Ювелирное обозрение

Определение режима. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение u₁, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю. Принципиальная схема однофазного трансформатора при холостом ходе изображена на рис.7.6. В этом режиме трансформатор подобен дросселю с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом.

Необходимость изучения данного режима заключается в том, что одновременно с определением основных параметров трансформатора (коэффициента трансформации, тока холостого хода, потерь в стали магнитопровода) возможно в сочетании с параметрами, полученными при другом крайнем режиме – коротком замыкании, охарактеризовать работу трансформатора под нагрузкой и наиболее точно определить коэффициент полезного действия.

Рисунок 7.6 – Схема трансформатора при холостом ходе

Принцип действия в режиме холостого хода. Под действием приложенного напряжения u₁ в первичной обмотке трансформатора имеет место небольшой ток холостого хода i₁₀ = i, обычно не превышающий (3-10%) от номинального тока в первичной обмотке, т.е. его действующее значение I£(0,03…0,1)I_1н. Этот ток создает МДС первичной обмотки i×w₁, которая обусловливает в замкнутом магнитопроводе переменный основной магнитный поток трансформатора Ф и небольшой переменный поток рассеяния первичной обмотки Ф_S1, замыкающийся вокруг первичной обмотки по воздуху.

Основной поток Ф наводит в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e₁, а во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции e₂. Поток рассеяния создает в первичной обмотке ЭДС e_S1, называемую электродвижущей силой рассеяния. Так как основной поток Ф замыкается по магнитопроводу, а поток рассеяния Ф_S1 в основном по воздуху, то основной поток будет во много раз больше потока рассеяния (Ф>>Ф_S1), следовательно, и ЭДС, наводимые этими потоками в первичной обмотке, будут тоже существенно различаться по величине (E₁>>E_S1).

При синусоидальном напряжении u₁ ЭДС e₁ и e₂ тоже синусоидальны, а следовательно, и поток Ф, создающий их, синусоидален. Однако вследствии магнитного насыщения магнитный поток трансформатора непропорционален намагничивающему току. Поэтому при синусоидальном потоке Ф намагничивающий ток i является несинусоидальным. При исследовании процессов в трансформаторе действительную кривую намагничивающего тока заменяют либо эквивалентной синусоидой с тем же, что и у действительной кривой, действующим значением, либо его первой гармоникой.

Действующие значения индуктированных ЭДС в обмотках трансформатора при холостом ходе определяются по формулам, известным из электротехники:

где w₁ и w₂ – числа витков первичной и вторичной обмоток;

f – частота ЭДС и тока, Гц;

Разделив E₁ на E₂, получим коэффициент трансформации трансформатора:

(7.7)

В двухобмоточных трансформаторах согласно ГОСТ 16110-80 при определении коэффициента трансформации берется отношение высшего напряжения к низшему и поэтому значение "n" всегда больше единицы.

Коэффициент трансформации n, как уже отмечено, приближенно определяется из опыта холостого хода трансформатора по отношению напряжений на зажимах обмоток

Контур намагничивания. Трансформатор фактически представляет собой две электрические цепи (первичная и вторичная обмотки), связанные магнитным полем, что усложняет расчет самого трансформатора и анализ его работы. По этой причине в теории и инженерной практике исходную схему трансформатора (рис. 7.6) заменяют схемой электрической цепи без взаимоиндукции (рис. 7.7).

В такой эквивалентной схеме электрической цепи математическое описание процессов чаще всего ведут с использованием алгебраических уравнений, записываемых для комплексных действующих напряжений и токов.

Рисунок 7.7 – Эквивалентная электрическая схема замещения трансформатора в режиме холостого хода.

Действие противо-ЭДС E ₁ можно представить в виде падения напряжения от тока I₁₀ = I на некотором полном сопротивлении Z _m:

где – параметр, характеризующий магнитную цепь трансформатора и называемый полным сопротивлением контура намагничивания;

r_m– активное сопротивление контура намагничивания, определяемое потерями в стали трансформатора;

х_m – индуктивное сопротивление контура намагничивания, определяемое потокосцеплением основного потока с первичной и вторичной обмотками при токе в первичной обмотке, равном I (при отсутствии тока во вторичной обмотке).

Таким образом, сопротивление Z_m обусловлено потерями в стали магнитопровода и намагничивающей МДС холостого хода (I×w₁) первичной обмотки трансформатора.

Поток рассеяния Ф_S1 замыкается в основном по воздуху и, следовательно, практически не создает никаких потерь в стали. Значит, ЭДС рассеяния E_S1 можно заменить падением напряжения только на индуктивном сопротивлении первичной обмотки x₁, обусловленном потокосцеплением рассеяния Y_S1 первичной обмотки с её витками при соответствующем токе в обмотке

(7.9)

Величину x₁ называют индуктивным сопротивлением рассеяния первичной обмотки.

