Трансформатор электрического тока является устройством преобразования энергии. Ток холостого хода трансформатора характеризует потери при отсутствии подключенной нагрузки. Величина данного параметра зависит от нескольких факторов:
- Конструктивного исполнения.
- Материала сердечника.
- 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:
- Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
- 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:
- При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
- Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
- 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.
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.
Коэффициент трансформации
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).
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.
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.
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.
Опыт холостого хода
С помощью тестирования возможно установить:
- коэффициент трансформации;
- каким образом ток, мощность, мощностной коэффициент cosφ холостого хода зависят от подаваемого напряжения;
- мощностные потери в стальном магнитопроводе.
Из самого названия опыта следует, что он осуществляется, когда выводы вторичной обмотки остаются открытыми, а входное питание подается со стороны высокого напряжения. Применяется и обратная схема с подведением питания со стороны НН и размыканием выводов первичной обмотки.
Опыт холостого хода трансформатора выполняется путем подключения выбранной обмотки к источнику питания на переменном токе через различные приборы: амперметр, вольтметр, ваттметр. С целью установления коэффициента трансформации с другой стороны также подсоединяется вольтметр. Во время испытания подаваемое напряжение можно изменять. Как правило, его регулирование происходит в диапазоне 0,6-1,1 от номинального.
Схема для теста х.х.
У ненагруженного аппарата первичный ток очень низкий – 3-5 % от Iн. Потери в проводах трансформаторной обмотки несущественны.
Важно! Трансформатор в режиме х.х. работает при Uн, создаваемый магнитный поток в стальном магнитопроводе соответствует самым высоким значениям. Практически полная энергия потребления используется на нагрев сердечника.
Измерения для вычисления коэффициента трансформации
- После подачи питающего напряжения фиксируются синхронно показания с двух вольтметров. Затем коэффициент трансформации подсчитывается в соответствии с формулой:
К = U1/U2.
Для трехфазных аппаратов снимают показания фазных или линейных напряжений;
- При соединении обмоток трехфазных аппаратов ∆/Y и Y/∆ измерение фазного коэффициента производят, подавая напряжение на одну фазу и по очереди закорачивая другие. На стороне треугольника одну фазу закорачивают, а на остающиеся подают питание. Вычисленный показатель фазного коэффициента нужно умножить на 2, если напряжение подается на Y, и поделить на 2, если на ∆.
Важно! Значение фазного коэффициента рассчитывается, когда наблюдаются значительные отклонения линейного показателя.
Определение потерь
Графические характеристики холостого хода (х.х.) строятся, исходя из нескольких считываемых с приборов значений тока, напряжения и мощности в процессе регулировании напряжения. Количественные значения тока для аппаратов с низкими мощностными показателями не превышают 10% от номинальных величин, а для устройств большой мощности – 2%.
Формула для расчета коэффициента мощности без нагрузки:
cosφ = P/I x U.
Важно! В режиме х.х. cosφ составляет 0,2-0,3.
Мощностной показатель, замеряемый ваттметром, – это мощность потерь в стальном сердечнике.
Также можно определить:
- намагничивающую составляющую тока х.х.:
Im = I x sinφ
- активную часть тока х.х.:
Ia = I x cosφ
- реактивное сопротивление:
X = U/Im
- сопротивление, представляющее активные потери в магнитопроводе:
R = U/Ia.
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.
, Ом
3.
Содержание и порядок выполнения работы
Для исследования электрической цепи по схеме рис. 1П протокола измерений используют: источники постоянного напряжения из блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
: источника напряжения
Е
1= 9 В (
UZ1
), источника тока
J
2
=
50 мА (
UZ2
); измерительные приборы из блоков
МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
постоянного тока. Пассивные элементы , и электрической схемы выбирают из блока
МОДУЛЬРЕЗИСТОРОВ
, для резистора
R
н используется
МАГАЗИН СОПРОТИВЛЕНИЙ.
· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1П. Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.
· Включить автоматический выключатель QF
блока
МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
. Включить тумблер
SA1
источников
UZ1
и
UZ2
.
