Трансформатор холостого хода генератора

Трансформатор холостого хода генератора

Что такое холостой ход трансформаторов, формулы и схемы

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.

1. Общая конструкция и принцип работы трансформатора
2. Понятие холостого хода
3. Меры по снижению тока холостого хода
4. Как проводится опыт холостого хода
5. Коэффициент трансформации
6. Однофазные трансформаторы
7. Трехфазные
8. Измерение тока
9. Применение ваттметра
10. Измерение потерь
11. Схема замещения в режиме трансформатора
12. От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ
13. Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ

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=Pхх/U 2 ;
• полное сопротивление первичной цепи z1=U/Iхх;
• индуктивное сопротивлении е x1=√(z 2 -r 2 ).

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

Наладка электрических машин электроприводов — Снятие характеристик хх и кз генератора

Содержание материала

• Наладка электрических машин электроприводов
• Введение
• Общие указания по наладке
• Основные достоинства и недостатки систем управления электрических машин
• Подбор технической документации, подготовка аппаратуры и рабочего места
• Внешний осмотр, проверка механической части и сведения о монтаже
• Измерение сопротивления и контроль изоляции обмоток
• Проверка изоляции подшипников
• Измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе
• Испытание электрической прочности изоляции обмоток повышенным напряжением
• Пуск двигателя
• Проверка механической части и правильности установки щеток машин постоянного тока
• Измерение сопротивлений обмоток машин постоянного тока
• Проверка схемы соединений обмоток машин постоянного тока
• Подъем напряжения генератора постоянного тока
• Пуск двигателя постоянного тока
• Снятие характеристик при холостом ходе машин постоянного тока
• Снятие характеристик хх и кз генератора
• Испытание генераторов под нагрузкой и графическое построение характеристик
• Испытание и снятие характеристик двигателей постоянного тока при различном виде нагрузок
• Наладочные работы при неподвижном состоянии машины переменного тока
• Пуск и снятие характеристик асинхронных двигателей
• Снятие характеристик синхронных генераторов
• Пуск и снятие характеристик синхронных двигателей
• Область применения и перспективы развития управляющих и измеряющих машин
• Электромашинные усилители
• Тахогенераторы
• Сельсины
• Исполнительные микродвигатели
• Осциллографирование токов и напряжений
• Осциллографирование скорости и ускорений

Снятие характеристик холостого хода генератора.

Характеристика холостого хода Е= f(Iв) подобна кривой намагничивания машины Ф =
=f(Iв) (так как при п=const Е = СФп = КФ) и служит для сопоставления с заводскими данными и анализа всех установившихся и переходных процессов управления. При снятии характеристики одновременно испытывается витковая изоляция обмотки якоря, проверяется коммутация щеток при холостом ходе и определяются предельные положения реостатов возбуждения.
Для снятия характеристики собирается схема, приведенная на рис. 2-17,а.
В случае отсутствия потенциометра ПТ достаточной мощности обмотка возбуждения генератора ШОГ может быть включена через реостат по схеме, приведенной на рис. 2-17,б; снятие характеристик крупных генераторов можно производить путем изменения возбуждения возбудителя В.
При наличии бесконтактного усилителя в цепи возбуждения следует собрать испытательную схему, позволяющую вручную плавно изменять управляющий сигнал усилителя. Ко времени снятия характеристики намагничивания генератор должен быть испытан согласно методике, описанной в § 2-4.
Порядок снятия характеристики.

1. Генератор приводится во вращение и разгоняется до установившейся скорости.

Рис. 2-18. Характеристика намагничивания генератора.

1. Ток возбуждения генератора увеличивается постепенно, пока напряжение на якоре не достигнет 130% номинального.

По мере подъема напряжения на восходящей ветви характеристики намагничивания (рис. 2-18) записывается 8— 12 точек.

