Как найти ток холостого тока трансформатора

Определение тока холостого хода трансформатора

Ток первичной
обмотки трансформатора, возникающий
при холостом ходе при номинальном
синусоидальном напряжении и номинальной
частоте, называется током холостого
хода.

При расчет тока
холостого хода трансформатора отдельно
определяют его активную и реактивную
составляющие.

Активная составляющая
тока холостого хода вызывается наличием
потерь холостого хода. Активная
составляющая тока, А,

I_х.а
= Р_х
/ (mU_ф),

где
Р_х
– потери холостого хода, Вт; U_ф
– фазное напряжение первичной обмотки,
В.

Обычно определяют
не абсолютное значение тока холостого
хода и его составляющих, а их относительное
значение по отношению к номинальному
току трансформатора i_оа,
i_0р,
i_о,
выражая их в процентах номинального
тока.

Тогда активная
составляющая, %,

,

или

i_оа
= Р_х
/(10S),

где
S
– мощность трансформатора, кВ· А; Р_х
– потери холостого хода, Вт.

Расчет
реактивной составляющей тока холостого
хода усложняется наличием в магнитной
цепи трансформатора немагнитных зазоров.
При этом расчете магнитная система
трансформатора разбивается на четыре
участка – стержни, ярма, за исключением
углов магнитной системы, углы и зазоры.
Для каждого из этих участков подсчитывается
требуемая намагничивающая мощность,
суммируемая затем по всей магнитной
системе. Также как и потери, реактивная
составляющая тока холостого хода зависит
от основных магнитных свойств стали
магнитной системы и ряда конструктивных
и технологических факторов, оказывающих
на эту составляющую существенно большое
влияние, чем на потери.

Немагнитные
зазоры в шихтованной магнитной системе
имеют особую форму – в месте зазора
стыки пластин чередуются со сквозными
пластинами. Магнитный поток вместе
стыка проходит частично через зазор
между пластинами и частично – через
соседнюю сквозную пластину. Индукция
в сквозных пластинах в зоне, лежащей
против стыков, увеличивается. Вместе с
этим происходит местное увеличение
потерь и реактивной составляющей тока
холостого хода, однако общая намагничивающая
мощность для зазора оказывается
существенно меньшей, чем при стыке
частей стыковой магнитной системы.

В
практике расчета намагничивающая
мощность для зазоров шихтованных
магнитных систем, собираемых из пластин
горячекатаной или холоднокатаной стали,
определяется для условного немагнитного
зазора, по площади сечения стали в данном
стыке, т.е. по активному сечению стержня
или ярма, и по удельной намагничивающей
мощности, отнесенной к единице площади
активного сечения, q_з,
В∙А/м²,
и определяемой экспериментально для
каждой марки стали.

Удельные
намагничивающие мощности для стали
марок 3404 и 3405 приведены в табл.26.

Таблица
26. Полная
удельная намагничивающая мощность в
стали q
и в зоне шихтованного стыка q₃
для
холоднокатаной стали марок 3404 и 3405
толщиной 0,35 и 0,30 мм при различных
индукциях и f
= 50 Гц

В, Тл	Марка стали и ее толщина	qз, В∙А/м2
3404, 0,35 мм	3404, 0,30 мм	3405, 0,35 мм	3405, 0,30 мм	3404	3405
1,30 1,32 1,34 1,36 1,38 1,40 1,42 1,44 1,46 1,48 1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,64 1,66 1,68 1,70 1,72 1,74 1,76 1,78 1,80 1,82 1,84 1,86 1,88	0,900 0,932 0,964 0,996 1,028 1,060 1,114 1,168 1,222 1,276 1,330 1,408 1,486 1,575 1,675 1,775 1,958 2,131 2,556 3,028 3,400 4,480 5,560 7,180 9,340 11,500 20,240 28,980 37,720 46,460	0,870 0,904 0,938 0,972 1,006 1,040 1,089 1,139 1,188 1,238 1,289 1,360 1,431 1,511 1,600 1,688 1,850 2,012 2,289 2,681 3,073 4,013 4,953 6,364 8,247 10,130 17,670 25,210 32,750 40,290	0,860 0,892 0,924 0,956 0,988 1,020 1,065 1,110 1,156 1,210 1,246 1,311 1,376 1,447 1,524 1,602 1,748 1,894 2,123 2,435 2,747 3,547 4,347 5,551 7,161 8,770 15,110 21,450 27,790 34,130	0,850 0,880 0,910 0,940 0,970 1,000 1,041 1,082 1,123 1,161 1,205 1,263 1,321 1,383 1,449 1,526 1,645 1,775 1,956 2,188 2,420 3,080 3,740 4,736 6,068 7,400 12,540 17,680 22,820 27,960	7400 8200 9000 9800 10600 11400 12440 13480 14520 15560 16600 17960 19320 20700 22100 23500 25100 26700 28600 30800 33000 35400 37800 40800 44400 48000 52000 56000 60000 64000	6000 6640 7280 7920 8560 9200 10120 11040 11960 12880 13800 14760 15720 16800 18000 19200 20480 21760 23160 24680 27000 28520 30840 33000 35000 37000 39800 43600 47400 51200

При
экспериментальных исследованиях стали
удельная намагничивающая мощность,
отнесенная к 1 кг стали или к 1 м²
площади зазора q,
может определяться как полная мощность
или как ее реактивная составляющая. В
табл. 26 приведены значения полной
удельной намагничивающей мощности.

Полная
намагничивающая мощность трансформатора,
В∙А, для магнитной системы может быть
определена из следующего выражения:

Q_x
= Q_x.c
+ Q_x.я
+
Q_x.з
= q_cG_c
+ q_яG_я
+ ∑n_зq_зП_з,

Где
q_c
и
q_я
– удельные намагничивающие мощности
для стержня и ярма, определяемые по
табл.26 для холоднокатаной стали в
зависимости от соответствующих индукций,
В∙А/кг; G_c
и
G_я
– масса стали в стержнях и ярмах, кг; n_з
– число немагнитных зазоров (стыков) в
магнитной системе; q_з
– удельная намагничивающая мощность,
В∙А/м²,
для немагнитных зазоров, определяемая
для индукции в стержне по табл.26; П_з
площадь зазора, т.е. активное сечение
стержня или ярма, м².

При
расчете тока холостого хода для плоской
стержневой шихтованной магнитной
системы, собранной из пластин холоднокатаной
анизотропной стали, также как и при
расчете потерь холостого хода, приходиться
считаться с факторами конструктивными
– форма стыков стержней и ярм, форма
сечения ярма, способ прессовки стержней
и ярм – и технологическими – резка
рулонов стали на пластины, удаление
заусенцев, отжиг пластин, покрытие их
лаком, прессовка магнитной системы при
сборке и перешихтовка верхнего ярма
при установке обмоток.

От
воздействия этих факторов реактивная
составляющая тока холостого хода
увеличивается при несовпадении линий
магнитной индукции и прокатки стали, а
также в результате механических
воздействий при заготовке пластин и
сборке остова. Отжиг пластин ведет к
уменьшению реактивной составляющей
тока холостого хода. На токе холостого
хода влияние этих факторов сказывается
более резко, чем на потерях.

Полный
фазный ток холостого хода, А,

I_x
= Q_x/(mU_ф).

Относительное
значение тока холостого в процентах
номинального тока

i₀
=
Q_x/10S.

Активная
составляющая тока холостого хода, фазное
значение, А,

I_x.а
= Р_х/(mU_ф)

и
в процентах номинального тока

i_оа
=
Р_х/(10S).

Реактивная
составляющая тока холостого хода, А,

I_x.р
=

и
в процентах номинального тока

i_op
=

Полученное
значение тока холостого хода должно
быть сверено с предельно допустимым
значением по ГОСТ, техническим условиям
или заданию на расчет трансформатора.
Отклонение расчетного значения тока
холостого хода от заданного гарантийного
не следует допускать более чем на
половину допуска разрешенного ГОСТ (по
ГОСТ 11677-85 разрешенный допуск +30%).

При
расчете тока холостого хода по
намагничивающей мощности определяется
среднее значение, тока холостого хода
для всех стержней трансформатора. В
симметричных магнитных системах,
например однофазных, или пространственных,
это среднее значение будет совпадать
с действительным значением тока холостого
хода для каждого стержня.

В
несимметричной магнитной системе ток
холостого хода в обмотке среднего
стержня меньше, чем в обмотках крайних
стержней. Током холостого хода
трансформатора в этом случае считается
среднее значение токов трех фаз.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

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:

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

Обычный двухобмоточный трансформатор на схемах обозначается следующими символами:

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

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 UА1, а так же от создания магнитного потока Ф, которое обозначим UL1 и падения напряжения от создания потока рассеивания ULS1.

Значит формула, согласно закону Кирхгофа будет иметь вид: U1=UА1+UL1+ULS1. В свою очередь UА1=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. ULS1=XLS*I1=2πfLs1* I1, где f–промышленная частота 50 герц, а Ls1 – 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:

• Коэффициент трансформации К = U1/U2
• Процентное значение тока холостого хода: i = (Ixx/IH)*100, где Ixx – ток холостого ходав данном случае I1, IH – ток при номинальной нагрузке.
• Активное сопротивление первичной обмотки R1 = PА/Ixx
• Полное сопротивление первичной обмотки Z1 = U1/Ixx
• Индуктивное сопротивление первичной обмотки X1 = (Z21 -R21)
• 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 Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об устройстве трансформатора и его работе. Также я указывал, что для анализа трансформатора используют эквивалентные схемы, содержащие основные параметры трансформатора и позволяющие оценить его характеристики в различных режимах. В процессе своей работы трансформатор может находиться в трёх основных режимах: режим холостого хода, режим короткого замыкания и номинальный режим.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для рассмотрения работы трансформатора в различных режимах мы будем использовать схему замещения трансформатора.

Рабочий процесс трансформатора

Процесс работы трансформатора рассмотрим на основе эквивалентной схемы замещения из предыдущей статьи

Эквивалентная схема замещения трансформатора.

При наличии нагрузки Z_H на выводах вторичной обмотки 3-4 и напряжении U₁ на выводах первичной обмотки 1-2 в магнитопроводе трансформатора создается магнитный поток, который индуцирует в обмотках ЭДС: в первичной – Е₁, а во вторичной – Е₂. В результате приложенное напряжение в первичной обмотке U₁ уравновешивается ЭДС Е₁ и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки R₁ и реактивном сопротивлении L_s1 индуктивности рассеяния. Аналогичным образом происходит уравновешивание напряжения и во вторичной обмотке трансформатора.

Определение основных параметров трансформатора: напряжения U₁ и U₁, ЭДС Е₁ и Е₂, потери в обмотках и в магнитопроводе происходит при рассмотрении режимов работы трансформатора, а определение их реальных значений – из опытов холостого хода и короткого замыкания.

От чего зависит ЭДС в обмотках трансформатора?

В прошлой статье я указал, что мгновенное значение ЭДС  в обмотке трансформатора определяется числом витков ω провода в ней и скоростью изменения магнитного потока dΦ/dt

где ω – число витков обмотки трансформатора,

dФ_В/dt – скорость изменения магнитного потока.

Однако в большинстве случаев нам интересно не мгновенное значение ЭДС, а действующее. Поэтому выведем выражение, определяющее действующее значение ЭДС в обмотках трансформатора. Это можно сделать аналитически проинтегрировав функцию изменения магнитного потока dΦ/dt, либо же путем нахождения среднего значения ЭДС E_cp и коэффициента формы ЭДС k_ф. Я буду выводить выражение вторым способом.

Магнитный поток протекая в сердечнике трансформатора изменяется в соответствии с некоторой периодичной функцией имеет два амплитудных значения максимальное +Ф_m и минимальное –Ф_m, тогда полное изменение магнитного потока за полупериод Т/2 будет иметь значение

Тогда среднее значение ЭДС Е_ср в обмотке трансформатора будет иметь вид

где ω – число витков обмотки трансформатора,

Т/2 – полупериод изменения функции магнитного потока,

f – частота изменения магнитного потока,

Ф_m – амплитуда магнитного потока.

Действующее значение ЭДС и её среднее значение связывает коэффициент формы кривой ЭДС k_ф, тогда действующее значение ЭДС в обмотке трансформатора будет определяться следующим выражением

где k_ф – коэффициент формы ЭДС,

f – частота изменения ЭДС,

ω – число витков обмотки трансформатора,

B – магнитная индукция в сердечнике,

S_c – площадь сечения сердечника трансформатора.

Приведём примеры действующего значение ЭДС для синусоидального, прямоугольного (меандр) и треугольного изменения

Из вышесказанного следует, что при условии постоянства электромагнитной индукции B, ЭДС пропорциональна конструктивным параметрам трансформатора сечению магнитопровода S_c и количеству витков ω. Правильный выбор величины электромагнитной индукции В является одной из ключевых задач при проектировании трансформатора. Кроме того, с ростом частоты f увеличивается ЭДС, поэтому для реализации одинаковой ЭДС с ростом частоты требуются меньшие размеры и вес трансформатора. Данный фактор является основным преимуществом трансформаторов высокой частоты, которые чаще всего применяются в настоящее время.

 Режим холостого хода

Данный режим характеризуется отсутствием нагрузки во вторичной обмотке или же бесконечно большой величиной сопротивления Z_H = ∞, то есть разомкнутая цепь вторичной обмотки.

Тогда ток во вторичной обмотке будет равен нулю I₂ = 0. Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа (закон баланса токов) получим

где I₁ – ток в первичной обмотке трансформатора,

I₀ – ток намагничивания магнитопровода,

I’₂ – приведённый ток вторичной обмотки трансформатора.