· Установить значение сопротивления резистора R
н=
R
1. Если стрелки амперметров
PA1,PA2
и
PA3
блока
МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
отклоняются вправо, то значение тока считается положительным и равным показанию прибора. Если стрелка прибора отклоняется влево, следует поменять полярность подключения прибора, а значение тока считать отрицательным. Аналогично проводится измерение напряжений на элементах вольтметром PV.
· Значения измеренных токов и напряжения занести в табл. 1П протокола измерений.
Определение параметров эквивалентного генератора
· В режиме короткого замыкания (R
н
=
0) измерить ток
I
кз и токи ветвей.
· В режиме холостого хода (ветвь с R
н разомкнута) измерить напряжение
U
хх, токи холостого хода. Данные измерений занести в табл. 1П.
Сравнение экспериментальных и теоретических данных
· Заполнить табл. 2П.
Определение экспериментальных зависимостей
· Измерить токи I
н,
I
1, напряжение
U
н для указанных в табл. 3П значений сопротивления
R
н. Данные измерений занести в табл. 3П протокола.
· Рассчитать по измерениям мощность P
н.
· Выключить автоматический выключатель QF
блока
МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
.
· Построить экспериментальные зависимости I
н(
R
н),
U
н(
I
н),
P
н(
I
н),
I
1(
I
3).
Протокол измерений к лабораторной работе № 3
«Метод эквивалентного генератора. Линейные соотношения»
Схема исследуемой электрической цепи представлена на рис. 1П. Укажите на исследуемой схеме положительные направления токов в ветвях и полярность подключения приборов. В последующих опытах выбранные направления принять как положительные, экспериментальное значение тока в ветвях принимать в соответствии с отклонением стрелки прибора.
Е
1 = ___ В,
J
2 = ___ мА, = ____ Ом, = ____ Ом, Ом.
R
н = ____ Ом
, мА
, мА
, мА
, мА
Определение холостого хода трансформатора
Трансформаторы представляют собой сложное оборудование, которое предназначено для изменения параметров тока в цепи. Они могут повышать или понижать мощность, 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
- 2.1 Подход к проведению измерений
- 3.1 Однофазные приборы
- 5.1 Применение ваттметра
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:
, (7.19)
где Рх – потери холостого хода, Вт;
Uф – 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
oр,
i
о, выражая их в процентах номинального тока.
Тогда активная составляющая, %:
, (7.20)
где S – мощность трансформатора, кВ· А;
Рх – 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 [5].
И так для плоской трехфазной шихтованной магнитной системы со взаимным расположением стержней и ярм, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, полная намагничивающая мощность может быть рассчитана по формуле, В∙А:
, (7.21)
где Gс , Gя/ и Gу – соответственно массы стали стержней, отдельных частей ярм и угла, кг;
qс и qя – удельные намагничивающие мощности для стали стержней и ярм, (определяются по таблице 7.5), В·А/кг;
qз – удельная намагничивающая мощность для зазоров, определяемая по таблице 7.5, по индукциям для прямых и косых стыков аналогично рз при расчете потерь холостого хода, В·А/м2;
Пз – площадь зазора, определяемая так же, как и при расчете потерь холостого хода, м2;
kт.р – коэффициент, учитывающий влияние резки полосы рулона на пластины: для отожжённой стали kт.р=1,18, для неотожжённой стали kт.р=1,49;
kт.з — коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев: для отожжённых пластин kт.з=1,0, для неотожжённых kт.р=1,01;
kт.у — коэффициент, учитывающий число углов с косыми и прямыми стыкам пластин магнитной системы по таблице 7.6;
kт.пл — коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы по таблице 7.7;
kт.я – коэффициент, учитывающий форму сечения ярма, kт.я=1,0 для ярма многоступенчатого сечения и kт.я=1,07 для ярма прямоугольного сечения (при соотношении числа ступней стержня и ярма, равное трем, kт.я=1,04; при соотношении равном шести kт.я=1,06);
kт.п — коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы по таблице 7.4;
kт.ш — коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма, равный 1,01 при мощности трансформатора до 250 кВА; 1,02 при мощностях 400-630 кВА.