1. Генераторы, работающие с изменением полярности, возбуждаются до соответствующего отрицательного напряжения, равного 1,3Uн, затем ток возбуждения плавно снижается до нуля. Записываются точки на каждой ветви; фиксируются токи возбуждения, размагничивающие машину до нуля (—I0 и + I0), и остаточные напряжения генератора ( + E0 и —Е0).

Во время снятия характеристик ток возбуждения в пределах между крайними значениями следует изменять только в одну сторону без возврата к предыдущим значениям (например, при подъеме тока недопустимо частичное его снижение). В противном случае из-за влияния остаточного магнетизма будут получены не плавные, а ступенчатые характеристики. По результатам измерений строится характеристика намагничивания.
4. При испытании генераторов и возбудителей, предназначенных для работы без изменения полярности, достаточно ограничиться снятием характеристики одностороннего намагничивания (рис. 2-19).

Снятие характеристики короткого замыкания генератора.

Характеристики Iя=f(Iв), дающие зависимость тока якоря от тока возбуждения генератора при замкнутой накоротко якорной цепи, снимаются в случаях наладки генераторов, работающих параллельно или в схемах управления Г—Д.

Рис. 2-19. Характеристика намагничивания возбудителя.
Снятие характеристики короткого замыкания производится для контроля надежности контактных соединений главных цепей, определения реакции якоря при разных значениях тока и проверки отсутствия самовозбуждения, что может иметь место в схемах с гашением поля.

Во время данных испытаний производятся настройка аппаратов защиты и контроля величины тока (автоматов, максимальных реле, реле токо- ограничения), а также градуировка устройств автоматического бесконтактного управления в функции тока.
Для снятия характеристики проводятся следующие подготовительные операции. Генератор приводится во вращение без подачи возбуждения; измеряется напряжение на якоре, создаваемое действием остаточного магнетизма. Обмотка возбуждения генератора включается через потенциометр. Желательно иметь потенциометр с двумя движками или использовать на обычном реостате вывод от средней точки (рис. 2-20,а). Можно воспользоваться также двумя потенциометрами по схеме на рис. 2-20,б. Путем последовательных перемагничиваний остаточный магнетизм, контролируемый по напряжению на якоре, снижается до нуля. Цепь главного тока генератора, в которую входят якорь, компенсационная обмотка, добавочные полюса и автомат главного тока, замыкается накоротко; собирается одна из схем испытаний, приведенных на рис. 2-20. Вводится в действие максимальная защита РМ и предусматривается аварийное размыкание якорной цепи. Данная предосторожность необходима в связи с тем, что при испытании в случае неправильно установленных щеток или асимметрии магнитных потоков могут произойти самовозбуждение генератора и самопроизвольное чрезмерное нарастание тока.
При снятии характеристик генератора со смешанным возбуждением рекомендуется последовательную обмотку вывести из работы.
Испытание генератора в режиме короткого замыкания рекомендуется проводить в следующем порядке.

1. Подается напряжение на потенциометр (рис. 2-20); движок Д плавно смещается от средней точки т до тех пор, пока ток в якорной цепи не достигнет номинальной величины.

Рис. 2-20. Схемы включения генератора при снятии характеристики короткого замыкания.

1. При номинальном токе якоря необходимо задержать на 3—5 мин дальнейшее повышение возбуждения и проследить, не наблюдается ли самопроизвольное возрастание тока. Установив отсутствие самовозбуждения, производят с помощью потенциометра дальнейшее увеличение тока якоря до 150% номинального, а затем возвращают движок Д к средней точке (т. е. уменьшают ток возбуждения до нуля). При испытании необходимо следить за коммутацией щеток генератора. Подъем и снижение тока якоря в пределах от Iн ДО 1,5Iн должны производиться достаточно быстро во избежание чрезмерного перегревания токоведущих частей.
2. Перемещением движка Д от средней точки т в противоположном направлении перемагничивается генератор и при обратной его полярности повторяются операции, указанные в пп. 1 и 2.

Рис. 2-21. Характеристика короткого замыкания генератора.

