношение влияют на уровень и плавность регулировки. Делать это можно двумя путями: меняя значение либо индуктивного сопротивления, либо напряжения холостого хода.

В первом случае, который является более частотным и популярным, регулировка сварочного тока происходит более плавно. Вторым предпочитают пользоваться, как альтернативным.
Плавность двухдиапазонного регулирования мощности тока в процессе работы трансформатора сварочного типа играет важную роль, так как дает возможность значительно снизить показатели массы, а также ощутимо уменьшить размеры устройства. Получить широкий диапазон больших токов можно, включая попарно параллельно катушки как первичной, так и вторичной обмоток, а чтобы получить диапазон токов малой мощности, их необходимо включать в последовательном режиме.

energiatrend.ru

Трансформаторы

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор—неподвижная электрическая машина. Предназначен для изменения параметров электрического сигнала (I, U и др.).

Виды трансформаторов:

• измерительные трансформаторы—предназначены для согласования параметров контролируемых цепей и приборов, для разделения (гальванической развязки) силовых цепей и цепей управления;

• разделительные трансформаторы—гальваническая развязка цепей и ограничение передаваемой мощности;

• согласующие трансформаторы

• силовые трансформаторы.

Силовые трансформаторы по числу фаз:

• однофазные

• многофазные

по типу обмоток:

• двухобмоточные

• трехобмоточные

• многообмоточные

• с расщепленной обмоткой

Существуют также автотрансформаторы—они имеют только одну обмотку.

Силовой однофазный трансформатор.

Номинальная мощность—полная мощность на первичной обмотке—измеряется в кВА. До 10 кВА—трансформаторы малой мощности, 101000 кВА—средней мощности, >1000 кВА—большой мощности. Трансформаторы не имеют обмотки первичного и вторичного напряжения—есть обмотки высшего и низшего напряжения, бывает также обмотка среднего напряжения. По типу магнитопровода трансформаторы бывают:

• стержневой конструкции,

• броневой конструкции,

• тороидальной конструкции.

Рис. 85, 86, 87, 88

	стержневая конструкция
	броневая конструкция

тороидальная конструкция

Принцип действия. Основные уравнения.

Под действием напряжения в обмотке течет ток , который создает магнитный поток. Этот поток, если он синусоидальный, создает в первой обмотке ЭДС самоиндукции.

—поток рассеивания.

Запишем уравнение состояния первичной обмотки:

, где

—ЭДС первичной обмотки, вызванная рабочим магнитным потоком 

—активное сопротивление первичной обмотки

—индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния.

—коэффициент трансформации, не комплексное число, т.к. исмещены на один угол. Под действиемпотечет ток черезz_Н, возникнет .

Уравнение состояния вторичной обмотки:

, где —индуктивное сопротивление вторичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния.

Активное сопротивление больше омического. Омическое сопротивление измеряется на постоянном токе, активное—на переменном. Активное сопротивление больше, т.к. присутствует скин-эффект (вытеснение проводящего слоя во внешнюю часть проводника  уменьшается эффективная площадь проводника).

Вторичная обмотка создает рабочий поток, направленный встречно рабочему потоку первичной обмотки  при нагрузке трансформатора рабочий магнитный должен уменьшаться, что приводит к уменьшению  увеличивается ток  рабочий поток увеличивается.

­­­­­—баланс намагничивающих сил

—ток первичной обмотки при разомкнутой вторичной, т.н. ток холостого хода трансформатора.

Холостой ход трансформатора.

Вторичная обмотка разомкнута  весь ток, потребленный первичной обмоткой, и вся мощность будут расходоваться на создание магнитного поля в машине и сопутствующие процессы. Если напряжение синусоидальное, то ток тоже синусоидальный  в трансформаторе существует пульсирующее магнитное поле. Принято ток в первичной обмотке при холостом ходе обозначать—.

связать обмотки можно соотношением:

и создаются рабочим магнитным потоком. Раз поток один, то ЭДС в каждой обмотке одинакова и фазы тоже одинаковые (т.к. ЭДС—производная потока по времени).

Рис.92

(вектор направлен перпендикулярно, т.к. ЭДС—производная потока по времени, вектор направлен также).