Таблица 7.5 — Полная удельная намагничивающая мощность в стали q[В∙А/кг] 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 | |||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
0,20 | 0,040 | 0,040 | 0,039 | 0,038 | ||
0,40 | 0,120 | 0,117 | 0,117 | 0,115 | ||
0,60 | 0,234 | 0,230 | 0,227 | 0,223 | ||
0,8 | 0,375 | 0,371 | 0,366 | 0,362 | ||
1,00 | 0,548 | 0,540 | 0,533 | 0,525 | ||
1,20 | 0,752 | 0,742 | 0,732 | 0,722 | ||
1,22 | 0,782 | 0,768 | 0,758 | 0,748 | ||
1,24 | 0,811 | 0,793 | 0,783 | 0,773 | ||
1,26 | 0,841 | 0,819 | 0,809 | 0,799 | ||
1,28 | 0,870 | 0,844 | 0,834 | 0,824 | ||
1,30 | 0,900 | 0,870 | 0,860 | 0,850 | ||
1,32 | 0,932 | 0,904 | 0,892 | 0,880 | ||
1,34 | 0,964 | 0,938 | 0,924 | 0,910 | ||
1,36 | 0,996 | 0,972 | 0,956 | 0,940 | ||
Продолжение таблицы 7.5 | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
1,38 | 1,028 | 1,006 | 0,988 | 0,970 | ||
1,40 | 1,060 | 1,040 | 1,020 | 1,000 | ||
1,42 | 1,114 | 1,089 | 1,065 | 1,041 | ||
1,44 | 1,168 | 1,139 | 1,110 | 1,082 | ||
1,46 | 1,222 | 1,188 | 1,156 | 1,123 | ||
1,48 | 1,276 | 1,238 | 1,210 | 1,161 | ||
1,50 | 1,330 | 1,289 | 1,246 | 1,205 | ||
1,52 | 1,408 | 1,360 | 1,311 | 1,263 | ||
1,54 | 1,486 | 1,431 | 1,376 | 1,321 | ||
1,56 | 1,575 | 1,511 | 1,447 | 1,383 | ||
1,58 | 1,675 | 1,600 | 1,524 | 1,449 | ||
1,60 | 1,775 | 1,688 | 1,602 | 1,526 | ||
1,62 | 1,958 | 1,850 | 1,748 | 1,645 | ||
1,64 | 2,131 | 2,012 | 1,894 | 1,775 | ||
1,66 | 2,556 | 2,289 | 2,123 | 1,956 | ||
1,68 | 3,028 | 2,681 | 2,435 | 2,188 | ||
1,70 | 3,400 | 3,073 | 2,747 | 2,420 | ||
1,72 | 4,480 | 4,013 | 3,547 | 3,080 | ||
1,74 | 5,560 | 4,953 | 4,347 | 3,740 | ||
1,76 | 7,180 | 6,364 | 5,551 | 4,736 | ||
1,78 | 9,340 | 8,247 | 7,161 | 6,068 | ||
1,80 | 11,500 | 10,130 | 8,770 | 7,400 | ||
1,82 | 20,240 | 17,670 | 15,110 | 12,540 | ||
1,84 | 28,980 | 25,210 | 21,450 | 17,680 | ||
1,86 | 37,720 | 32,750 | 27,790 | 22,820 | ||
1,88 | 46,460 | 40,290 | 34,130 | 27,960 | ||
1,90 | 55,200 | 47,830 | 40,740 | 33,100 | ||
1,95 | 89,600 | 82,900 | 76,900 | 70,800 |
Примечание: при шихтовке в одну пластину данные qз, умножить на 0,82 для стали марки 3404 и на 0,78 для стали марки 3405.
