Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода (ХХ)

Режим холостого хода трансформатора производится при подключении первичной обмотки в сеть. Вторичная обмотка, 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. 7:

Рис. 7

Для лучшего понимания процесса перечертим трансформатор (см. рис.8) в ином виде:

Рис. 8

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 L₁ и силы тока в ней, в данном случае I₁. Формула: Ф = L₁·I₁. Сердечник трансформатора, на котором намотаны катушки, обычно делаются из тонких стальных листов, для уменьшения потерь 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. 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 k = 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, потребляемая трансформатором полная мощность S₁ = I₁U₁ и измеренная с помощью ваттметра активная мощность Р₁, то мы можем вычислить следующие параметры:

1. Коэффициент трансформации k = U₁/U₂

2. Процентное значение тока холостого хода: i = (I_xx/I_H)  100, где I_xx – ток холостого хода в данном случае I₁, I_H – ток при номинальной нагрузке.

3. Активное сопротивление первичной обмотки R₁ = P_1А/I_xx² ,

поскольку Р_1А= U_R I_xx= R₁ I_xx I_xx= R₁ I_xx²

4. Полное сопротивление первичной обмотки Z₁ = U₁/I_xx

5. Индуктивное сопротивление первичной обмотки Х²_1L = (Z²₁ R²₁)

6. Коэффициент мощности трансформатора cos φ = P_1A/I₁U₁

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.

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».

Опыт короткого замыкания

Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (Z_H = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной и/или вторичной обмотке не превышает номинального значения (Iк < I_1ном). При этом выраженное в процентах напряжение Uк, при Iк = I_1ном обозначают u_K и называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.

Таким образом (%):

где U_1ном — номинальное первичное напряжение.

Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6—10 кВ uK = 5,5%, при 35 кВ u_K = 6,5÷7,5%, при 110 кВ u_K = 10,5% и т. д. Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.

При напряжении Uк составляющем 5—10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10—20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что

Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10—20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.

Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид

а уравнение напряжения для трансформатора записывается как

Этому уравнению соответствует схема замещения трансформатора, изображенная на рис. 8.

Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании соответствующая уравнению и схеме рис. 8, показана на рис. 9. Напряжение короткого замыкания имеет активную и реактивную составляющие. Угол φ_K между векторами этих напряжений и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивления трансформатора.

Рис. 8. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании

Рис. 9. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании

У трансформаторов с номинальной мощностью 5—50 кВА XK/RK = 1 ÷ 2; с номинальной мощностью 6300 кВА и более XK/RK = 10 и более. Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности UK = Uкр, а полное сопротивление ZК = Хк.

Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему (рис. 10), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводится такое напряжение Uк, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.

 

 

Рис. 10. Схема опыта короткого замыкания трансформатора

По данным измерений определяют следующие параметры трансформатора.