В магнитопроводе возникают какие-то потери, на их покрытие нужна мощность, которую можно взять только из сети  будет под углом к, угол будет меньше 90. —угол магнитных потерь. ₀  

—намагничивающий ток (реактивная составляющая ).

Активная составляющая отвечает за покрытие потерь в ферромагнетике. Если сравнить с номинальным током трансформатора, тосущественно меньше номинального тока (=0,55% от ). Т.к. ток не большой, то и потери, вызываемые этим током в активном сопротивлении первичной обмотки, тоже малы, во вторичной обмотке потерь нет, т.к. она разомкнута. Трансформатор спроектирован так, что в номинальном режиме электрические и магнитные потери почти равны друг другу. Электрические потери~ квадрату тока в первичной обмотке. Даже если , то электрические потери составят 0,5%. Если в номинальном режиме электрические потери больше магнитных в 2 раза, то все равно электрические потери при холостом ходе составляют 1% от магнитных.

Номинальные данные: номинальная мощность трансформатора—полная мощность S [кВА].

Стандартный ряд мощностей 10, 16, 20, 25, 40, 63, 8010ⁿ, где n—целое число, в том числе и отрицательное.

Схемы и группы соединения обмоток, U_1ном /U_2ном. U_К в % от номинального напряжения.

Каталожные данные: все вышеперечисленное, а также I₀ % к I_ном, потери короткого замыкания P_к, потери холостого хода P₀, U_ном=U_л трехфазной цепи.

Номинальное напряжение потребителя:

220, 380, 660—низшее

6, 10 кВ—среднее

20, 35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ—высшее.

U генератора = U потребителя + 5%.

Вся потребленная мощность при холостом ходе расходуется на магнитные потери. Поскольку падение напряжения в первичной обмотке при холостом ходе достаточно мало, то U₁ близко к E₁  отношение , т.е.U₂₀=U_2н.

Процесс намагничивания магнитопровода в однофазном трансформаторе

Пусть на вход трансформатора поступает идеальное синусоидальное напряжение, пусть r₁ и x₁ трансформатора пренебрежимо малы, тогда в режиме холостого хода напряжение U₁ должно полностью уравновешиваться ЭДС трансформатора  ЭДС трансформатора тоже должна быть строго синусоидальной. Такую ЭДС мы получим, если магнитный поток (или индукция) будет строго синусоидален. Рис.94.

Основная кривая намагничивания зависит только от ферромагнетика. В намагничивающем токе в явном виде присутствует третья гармоника. Она находится в противофазе с первой. Несинусоидальность тока вызывает несинусоидальность падения напряжения на всех элементах. Высшие гармоники забивают потерями все железо и т.д.

Т.к. реально в первом квадрате не основная кривая намагничивания, а петля гистерезиса, то кривая становится несимметричной относительно /2, появляются также высшие четные гармоники. Чем больше амплитуда ЭДС, тем больше несинусоидальность, i_ растет нелинейно. Т.е. для трансформатора крайне нежелательно перенапряжение. Рис.95.

Несинусоидальность вызывается тем, что магнитный поток (индукция) изменяется синусоидально  магнитный поток растет ~ ЭДС, магнитные потери растут ~ B², мощность потерь ~ производной тока на ЭДС  активная составляющая тока холостого хода растет линейно и в ней не должно быть несинусоидальных искажений, а I₀ = сумме двух этих составляющих  будет иметь высшие гармоники.

Рис.96.

x₀, r₀—намагничивающая ветвь,

x₀—реактивное сопротивление, в нашей схеме моделирует возникновение рабочего магнитного потока,

x₀, r₀—нелинейны,

r₀—моделирует магнитные потери,

P₀ ~ E²

, r₀ должно быть нелинейным (для обеспечения P₀ ~ E² нужно, чтобы r₀ была нелинейной, т.к. P₀ ~ I²₀, а I₀—нелинеен  нелинейность I²₀ уничтожается нелинейностью r₀). Рис.97.

Можно нарисовать другую схему замещения: Рис.98.