Таблица 7.6 — Значения коэффициента kт.у., для различного числа углов с косыми и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при f=50 Гц
Число углов со стыками | Индукция В, Тл | |||||
косыми | прямыми | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 |
— | 26,0 | 27,95 | 27,95 | 26,0 | 22,10 | |
5* | 1* | 32,25 | 34,83 | 35,20 | 33,25 | 27,85 |
38,5 | 41,7 | 42,45 | 40,5 | 33,66 | ||
— | 58,5 | 64,7 | 65,6 | 64,7 | 52,0 |
Таблица 7.7 — Значения коэффициента kт.пл, учитывающего увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2 для холоднокатаной стали
В, Тл | Ширина пластины второго пакета а2, м | |||||||
0,05 | 0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,40 | 0,50 | 0,60 | 0,70 | |
0,8-1,00 | 1,30 | 1,25 | 1,20 | 1,17 | 1,15 | 1,14 | 1,13 | 1,12 |
1,10 и 1,90 | 1,40 | 1,27 | 1,21 | 1,18 | 1,16 | 1,15 | 1,14 | 1,13 |
1,20 и 1,80 | 1,50 | 1,30 | 1,22 | 1,19 | 1,17 | 1,16 | 1,15 | 1,14 |
1,30 и 1,70 | 1,70 | 1,38 | 1,25 | 1,21 | 1,18 | 1,17 | 1,16 | 1,15 |
1,40 и 1,60 | 2,00 | 1,50 | 1,35 | 1,25 | 1,20 | 1,19 | 1,18 | 1,16 |
1,50 | 3,00 | 2,0 | 1,50 | 1,35 | 1,30 | 1,25 | 1,20 | 1,18 |
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей тока холостого хода, А:
(7.22)
Относительное значение тока холостого хода в процентах номинального тока трансформатора (подобно активной составляющей i
оа) , %:
(7.23)
Полный ток холостого хода, А:
Ix = (7.24)
и в процентах номинального тока:
io =
(7.25)
Полученное значение тока холостого хода — i0
должно быть сверено с током холостого хода по заданию на расчет трансформатора – I0, т.е. это отклонение не должно превышать 70%.
Предыдущая9Следующая
ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала…
ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования…
ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры…
Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор…
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
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:
- Силовые.
- Измерительные.
- Разделительные.
- 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.
Холостой ход трехфазного трансформатора
Характер работы 3-фазного устройства в режиме ХХ зависит от магнитной системы и схемы подключения обмоток:
- первичная катушка — «треугольником», вторичная — «звездой» (D/Y): имеет место свободное замыкание ТГС тока I1 по обмоткам устройства. Поэтому магнитный поток и ЭДС являются синусоидальными и нежелательные процессы, описанные выше, не происходят;
- схема Y/D: ТГС магнитного потока появляется, но ток от наведенной им дополнительной ЭДС свободно течет по замкнутым в «треугольник» вторичным катушкам. Этот ток создает свой поток вектора магнитной индукции, который гасит вызывающую его третью ГС основного МП. В результате магнитный поток и ЭДС, имеют почти синусоидальную форму;
- соединение первичной и вторичной катушек «звездой» (Y/Y).
В последней схеме ТГС тока I1 отсутствует, поскольку для нее нет пути: третьи гармонии каждой из фаз в любой момент времени направлены к нулевой точке или от нее. Из-за этого искажается магнитный поток.
Дальнейшее определяется магнитной системой:
- 3-фазный трансформатор в виде группы 1-фазных: ТГС магнитного потока замыкается в каждой фазе по собственному сердечнику и из-за малого магнитного сопротивления последнего, достигает амплитуды в 15% – 20% рабочего магнитного потока. Она создает дополнительную ЭДС, амплитуда которой может достигать уже 45% – 60% от основной ЭДС. Такой рост напряжения может привести к пробою изоляции с последующей поломкой электроустановок;
- трансформаторы с бронестержневой магнитной системой: имеют место те же явления (третьи гармонические магнитного потока замыкаются по боковым ярмам магнитопровода);
- трехстержневая магнитная система: ТГС пути по магнитопроводу не имеет и замыкается по среде с малой магнитной проницаемостью — воздух, масло, стенки бака. Поэтому она имеет малую величину и значительной дополнительной ЭДС не наводит.
Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора
Присутствие в схеме 3-фазного трансформатора соединения «треугольник» в значительной степени нейтрализует негативное влияние ТГС магнитного потока и улучшает кривую ЭДС.
В мощных установках для больших напряжений, где требуется соединение обмоток на обеих сторонах «звездой», устанавливают дополнительную нерабочую обмотку (не несет электрической нагрузки), соединенную по схеме «треугольник».
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.
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.
Холостой ход однофазного трансформатора
Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводят напряжение, а вторичная обмотка разомкнута, то есть вторичный ток равен нулю.