1. Убедившись в устойчивой работе генератора при обоих значениях полярности, следует повторить его полное перемагничивание в пределах ±1,5/п, записывая в трех-четырех точках каждой полуветви значения токов якоря и возбуждения. По данным измерений строится характеристика короткого замыкания, приведенная на рис. 2-21.

В системах авторегулирования для настройки узлов токоограничения и токовой отсечки ток якоря генератора приходится поднимать до значений (1,8-2,5)Iн. Реле максимальной защиты настраиваются на ток 3Iн, а иногда и более. Во время опыта короткого замыкания прохождение столь больших токов не представляет опасности для машины, если оно длится не более 2—5 сек [Л. 4]. За больший период времени (измеряемый десятками секунд) могут перегреться гибкие подводы к щеткам, распаяться петушки, подогреть щетки и пластины коллектора. Поэтому изменение возбуждения генератора следует производить таким образом, чтобы после каждого очередного измерения ток якоря вновь снижался до нуля. Необходимо иметь в виду, что сдвиг щеток с нейтрали против направления вращения всего на 3—4 эл. град может привести к увеличению тока якоря примерно вдвое (при том же возбуждении). На наклон характеристики короткого замыкания резко влияет переходное сопротивление щеток, в свою очередь зависящее от того, имеет ли место замедленная или ускоренная коммутация. Машины постоянного тока большой мощности вследствие действия компенсационной обмотки имеют обычно ускоренную коммутацию в пределах изменения тока до номинального значения. При этом секции, замкнутые щетками накоротко, создают продольную н. с., усиливающую основное поле, и наклон характеристики короткого замыкания резко возрастает.
Приведенные выше замечания дают возможность судить о том, что без специальных теоретических знаний и практического опыта при снятии характеристики могут быть допущены большие ошибки.

Трансформатор холостого хода генератора

ХОЛОСТОЙ ХОД СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Под холостым ходом автономного синхронного генера­тора понимается такой режим его работы, при котором ро­тор вращается приводным двигателем, а обмотка якоря разомкнута. В этом случае магнитное поле машины созда­ется только током возбуждения. Это поле можно разло­жить на две составляющие: основное поле, магнитные ли­нии которого проходят через воздушный зазор и сцепляют­ся с обмоткой якоря, и поле рассеяния полюсов, магнитные линии которого сцепляются только с обмоткой возбуж­дения.

Магнитный поток основного поля при вращении полю­сов индуктирует в обмотке якоря ЭДС. К этой ЭДС и к на­пряжению на выводах генератора предъявляется требова­ние, чтобы их форма приближалась к синусоидальной. Это требование обусловлено тем, что при синусоидальных ЭДС и напряжении ток в якоре при линейном характере подключенной цепи также синусоидален. Вследствие этого сум­марные потери в генераторе и у потребителей минималь­ны, так как отсутствуют добавочные потери от высших гармонических. Критерием для оценки кривой ЭДС служит коэффициент искажения синусоидальности этой кривой, под которым понимается выраженное в процентах отноше­ние корня квадратного из суммы квадратов амплитудных (или действующих) значений высших гармонических со­ставляющих данной кривой к амплитудному (или дейст­вующему) значению основной гармонической этой кривой:

где ν — порядок гармонической составляющей.

Коэффициент искажения кривой линейных ЭДС в трех­фазных генераторах переменного тока 50 Гц не должен превышать 5 % для генераторов мощностью выше 100 кВ∙А и 10 % для генераторов мощностью до 100 кВ∙А.