В этой схеме только x_ нелинейно, теперь избавились от нелинейности r_, т.к. I_{0 акт} линейное. Обе схемы замещения, учитывая нелинейность сопротивлений, не позволяют учесть нелинейность искажений. Они хороши для действующих значений. Нелинейностью можно пренебречь, если напряжение на входе трансформатора не меняется, несинусоидальностью намагничивающего тока можно пренебречь.

Характеристики холостого хода трансформатора.

Рис.99

Меняется только сопротивление x_ , поэтому с ростом U₁, т.е. степени насыщения железа трансформатора, увеличивается реактивная составляющая тока I₀, которая увеличивается быстрее, чем активная составляющая.

Соотношения между сопротивлениями:

r₁ ≪ r₀

x₁ ≪ x₀

r₀ ≪ x₀

r_ ≫ x_

x₀  x_

Опытом холостого хода называются все эти параметры, снятые при номинальном значении U₁.

Характеристики короткого замыкания.

Опытом короткого замыкания называется такой режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко, а напряжение в первичной обмотке такое, что ток в первичной обмотке равен номинальному. Для многообмоточного трансформатора опыты проводятся попарно. U_к.з выражается в процентах о номинального (относится к паспортным данным). В опыте измеряется мощность, потребляемая трансформатором и контролируется ток. U_к.з для силовых трансформаторов средней и большой мощности находится в пределах 4,512,5% от U_н. Рис.100

Во вторичной обмотке есть E₂ и оно полностью гасится падением напряжения на вторичной обмотке. Вторичная обмотка обладает активным и индуктивным сопротивлением (из-за потоков рассеяния)  ток отстает от E₂. Если трансформатор малой мощности, то активное сопротивление большое, а реактивное—мало. Для трансформаторов большой мощности преобладает реактивное сопротивление и cos  0.

Уравнение баланса намагничивающих сил: .I₀ мало, т.к. U≪U_ном. Рабочая точка I₁ расположена дальше точки перегиба. Опыт поставлен так, что ток в первичной обмотке равен номинальному, I₂ тоже не слишком далек от своего номинального значения. Величиной можно пренебречь. по направлению вектор тока совпадет с вектором тока.Рис.101.

В опыте к.з. трансформатор для питающей сети моделируется некоторым сопротивлением (Z_К): , гдеU_к—напряжение короткого замыкания, I_1ном—номинальный ток первичной обмотки. Трансформатор в опыте короткого замыкания потребляет некоторую мощность P_К. U₁ мало, I₀ тоже мал  магнитный поток и индукция в опыте короткого замыкания значительно меньше, чем в номинальном режиме. ЭДС трансформатора по крайней мере в 10 раз меньше номинального. ЭДС напрямую связана с индукцией в магнитопроводе  она понизится как и ЭДС. Магнитные потери ~ В²  магнитные потери пренебрежимо малы по сравнению со своим значением в номинальном режиме. Электрические потери остаются почти, что и в номинальном режиме, т.к. токи практически не изменились по сравнению с номинальными токами  P_К с хорошей точностью соответствует электрическим потерям трансформатора в номинальном режиме. Z_К имеет активную и реактивную составляющие:

схема замещения для опыта короткого замыкания: Рис. 102

В опыте короткого замыкания магнитопровод размагничен  сталь магнитопровода не насыщена  это размагничивание будет иметь место и при аварийном коротком замыкании (U_1к= U_1н, I₁ велик). Размагничивание представляет собой некий аналог с реакцией якоря (первичная обмотка в некотором смысле является индуктором, а вторичная обмотка—якорем). Т.к. U_к%—это паспортные данные, то из схемы замещения делаем вывод:

≃(точность велика, здесь можно ставить прямое равенство).