Холостой ход – это предельный режим работы, позволяющий определить такие важные величины как: коэффициент трансформации, ток холостого хода трансформатора, потери при холостом ходе трансформатора.
Рисунок 2.2.1 – Магнитные потоки в трансформаторе
Пусть к зажимам А-Х первичной обмотки трансформатора приложено гармоническое напряжение,
; | (2.2.11) |
под действием которого по обмотке течёт ток i
0. Этот ток создаёт намагничивающую силу
i
0
w
1, где w1 – число последовательно соединённых между собой витков первичной обмотки. Н.с. первичной обмотки вызывает появление магнитного потока. Этот поток имеет несколько составляющих:
Ф
0 – основной поток, составляющий большую часть суммарного потока, замыкается по сердечнику и сцепляется с обеими обмотками;
Фσ
1 – поток рассеяния первичной обмотки, замыкается вне сердечника, сцепляется только с первичной (возможно частично со вторичной) обмоткой.
Поток Ф
0 наводит в первичной обмотке основную ЭДС,
e
1 и во вторичной —
e
2. Поток Фσ1 – создаёт в первичной обмотке ЭДС рассеяния
e σ
1.
Поскольку по первичной обмотке течёт ток i
0, то на активном её сопротивлении
r
1 имеет место падение напряжения i0r1. Согласно второму закону Кирхгофа, можно записать:
(2.2.12) |
или в векторной форме:
(2.2.13) |
В трансформаторах обычной конструкции поток рассеяния при холостом ходе (Pст ) мал, r
1 тоже мало и обычно не превышает 5% от . По этому в первом приближении этой разностью можно пренебречь. Тогда уравнение (2.2.13) имеет вид :
; | (2.2.14) |
то есть при холостом ходе напряжение, подведённое к обмотке трансформатора, практически уравновешивается только ЭДС, создаваемой в этой обмотке основным магнитным потоком.
Согласно закону электромагнитной индукции:
(2.2.15) |
Слагаемое «–π» в формуле (2.2.15) свидетельствует о том, что и находятся в противофазе, что следует из (2.2.14). Для того чтобы найти связь между ЭДС и амплитудой основного потока, проинтегрируем (2.2.15):
(2.2.16) |
откуда:
(2.2.17) |
Формулу (2.2.17) можно представить в виде:
(2.2.18) |
где:
(2.2.19) |
или:
(2.2.20) |
(2.2.21) |
Выражение (2.2.21) является основным в теории трансформаторов для расчёта действующего значения ЭДС.
Из этого выражения следует, что если частота f
и число витков заданы, то ЭДС прямо пропорциональна потоку.
Вторичная обмотка пронизывается тем же потоком Фm
, поэтому действующее значение ЭДС вторичной обмотки, аналогично уравнению (2.2.21), можно записать в виде:
; | (2.2.22) |
Отношение E
1 к
E
2 называется коэффициентомтрансформации трансформатора, его можно определить, поделив выражение (2.2.21) на (2.2.22), тогда
. | (2.2.23) |
Всё вышесказанное для простейшего однофазного трансформатора (то есть такого трансформатора, у которого r
1≈0 и
Lσ1
≈0) можно проиллюстрировать соответствующей векторной диаграммой.
Рисунок 2.2.2 – Векторная диаграмма идеального холостого хода
К первичной обмотке прикладывается напряжение U
1 под действием которого течёт ток i0, имеющий, вследствие допущения r1 ≈0 и Pст ≈0, чисто индуктивный характер и, следовательно вектор отстаёт от на π/2. Ток i0 создаёт н.с., под её действием возникает поток , также отстающий от на π/2 (см. уравнение (2.2.17)). Поток создаёт в обмотках э.д.с. и , причём в соответствии с (2.2.14) находится в противофазе с приложенным напряжением .
Согласно закону магнитной цепи
, | (2.2.24) |
где:
Rµ
— магнитное сопротивление сердечника, являющееся функцией µст. В ненасыщенном режиме (µст = const)
Ф
0 и
i
0 – прямо пропорциональны, но в насыщенном при синусоидальном
Ф
0
i
0 – несинусоидален, и имеет, что видно из рисунка 2.2.3, пикообразный характер.