Для получения кривой ЭДС, близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая магнитного поля возбуждения машины была по возможности синусоидаль­ной. В явнополюсной машине для этого зазор между полю­сом и статором делают неравномерным (рис. 20, а): обычно у краев полюса зазор берут в 1,5-2 раза больше, чем у середины. Распределение магнитной индукции в зазоре между полюсом и якорем при такой конфигурации его нако­нечника показано на рис. 20, б. Там же штриховой ли­нией для сравнения показана кривая магнитной индукции при равномерном зазоре. В неявнополюсной машине улучше­ние формы магнитного поля возбуждения достигается вы­бором соотношения между частями полюсного деления, имеющими и не имеющими об­мотку (рис. 21). Пренебре­гая влиянием пазов, создаю­щих некоторую ступенчатость в кривой МДС и магнитной индукции, можно принять, что МДС обмотки возбуждения, а также кривая магнитного поля распределены по окружности цилиндрического ро­тора с неявными полюсами по трапецеидальному закону. Амплитудные значения основных гармоник МДС и индук­ции поля соответственно равны

(3)

где в,max и δ,max — максимальные значения МДС обмот­ки возбуждения на один полюс и индукции в зазоре; в, в число витков обмотки возбуждения на полюс и ток возбуждения; α — длина дуги, соответствующая половине той части полюсного деления, на которой располагается об­мотка возбуждения.

В целях улучшения кривой магнитного поля возбужде­ния часть полюса, на которой не укладывается обмотка, выбирают равной τ/3 (α=π/3). В этом случае в кривой магнитной индукции будут отсутствовать все гармоники с номером, кратным 3, а остальные высшие гармоники бу­дут ослаблены.

Кроме того, для улучшения формы кривой индуктиро­ванной ЭДС применяют распределение обмотки якоря по пазам и укорочение ее шага. В мощных много­полюсных машинах улучшению кривой ЭДС способствует применение обмоток с дробным

Важной характеристикой синхронной машины является характеристика холостого хода. Она представляет собой зависимость ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, от тока возбуждения при неизменной частоте вращения ротора. Эта характеристика позволяет
оценить насыщение магнит­ной цепи машины и с ее помощью построить векторные диаграммы и другие характеристики машины.

На рис. 22 показана схема для снятия характерис­тики холостого хода опытным путем. С помощью резистора в ток возбуждения изменяют от максимального значения до нуля, записывая при этом показания амперметра и вольтметра.

При токе возбуждения в =0 ЭДС от остаточного магнетизма ост = (2÷3) %U1ном. При расчетах обычно используют характеристику холостого хода, которую получают, смещая опытную характеристику вправо на расстояние (сплошная линия).

На основании сравнения характеристик холостого хода современных синхронных гене­раторов было установлено, что эти характеристики мало от­личаются друг от друга, если построение их производить в относительных единицах. При переводе ЭДС в относи­тельные единицы ее текущее значение в вольтах делят на номинальное напряжение яко­ря в вольтах (*=/ U1ном). Относительное значение тока возбуждения находят как отношение текущего значения тока возбуждения в амперах к току, принятому за базовый, в амперах (в* = в / в,б). За базовый ток возбуждения в,б принимается ток, соответст­вующий по характеристике холостого хода = U1ном. По­лученные таким образом характеристики называются нормальными характеристиками холостого хода. Эти характерстики для явнополюсных и неявнополюсных генераторов даны в таблице.

в*

Режим холостого хода трансформатора

Одно из наиболее используемых электротехнических устройств – трансформатор. Данное оборудование используется для изменения величины электрического напряжения. Рассмотрим особенности режима холостого хода трансформатора, с учётом правил определения характеристик для различных видов устройств.

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных на сердечнике. При подаче напряжения на входную катушку, образуется магнитное поле, индуцирующее ток на выходной обмотке. Разница характеристик достигается, благодаря различному количеству витков в катушках входа и выхода.

Принцип работы трансформатора

1. Что такое режим холостого хода
2. Как проводится опыт холостого хода
3. Для однофазного трансформатора
4. Для трёхфазного трансформатора
5. Для сварочного трансформатора
6. Видео: измерение тока холостого хода
7. Меры по снижению тока холостого хода

Что такое режим холостого хода

Под режимом холостого хода понимают состояние устройства, при котором во время подачи переменного электротока на входную катушку выходная находится в разомкнутом состоянии. Данная ситуация характерна для агрегата, подключённого к электросети, при условии, что нагрузку к выходному контуру ещё не включили.