Характеристики короткого замыкания

Рис.103

Падение косинуса: как бы слабо магнитопровод не был насыщен, петля гистерезиса все равно присутствует. Вообще, если говорить, что cos_к практически не меняется, то против истины почти не грешим. Помимо напряжения U_к принято определять составляющие:

Приведенный трансформатор

Приведение трансформатора к одной из его обмоток нужно для того, чтобы можно было построить схему замещения. Для облегчения расчета заменяем магнитные связи электрическими. Приведение можно осуществить к одной из обмоток. Направление приведения решается определением класса задач, решаемых с помощью схемы замещения. Для того, чтобы заменить магнитные связи гальваническими, нужно, чтобы коэффициент трансформации был равен 1. При всех приведениях должно что-то оставаться неизменным. Должна сохраняться неизменной мощность. Наиболее употребительна Т-образная схема замещения. Рис.104. (штрихи обозначают, что трансформатор приведен к первичной обмотке).

Если , то

Если мощность сохраняется, то

Переход от начального трансформатора к приведенному не меняет начальных фаз. Сохранение фаз во вторичных обмотках объясняется тем, что комплексы исвязаныk_T, который является вещественным числом. Если мы приводим вторичную обмотку к первичной и мощность сохраняется, то все то, что подключено ко вторичной обмотке, должно тоже быть приведено к первичной.

Т.к. параметры холостого хода и короткого замыкания являются каталожными данными  схему замещения можно рассчитать. Для трехфазного трансформатора схема замещения рассчитывается для одной фазы.

КПД трансформатора

(,, предположим, что,).

Рис.105

Максимальный КПД и номинальный отличаются друг от друга незначительно. Оптимальный коэффициент загрузки: _опт=0,50,65, для трансформаторов малой мощности: _опт=0,61.

Работа трансформаторов под нагрузкой.

Характеристики трансформатора существенно зависят от характера нагрузки (активная нагрузка). Для трансформаторов средней и малой мощности преобладает индуктивное сопротивление. Разное соотношение r и x приводит к тому, что для трансформаторов средней и большой мощности наибольшее падение напряжения при индуктивной нагрузке. Если считать трансформатор источником нелинейной ЭДС с переменным током, то при нагрузке на эквивалентном сопротивлении будет падение напряжения. Для трансформаторов наиболее сильное падение напряжение будет при индуктивной нагрузке. Для трансформаторов малой мощности максимальное падение напряжения будет при активной нагрузке.

Активное сопротивление.

Рис. 106

Построение векторной диаграммы начинается с вектора магнитного потока. Вектор ЭДС строим перпендикулярно вектору потока. , т.к. трансформатор приведенный.отклоняется отна 180 из-за удобства построения. совпадает с, т.к. трансформатор приведенный, но не с, т.к. есть падение напряжения.

Векторная диаграмма имеет качественный характер, размеры с реальными не совпадают.

Рис.107

Характеристика начнется из точки холостого хода (), характеристика закончится, где

Если нагрузка активная: ток увеличивается, токприближается к вектору,падает. За точкойграфик не выйдет. Увеличениеприводит к удлинению векторов, соответственно, к увеличению. Т.к.ирастет в отрицательном направлении (по часовой стрелке), тоудаляется от растет падает. Реальнозафиксирован, все вектора «крутятся» вокруг него, включая и вектор потока.

Индуктивная нагрузка.

Рис.108

Если нагрузка индуктивная: будет больше, чем при активной нагрузке, но никогда не будет равным 90 (т.к. есть активная составляющая). Вектор стал намного меньше, векторстал длиннее, чем при активной нагрузке.стало больше. Чтобы сравнить две диаграммы, нужно зафиксировать векторU₁, тогда диаграмма поворачивается, а остальные вектора уменьшаются (вектор U₂ уменьшается), вектор E₂ уменьшается  уменьшается магнитный поток, получаем некую аналогию с реакцией якоря. При индуктивной нагрузке реакция якоря сильнее, чем при активной и она размагничивающая.

Емкостная нагрузка

Рис. 109

Вектор короче, чем в предыдущем случае. Для приведения векторной диаграммы в нормальный вид нужно изменить масштаб так, чтобыстал таким же, как был приведет к увеличению ,и вектора магнитного потока. Вектор токасущественно меньше, чем в предыдущих случаях. В случае емкостной нагрузки имеем некоторую аналогию намагничивающей реакции якоря. На вторичной обмотке:больше, чем. Фактическое изменение вектора напряженияв зависимости от нагрузки отражается на внешней характеристике трансформатора.Рис.110.

studfiles.net