Рисунок 2.2.3 – Форма намагничивающего тока в насыщенном трансформаторе
Поскольку векторную диаграмму строят для синусоидальных величин, то обычно из кривой намагничивающего тока выделяют 1-ю гармонику или эквивалентную синусоиду.
Всё вышесказанное относилось к простейшему трансформатору, т. е. не учитывалось рассеяние и потери активной мощности. В реальном трансформаторе потери активной мощности вычисляются по формуле:
, | (2.2.25) |
где I0а
– действующее значение активной составляющей тока холостого хода. Таким образом в реальном трансформаторе ток х.х. имеет две составляющие – намагничивающую с действующим значением I0µ , создающую основной поток и совпадающую с ним по фазе, и активную составляющую I0а , которая совпадает по фазе с вектором напряжения
U
1.
Рисунок 2.2.4 – Ток холостого хода реального трансформатора
Сложив геометрически эти две составляющие, можно вычислить суммарный тот х.х.:
(2.2.26) |
Обычно в трансформаторах I0а << I0µ (менее 10 %, а чаще всего менее 0.5%), поэтому на величину I0 эта составляющая существенного влияния не оказывает. (Несколько сильнее I0a влияет на фазу и форму тока х.х.)
Вернёмся теперь к уравнению (2.2.13) реального однофазного трансформатора и построим в соответствии с ним векторную диаграмму.
Рисунок 2.2.5 – Векторная диаграмма холостого хода реального трансформатора
Проведём вектор в положительном направлении оси абсцисс. Вектор отстаёт от вектора потока на π/2; совпадает по фазе с . Вектор тока х.х. строится по его активной и намагничивающей составляющим. Вектор э.д.с. рассеяния первичной обмотки равный –jI
0
xσ
1, где
xσ
1- индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки отстаёт от . Чтобы построить вектор напряжения в соответствии с уравнением (2.2.13) надо геометрически сложить вектора , и .
Мощность Р
0, потребляемая трансформатором в режиме х.х. расходуется целиком на покрытие потерь х.х., которые имеют несколько составляющих:
А) потери в меди первичной обмотки, равные
; | (2.2.27) |
Б) основные потери в стали сердечника pco;
В) добавочные потери х.х.
Обычно потери в меди при х.х. составляют не более 2% от суммы потерь х.х., поэтому ими пренебрегают.
Мощность холостого хода практически расходуется только на потери в стали. Основные потери в стали состоят из потерь на гистерезис (перемагничивание) и вихревые токи, причём 85% этих потерь (при частоте 50 Гц) составляют потери на гистерезис. И потери на гистерезис и на вихревые токи зависят от квадрата индукции сердечника, кроме того Pвх
зависят от квадрата частоты, а
PГ
— от частоты в первой степени.
Обычно
, | (2.2.28) |
для частот близких к 50 Гц, Рс1-потери в 1 кг стали при В
=1Тл.
Добавочные потери х.х. обычно составляют 15 20% от Pсо
и бывают следующих видов:
а) потери в стали от изменения структуры листов при их механической обработке;
б) потери в местах стыков и в местах расположения шпилек;
в) потери в конструктивных деталях – в шпильках, баке трансформатора и т.д.
г) потери в изоляции трансформаторов высокого напряжения.
2.1.3 Трансформация трёхфазного тока
Трёхфазный трансформатор может быть изготовлен из трёх однофазных, если их обмотки определённым образом соединить между собой. Такой трансформатор называется групповым. Трёхфазный трансформатор может быть трёхстержневым.
Групповойтрансформатор дороже стержневого на ту же мощность, имеет более низкий КПД и занимает больше места. Но в этом случае в качестве резерва достаточно иметь одну фазу. Так как повреждение двух фаз одновременно маловероятно. (В тот время как в стержневом надо иметь резервный трансформатор). При больших мощностях групповой трансформатор незаменим с точки зрения условий транспортировки и эксплуатации.
В групповом трансформаторе магнитная система каждой фазы независима, и длины магнитных цепей фаз равны. В трёхстержневом трансформаторе длины магнитных цепей различны, причём для крайних фаз длина магнитной цепи больше, чем для средней, поэтому для создания симметричной системы потоков необходима несимметричная система намагничивающих потоков, так как I0 крайних фаз больше, чем I0 средней. В групповом трансформаторе такой асимметрии нет, в трёхстержневом уже при небольшой нагрузке она сглаживается.