Режим короткого замыкания

В процессе эксперимента можно найти:

• электроток холостого хода (замеряется амперметром) – обычно его значение невелико, не больше 0,1 от номинального показателя тока первой обмотки;
• мощность, теряемую в магнитопроводе прибора(или другими словами потери в стали);
• показатель трансформации напряжения – примерно равен значению в первичной цепи, деленному на таковое для вторичной (оба значения – данные вольтметров);
• по результатам замеров силы тока, мощности и напряжения первичной электроцепи можно высчитать коэффициент мощности: мощность делят на произведение двух других величин.

Как проводится опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

• коэффициент трансформации;
• мощность потерь в стали;
• параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.

Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.

При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.

В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.

Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.

Для однофазного трансформатора

Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:

• вольтметров на первичной и вторичной катушках;
• ваттметра на первичной обмотке;
• амперметра на входе.

Приборы подключаются по следующей схеме:

Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:

Iо% = I0×100/I10.

Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

K = w1/w2 = U1н/ U2О.

Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:

P0 = I02×r1 + I02×r0.

Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.

Потери холостого хода для трансформаторов мощностью 30-2500 кВА

Для трёхфазного трансформатора

Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.

При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.

Применяется следующая схема:

Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.

В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.

Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.

Для сварочного трансформатора

Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.

После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.

Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.

Блокировка срабатывает за время, не превышающее 1 секунду с момента прерывания рабочего режима. Дополнительная защитная мера – устройство заземления корпуса сварочного агрегата.

Видео: измерение тока холостого хода

Меры по снижению тока холостого хода

Ток при нахождении трансформатора в режиме холостого хода возникает, благодаря конструктивным особенностям сердечника. Для ферромагнитного материала, попавшего в электрическое поле переменного тока, характерно наведение вихревых индуктивных токов Фуко, вызывающих нагревание данного элемента.

Чтобы снизить вихревые токи, сердечник изготавливают не в виде цельной детали, а набирают из пакета пластин небольшой толщины. Между собой пластины изолируются. Дополнительная мера – изменение свойств самого материала, позволяющее увеличить порог магнитного насыщения.

Чтобы не допустить разрыва магнитного потока с возникновением поля рассеивания, пластины тщательно подгоняют в процессе набора. Отдельные элементы шлифуют, с получением гладкой, идеально прилегающей поверхности.

Также потери снижаются за счёт более полного заполнения окна магнитопровода. Это позволяет обеспечить оптимальные показатели массы и габаритов агрегата.

Холостой ход трансформатора – режим, при котором можно рассчитать важные характеристики. Это проводится для оборудования, находящегося в эксплуатации и на стадии проектирования.

Определение холостого хода трансформатора

Трансформаторы представляют собой сложное оборудование, которое предназначено для изменения параметров тока в цепи. Они могут повышать или понижать 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.

• 1 Общее устройство и виды
  • 1.1 Основные типы
  • 1.2 Особенности установок
• 2 Методология проведения опыта
  • 2.1 Подход к проведению измерений
  • 2.2 Суть измерения
• 3 Коэффициент трансформации
  • 3.1 Однофазные приборы
  • 3.2 Трехфазные приборы
  • 3.3 Применение коэффициента
• 4 Измерение тока
• 5 Измерение потерь
  • 5.1 Применение ваттметра

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:

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:

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.

Опыт холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода трансформатора, генератора, асинхронного двигателя рекомендуется к изучению электриками по той причине, что данные, полученные в результате такого исследования, позволяют охарактеризовать функционирование прибора под нагрузкой. Часто этот эксперимент проводят в паре с исследованием короткого замыкания. Такая программа предоставляет данные для расчета коэффициента полезного действия устройства.