Замена ЭДС рассеяния E_S1 падением напряжения U_S1 от тока I на сопротивлении x₁ делает более наглядной роль потока рассеяния: он создает индуктивное падение напряжения в первичной обмотке трансформатора, не участвуя в передаче энергии из одной обмотки в другую.

Уравнения равновесия напряжений. Эти уравнения удобно записать для комплексной схемы замещения трансформатора, работающего в режиме холостого хода (рис. 7.8)

Рисунок 7.8 – Комплексная схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

При синусоидальном напряжении U ₁ и эквивалентном синусоидальном токе I уравнения равновесия напряжений для первичной и вторичной цепей трансформатора при холостом ходе записываются в следующем виде:

(7.10)

где – полное комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

r₁ – активное сопротивление первичной обмотки (обычно r На основании вышеизложенного можно сделать ряд выводов .

1. Режим холостого хода характеризуется тем, что по отношению к сети трансформатор представляет комплексную нагрузку почти индуктивного характера, при которой приложенное напряжение U ₁ опережает ток холостого хода I на угол, близкий к 90 0 . Работа трансформатора в этом режиме вследствие значительной потребляемой из сети реактивной мощности является нежелательной.

2. Так как величины падений напряжений Ir₁ и Iх_S1 составляют лишь несколько процентов от приложенного напряжения, то векторы E ₁ и E ₂ сдвинуты по отношению к вектору U ₁ на угол, близкий к 180 0 . При этом величины векторов U ₁ и E ₁ отличаются незначительно. Поэтому практически коэффициент трансформации можно с достаточной степенью точности определить из отношения напряжений обмоток трансформатора при холостом ходе, т.е.

(7.11)

Опыт холостого хода. Режим холостого хода трансформатора обычно исследуют опытным путем с использованием двух вольтметров, амперметра и ваттметра. При этом к первичной обмотке трансформатора (рис. 7.7) подводится номинальное напряжение U₁₀ = U_1Н. На зажимы вторичной обмотки включается вольтметр с большим внутренним сопротивлением, позволяющий измерять напряжение U₂₀»Е₂.

В опыте холостого хода определяются:

а) ток холостого хода I (по показанию амперметра, включенного в первичную цепь). При U₁₀ = U_1Н ток I не должен превышать (3-10%) I_1Н;

б) потери в стали магнитопровода трансформатора P_ст (по показаниям ваттметра) P = I 2 r₁ + P_ст » P_ст, так как потерями в меди первичной обмотки ввиду малости тока I и сопротивления r₁ можно пренебречь ;

в) коэффициент трансформации n (по показаниям вольтметров в первичной и вторичной цепях)

г) коэффициент мощности cosj (по показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра в первичной цепи)

;

д) параметры схемы замещения трансформатора при холостом ходе:

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8460 – | 7349 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Трансформатор электрического тока является устройством преобразования энергии. Ток холостого хода трансформатора характеризует потери при отсутствии подключенной нагрузки. Величина данного параметра зависит от нескольких факторов:

1. Конструктивного исполнения.
2. Материала сердечника.
3. Качества намотки.

При изготовлении преобразователей стремятся к максимально возможному снижению потерь холостого хода с целью повышения КПД, снижения нагрева, а также уменьшения паразитного поля магнитного рассеивания.

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
2. Обмотки.

Обмотки могут быть намотаны на жестком каркасе или иметь бескаркасное исполнение. В качестве сердечников трансформаторов напряжения промышленной частоты используется специальным образом обработанная сталь. В некоторых случаях встречаются устройства без сердечника, но они используются только в области высокочастотной схемотехники и в рамках данной темы рассматриваться не будут.

Принцип действия рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
2. Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
3. Магнитное поле сердечника, в силу электромагнитной индукции, создает во всех обмотках ЭДС индукции.

ЭДС индукции создается, в том числе, в первичной обмотке. Ее направление противоположно подключенному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются и ток через обмотку при отсутствии нагрузки равен нулю. Соответственно, потребляемая мощность при отсутствии нагрузки равна нулю.

Понятие холостого хода

Приведенные выше рассуждения справедливы для идеального трансформатора. Реальные конструкции обладают следующими потерями (недостатками) на:

• намагничивание сердечника;
• магнитное поле рассеивания сердечника;
• электромагнитное рассеивание обмотки;
• междувитковую емкость проводов обмотки.

В результате, в реальных конструкциях трансформатора наводимая ЭДС индукции отличается от номинального напряжения первичной обмотки и не в состоянии его полностью скомпенсировать. В обмотке возникает некоторый ток холостого хода. При подключении нагрузки данное значение суммируется с номинальным током и характеризует общие потери в электрической цепи.

Потери снижают общий КПД трансформатора, в результате чего растет потребление мощности.