Возникновение тока намагничивания I₀ связанно с потерями энергии: на создание основного магнитного потока, замыкающегося через магнитопровод (мощность намагничивания P_L) и потери мощности в сердечнике Р_А, а так же вследствие потерь в первичной обмотке магнитопровода от протекания тока намагничивания. Так как трансформатор в режиме холостого хода не создает тока во вторичной обмотке I₂ = 0, то такой ток называют током холостого хода.

Очевидно, что ток холостого хода имеет активную I_a и реактивную I_L составляющие, которые определяются следующими выражениями

где Е₁ – ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной обмотке,

R_C – сопротивление активных потерь в сердечнике,

L_C – сопротивление реактивных потерь в сердечнике.

Так как сопротивления R_C и L_C имеют нелинейных характер, то в инженерных расчётах пользуются графическими зависимостями параметров сердечников, в первую очередь кривой намагничивания материала магнитопровода (зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н Dynamic magnetization curves). Кроме того необходимо знать геометрические параметры используемого сердечника: эквивалентную площадь сечение S_e(A_e), эквивалентную длину магнитной силовой линии l­_e и эквивалентный объем сердечника V_e. Кроме того для нахождения потерь мощности в сердечнике Р_А необходимо воспользоваться графической зависимостью магнитных потерь в сердечнике (Relative core losses) от различных факторов: индукции B, температуры T и частоты f.

Как определить ток холостого хода трансформатора?

Вычисление тока холостого хода трансформатора может происходить следующим образом:

1. Определяем величину магнитной индукции в сердечнике трансформатора, допуская тот факт, что значение ЭДС Е₁ в первичной обмотке очень близко по значению с приложенным к ней напряжением U₁

   

   где k_ф – коэффициент формы ЭДС,

   f – частота изменения ЭДС,

   ω – число витков обмотки трансформатора,

   S_c – площадь сечения сердечника трансформатора.

2. По кривой намагничивания материала сердечника определяем напряженность Н магнитного поля в магнитопроводе.
3. Определяем реактивную I_L составляющую тока холостого хода

   

4. Находим мощность активных потерь Р_А в сердечнике трансформатора по графическим зависимостям мощности удельных объёмных потерь P_V от индукции в сердечнике B и значению эффективного объема сердечника V_e.
5. Определяем активную составляющую I_a тока холостого хода

   

6. Определяем ток холостого хода

   

Полученное токам образом значение тока холостого хода практически не отличается от реальной величины тока, протекающего в первичной обмотке при работе трансформатора в режиме холостого хода.

Опыт холостого хода

После изготовления трансформатора необходимо провести ряд испытаний, одним из которых является опытом холостого хода. Данное испытание трансформатора проводится при разомкнутой вторичной обмотке и подачей номинального напряжения на первичную обмотку. По результатам проведения опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе.

Для проведения опыта холостого хода собирают схему изображенную ниже

Схема опыта холостого хода.

Как видно на схеме к первичной обмотке трансформатора необходимо подключить вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а к вторичной обмотке – вольтметр PV2.

Для снятия характеристик холостого хода трансформатора на его первичную обмотку подают номинальное напряжение = U_H, которое можно изменять при необходимости снятия динамических характеристик примерно от 30% до 110% U_H. После подачи напряжения в первичную обмотку снимают показания по приборам: ток холостого хода I_ХХ, мощность холостого хода Р_ХХ, напряжение на вторичной обмотке U₂ трансформатора.

По результатам проведения опыта холостого хода можно определить следующие параметры:

— процентное отношение тока холостого тока I_XX%

где I_H – номинальное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

— коэффициент трансформации трансформатора k

где U₁ и U₂ – напряжения, снимаемые с вольтметров PV1 и PV2, соответственно.

— активное сопротивление намагничивающего контура R_C

где Р_ХХ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1.

— полное сопротивление намагничивающего контура Z_C

— реактивное сопротивление намагничивающего контура Х_С

— коэффициент мощности холостого хода cos φ_XX

При проведении опыта холостого хода следует отметить, что в начальный момент подачи напряжения возникает недопустимо большой ток в разы превышающий номинальный, а так как ток холостого хода составляет 3 – 10 % от номинального тока, то пусковой ток превышает ток холостого тока в десятки раз. Поэтому в начальный момент необходимо замкнуть выводы амперметра РА1.

Кроме опыта холостого хода для испытания трансформатора проводят опыт короткого замыкания, о котором я расскажу в следующей статье.

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:

n=U₁/U₂

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/U²;
• полное сопротивление первичной цепи z₁=U/I_хх;
• индуктивное сопротивлении е x₁=√(z²-r²).

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

I_хх=P_хх/U.