Режим холостого хода трансформатора

Этот режим характеризует подача переменного напряжения, меняющегося по принципу синусоиды, на первичную обмотку аппарата, при этом во вторичной, находящейся в разомкнутом состоянии, электроток отсутствует полностью. В таком случае трансформаторное устройство напоминает катушку индуктивности с замкнутым магнитопроводом из ферромагнетика. Чтобы проводить опыты с трансформатором, находящимся в данном состоянии, потребуется изучить принципиальную схему, соответствующую используемому устройству (однофазному или трехфазному).

Про опыт холостого хода

Проведение опыта холостого хода позволяет узнать основные показатели функционирования прибора: теряемый процент мощности, коэффициент трансформации, значение электротока при работе вхолостую. Выполняется опыт с помощью измерительных приборов: ваттметра, амперметра и пары вольтметров, один из которых (превосходящий по внутреннему сопротивлению) подключается к клеммам вторичной обмотки. На первичную – подается номинальное напряжение.

В процессе эксперимента можно найти:

• электроток холостого хода (замеряется амперметром) – обычно его значение невелико, не больше 0,1 от номинального показателя тока первой обмотки;
• мощность, теряемую в магнитопроводе прибора;
• показатель трансформации напряжения – примерно равен значению в первичной цепи, деленному на таковое для вторичной (оба значения – данные вольтметров);
• по результатам замеров силы тока, мощности и напряжения первичной электроцепи можно высчитать коэффициент мощности: мощность делят на произведение двух других величин.

Методика проведения выглядит так: первичную катушку (или ВН) соединяют с источником питания через три традиционных измерительных прибора (ампер-, ватт,- и вольтметр). У вторичной (НН) закорачивают выводы. Потребляемый электроток будет очень высоким, особенно с учетом низкого показателя обмоточного сопротивления. Для номинального тока замеряют напряжение и мощность. На первичной катушке требуется низкое напряжение. Оно, как и ток для ХХ, имеет очень низкое значение, по сравнению с номинальным, – в районе 0,05. Тем не менее, эта техническая характеристика обладает большой практической важностью – по ней считают вторичное напряжение и узнают, допустимо ли подключать устройства параллельно.

Важно! Потери мощности в сердечнике можно не учитывать из-за мизерного напряжения. Показания на ваттметре поэтому принимаются за потери в меди.

Рабочее сопротивление обмотки R можно найти так:

где:

• Р – данные вольтметра,
• I – сила тока.

Общий показатель сопротивления – Z=U/I, реактивный – X = √ (Z² — R²).

Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода

Когда на обмотку прибора подают напряжение синусоиды, в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это и есть холостой ток). Его создает обмоточная магнитодвижущая сила, именно из-за ее действия в замкнутом магнитопроводном элементе возникают ведущий магнитный поток (обозначается Ф) и рассеивающийся поток Ф1, замкнутый вокруг обмоточного тела. Значение магнитодвижущей силы равно произведению холостого тока на число обмоточных витков.

Ведущий поток создает в приборе две электродвижущие силы: самоиндукционную у первой обмотки и взаимной индукции – у второй. Ф1 продуцирует у первой катушки ЭДС рассеяния. Она имеет очень небольшую величину, ведь создающий ее поток замыкается, по большей части, по воздушным массам, ведущий поток Ф – по магнитопроводу. Поскольку главный поток имеет гораздо большие масштабы, то и генерируемая им для первичной катушки электродвижущая сила тоже имеет намного большее значение.

Важно! Так как подаваемое напряжение имеет вид синусоиды, такие же характеристики имеют главный поток и создаваемые им обмоточные электродвижущие силы. Но по причине магнитного насыщения имеющийся в приборе поток непропорционален электротоку, создающему намагничивание, так что последний синусоидальным не будет. Практикуется замена его реальной кривой соответствующей ей синусоидой с таким же значением. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми потоками и магнитопроводным насыщением).