Меры по снижению тока холостого хода

Основным источником возникновения тока холостого хода является конструкция магнитопровода. В ферромагнитном материале, помещенном в переменное электрическое поле, наводятся вихревые токи электромагнитной индукции – токи Фуко, которые нагревают материал сердечника.

Для снижения вихревых потерь материал сердечника изготавливают из тонких пластин, отделенных друг от друга изолирующим слоем, которую выполняет оксидная пленка на поверхности. Сам материал производится по специальной технологии, с целью улучшения магнитных свойств (увеличения значения магнитного насыщения, магнитной проницаемости, снижения потерь на гистерезис).

Обратная сторона использования большого количества пластин состоит в том, что в местах стыков происходит разрыв магнитного потока, в результате чего возникает поле рассеивания. Поэтому для наборных сердечников важна тщательная подгонка отдельных пластин друг к другу. В ленточных разрезных магнитопроводах отдельные части подгоняются друг к другу при помощи шлифовки, поэтому при сборке конструкции нельзя менять местами части сердечника.

От указанных недостатков свободны О-образные магнитопроводы. Магнитное поле рассеивания у них стремится к нулю.

Поле рассеивания обмотки и междувитковую емкость снижают путем изменения конструкции обмоток и пространственного размещения их частей относительно друг друга.

Снижение потерь также достигается при возможно более полном заполнении свободного окна сердечника. При этом масса и габариты устройства стремятся к оптимальным показателям.

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

• амперметры для измерения тока в каждой фазе;
• вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
• вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

• рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
• среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

1. Нагрев проводов обмоток.
2. Нагрев сердечника.
3. Снижение КПД.
4. Появление магнитного поля рассеивания.

Схема замещения в режиме трансформатора

Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.

Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:

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

Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимоиндукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструктивного исполнения.

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

Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше будет взаимоиндукция обмоток и меньше потери в трансформаторе.

Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ

Измеряя ток, напряжение и мощность трансформатора в опыте холостого хода, можно рассчитать следующие дополнительные данные:

• активное сопротивление первичной цепи r₁=P_хх/U 2 ;
• полное сопротивление первичной цепи z₁=U/I_хх;
• индуктивное сопротивлении е x₁=√(z 2 -r 2 ).

Найти ток холостого хода без применения амперметра можно по показаниям вольтметра и ваттметра:

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, называют холостым режимом или холостым ходом (трансформатор работает без нагрузки). Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки. В реальном же трансформаторе все эти явления влияют на происходящие в нем процессы. Кратко рассмотрим их.

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в область магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первичной обмотке становится несинусоидальным. Под действием синусоидально изменяющихся приложенного напряжения их и магнитного потока в соответствии с кривой намагничивания получается несинусоидальный ток , имеющий несколько заостренную форму (рис. 3-3).

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками; частота первой (основной) гармоники равна частоте заданной функции:

В зависимости от конкретной задачи такое разложение: может не иметь постоянной составляющей; начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п; может иметь только четные или только нечетные гармоники. Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквивалентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током

Гистерезис также влияет на форму тока. Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (5—7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока (реактивный ток) и тока от гистерезиса (активный ток). Появление тока понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти

токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов набирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рассеяния (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформатора.

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин выполняют, как правило, из меди.

Теперь учтем все виды потерь в трансформаторе при холостом режиме и построим векторную диаграмму.

Для первичной обмотки холостого режима на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение «электрического равновесия

где — подведенное напряжение; — ЭДС самоиндукции в первичной обмотке, — ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение (3.6) в векторной форме:

Полученное уравнение (3.7) является уравнением электрического равновесия для холостого режима реального трансформатора.

Решая его относительно U, получим векторное уравнение

на основе которого построим векторную диаграмму холостого режима трансформатора. Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока (рис. 3-7). Из-за потерь на гистерезис и на вихревые токи этот поток отстает от создавшего его тока на угол потерь (5-7°). Кроме того, ток 101 создает еще поток рассеяния замыкающийся через воздух и потому совпадающий по фазе с током Поток индуцирует в обмотках трансформатора ЭДС и отстающие от него по фазе на а поток также индуцирует в обмотке ЭДС рассеяния отстающую от него по фазе на у.

Выполнив геометрическое сложение векторов в соответствии с уравнением (3.8) и соединив концы векторов получим треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмотке, гипотенуза которого есть полное падение напряжения в первичной обмотке от тока холостого хода, а катеты — векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Ток холостого хода обычно мал (3—6% от номинального), угол велик (около в режиме холостого хода, а полное падение напряжения на внутреннем сопротивлении равно 0,125 — 0,2%. Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение уравновешивается в основном ЭДС т. е. тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряжения к низшему).

На практике режим холостого хода используется для определения коэффициента трансформации k и потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали