Что определяет холостой ход трансформатора

Всегда существует разница между подаваемой разностью потенциалов от производителя электроэнергии и необходимой ЭДС для работы целой электросети, отдельного участка, потребителя. Для согласования по мощности, напряжению работы всех частей системы переменного тока применяют трансформаторы.

Это преобразующее оборудование понижает (повышает) переменное напряжение. Состоит из нескольких катушек (обмоток), соединённых между собой сердечником (магнитопроводом). Одна из катушек всегда подключена к источнику переменной электрической энергии. Её называют первичной. Все остальные – вторичные, подсоединённые к потребителям (нагрузке).

Физическим объяснением процессов трансформации является закон электромагнитной индукции и правило Ленца. Подводимая разность потенциалов к первой обмотке изменяет её магнитный поток, который вызывает ЭДС остальных обмоток. Если к вторичным катушкам не подключать нагрузку, получают холостой ход трансформатора, позволяющий определить коэффициент трансформации по формуле:

Коэффициент трансформации может быть больше единицы, указывая, что данное подключение понижает напряжение. Если k меньше единицы – прибор повышающий. Один и тот же преобразователь может быть повышающим или понижающим в зависимости от того, к какой из обмоток подключён источник электроэнергии.

Что даёт изучение работы без нагрузки

Существует несколько способов организации работы трансформатора. Для расчета функциональных характеристик работы устройства применяют режим без нагрузки. Это означает, что замкнутой на источник переменной энергии является только первичная обмотка. Вторичная, в это время остаётся без нагрузки или разомкнутой.

Такой режим работы позволяет определить функциональные характеристики работы конкретного трансформирующего устройства:

• коэффициент трансформации;
• потери мощности при таком рабочем состоянии;
• сопротивление полное, активное, индуктивное ветви намагничивания;
• ток холостого хода в процентном соотношении;
• коэффициент мощности.

С помощью тестирования трансформатора в режиме холостого хода можно восстановить паспортные данные прибора, если они утеряны.

Если соединить данные режима с разомкнутой вторичной катушкой и короткого замыкания, определяется КПД трансформатора. Так же можно спроектировать различные ситуации работы под нагрузкой.

Моделирование работы трансформатора

Если сопротивление нагрузки бесконечно большое за счёт разомкнутых контактов, сам трансформатор с определённой долей приближения можно представить как стандартную катушку с сердечником из ферромагнитного материала. В этом случае составляется схема замещения.

В предложенной схеме замещения видно, что в таком режиме к первичной обмотке подводится напряжение U₁ соответствующее номинальному значению. По этому напряжению определяют характер протекания тока через первичную обмотку I₁₀. Его величина будет равна току холостого хода трансформатора I₁₀ = I_а.

Напряжение и ток в режиме без нагрузки

В обобщённом виде ток без нагрузки является током первичной обмотки с разомкнутой вторичной.

Он складываются из двух составляющих:

• активная отвечает за возникновение вихревых потоков сердечника и связанные с этим потери;
• реактивная, формирующая процессы рассеяния магнитного потока.

Вычисления показывают, что значение этого тока может достигать 10% от номинального.

Напряжение для вторичной обмотки формируется двумя составляющими:

• номинальным;
• напряжением в ситуации короткого замыкания.

Так как ток холостого хода мал, он не вызывает значительного падения напряжения. Можно сделать вывод, что напряжения и ЭДС уравновешиваются в пределах погрешностей, которые не влияют существенно на результаты диагностики.

Этапы проведения опыта холостого хода

Для проведения диагностики работы трансформатора с бесконечно большим сопротивлением нагрузочной части используют амперметры, вольтметры, ваттметр.

Опыт холостого хода проводится с такой последовательностью:

• первым вольтметром измеряется подводимое напряжение;
• второй вольтметр показывает разность потенциалов на вторичной обмотке. Его сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток вторичной обмотке был минимальным;
• амперметр определяет значение тока с работой без нагрузки. Он подключён к первичной обмотке;
• ваттметр так же подключается к цепи первичной обмотки. С его помощью измеряют мощность режима тестирования.

По полученным значениям делаются вычисления:

1. По данной формуле находится процентное соотношение между номинальным показателем, а так же значением тока первичной обмотки;
2. Для определения коэффициента трансформации устанавливают значение входящего напряжения, которое определяется с помощью первого вольтметра. Второй вольтметр покажет номинальное значение на выходе. Буквами w1, w2 обозначают количество витков на первой и второй обмотке.
3. Потери холостого хода складываются из потерь электрических, магнитных. Но электрические потери незначительны. За счёт процессов перемагничивания стали сердечника возникают значительные магнитные потери. Они вызваны вихревыми токами, гистерезисом. Наиболее частой причиной потерь считается износ устройства, особенно сердечника.

К потерям относят и рассеяние, которое возникает за счёт того, что магнитный поток проходит не только по магнитной среде. Часть потока замыкается во время прохождения тока по воздуху (маслу в масляном трансформаторе). Этот магнитный поток в процессах трансформации не участвует, но входит в потери.