Таблица потерь

Когда цепочка второй катушки разомкнута, она не использует какой-либо рабочей мощности. У той мощности, что потребляет первая, есть некоторый активный процент (он и представляет собой потери прибора), но доминирует реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору. Что касается потерянной мощности, то большая ее часть затрачивается на процессы перемагничивания и генерацию вихрей токов магнитопровода. Из-за этого последний начинает перегреваться. Так как поток рассеяния не зависит от нагрузочного электротока, то мощностные потери имеются не только на холостом ходу, но и при подаче нагрузок. Еще некоторая часть потерь (очень небольшая) затрачивается на нагревание катушечного провода. Ее малое значение обусловлено показателями сопротивления проводка и тока холостого хода.

При напряжении 10/0,4 кВ величина потерь будет возрастать по мере увеличения мощности. Для номинального показателя мощности в 250 кВА потери будут равны 730 Вт, для 400 кВА – 1000 Вт, для 2500 кВА – 4200 Вт. По прошествии лет эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция, изменяются структурные характеристики металла. Из-за этого теряться может до 50% мощности.

Проверка работы

Главное назначение данного опыта в сочетании с экспериментом короткозамкнутого состояния – нахождение коэффициента полезного действия трансформирующего устройства. После постановки трансформатора в надлежащий режим проводятся следующие измерения:

1. Данные напряжения, направляемого на первую обмотку, и затем – на выводы второй. Можно это делать не только парой вольтметров, но и мультиметром, установив соответствующий режим работы. Если для замеров используются вольтметры, на вторую катушку ставят аппарат с большим значением сопротивления, чтобы поддерживать нулевой ток. Замерив оба показателя, можно найти коэффициент трансформации, разделив значение первичной катушки на таковое для вторичной.
2. Ваттметр для регистрации потребляемой мощности ставят в первичную электроцепь. В нее же подсоединяют амперметр, он показывает токовую силу прибора, работающего на холостом ходу.

Холостой ход трехфазного трансформатора

Функционирование такого прибора в рассматриваемом режиме зависит от устройства его магнитной системы. Если используется прибор по типу группы однофазных трансформаторов либо бронестержневая система, третья гармоническая составляющая для каждой фазы будет замыкаться в отдельном сердечнике, набирая значение до 20% активного магнитопотока. Создается добавочная электродвижущая сила, способная достичь очень высокого показателя – 0,5-0,6 от главной ЭДС. Подобные процессы способны вызвать нарушение целостности изоляции, за которым последует поломка электрической установки. Лучшим вариантом является система с тремя стержнями, тогда третья составляющая не будет идти по магнитопроводу, а замкнется в воздушной или иной среде с низким показателем магнитной проницаемости (например, масляной). В этом случае массивная добавочная ЭДС, вносящая серьезные искажения, развиваться не будет.

Параметры трансформатора по опытам холостого хода

В паспорте аппарата указывают ряд величин, способных помочь в расчете таких эксплуатационных показателей, как максимальное получаемое на практике значение электротока короткого замыкания, энергетические потери, амплитуда вариабельности напряжения приемника при меняющемся токе. Эти величины делятся на две группы. Первая принадлежит работе в холостом режиме: сюда относятся показатель токовой силы в процентах от номинальной и мощностные потери магнитопровода. Вторая – обмоточные потери при коротком замыкании и напряжение (тоже указываемое относительно номинального) в этом состоянии.

Расчет КПД трансформатора

Энергетические потери в приборе, происходящие в медных и стальных комплектующих, обусловливают расхождение параметров выходной и потребительской мощности. То, насколько эффективен аппарат, можно узнать, вычислив его КПД: он равен частному выходного и потребляемого значений. Последнее равно сумме первого, потерь для стального сердечника (они узнаются при эксперименте холостого хода) и для медных элементов (вычисляются по замерам короткозамкнутого устройства).

Проведение опытов КЗ и ХХ – надежный способ вычислить эффективность трансформатора. Оно также позволяет определить объемы энергетических потерь и узнать, на какой компонент приходится большая их часть.

Видео

Источник: nevinka-info.ru