2.1.3.1 Схемы и группы соединения трёхфазного трансформатора
В отечественных трансформаторах приняты соединения обмоток: звезда, треугольник, зигзаг.
При соединении звезда Y концы обмоток образуют общую точку, а начала идут к сети. При соединении обмоток в треугольник Δ начало первой фазной обмотки присоединяют к концу второй, начало второй к концу третей, начало третей – к концу первой, а вершины образовавшегося треугольника – к сети. При соединении зигзаг каждая фаза вторичной обмотки располагается на двух различных стержнях.
Вообще говоря, понятия начала и конца обмоток условны, они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трёхфазном трансформаторе положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определённое направление потока в стержнях.
Начала фазных обмоток ВН обозначают обычно большими буквами A, В, С, их концы соответственно X, Y, Z, для обмоток НН эти обозначения соответственно a, b, c, и x, y, z. Если обмотка соединена звездой и у неё выведена нулевая точка, то применяют обозначение .
При включении трансформатора на параллельную работу большое значение имеет способ соединения обмоток, который определяется группой соединения. Номер группы соответствует углу между векторами линейных напряжений обмоток ВН и НН, отсчитанному по часовой стрелке от вектора линейного напряжения обмотки ВН. За единицу углового перемещения принят угол 300. Существует 12 групп соединения – от 0-й до 11-й. (Раньше нулевая группа называлась 12).
Методика определения групп трансформаторов.
Рассмотрим одну фазу трёхфазного трансформатора. Если обмотки низкого и высокого напряжения намотаны в одну сторону, то есть или по левой или по правой винто-
Рисунок 2.1.7- Группы соединений однофазного трансформатора
вой линии, верхние зажимы обмоток принять за их начала, а нижние за их концы, то ЭДС (векторы) индуктируемые в обмотках, во-первых, параллельны, т.к. индуктируются одним и тем же потоком, а во-вторых, направлены в одну сторону. Если зажимы обмотки НН перемаркировать, то ЕА
и
Еа
будут направлены параллельно, но встречно. При построении ВД, необходимой для определения группы, следует также учитывать, что, если на схеме концы обмоток соединены в одной точке, то и на векторной диаграмме соответствующие точки векторов фазных напряжений, обозначенных те ми же буквами, также соединены вместе.
Обычно векторы линейных ЭДС обмоток уподобляют стрелкам часового циферблата, причём вектор ВН принимают за минутную стрелку, установленную на цифре 12, а вектор НН – за часовую стрелку, и цифра, на которую указывает часовая стрелка, определяет группу трансформатора. Пусть трёхфазный трансформатор имеет соединение обмоток ВН и НН в звезду. При этом:
Рисунок 2.1.8 – Трехфазный трансформатор со схемой соединения звезда
1) обмотки НН и ВН имеют одинаковую намотку;
2) начала и концы обмоток расположены одинаково;
3) одноимённые обмотки расположены на общих стержнях (например А и а, В и в).
Построим теперь ВД фазных и линейных ЭДС обмоток ВН и НН.
Рисунок 2.1.9 – Трехфазный трансформатор с группой соединений Y/Y-0
При этом одноимённые векторы ЭДС совпадают по фазе, и если совместимость на циферблате с цифрой 12, то «часовая стрелка» покажет 12 или 0 «часов».
Если теперь в схеме Y/Y поменять местами начала и концы обмоток НН, то в ВД НН вектор поменяет направление на противоположное, и «часы» будут показывать 6-ю группу. При круговой перемаркировке фаз обмотки НН можно получить группы 4 и 8, поменяв местами начала и концы: 2 и 6, т.е. все чётные группы. Чётные группы получаются также при соединении Δ / Δ, а нечётные — Δ/Y и Y/Δ .
Рассмотрим теперь соединение Y/Δ.
Рисунок 2.1.10 – Трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/D-11
Из рисунка видно, что вектор линейной ЭДС НН смещен на 300 по отношению к вектору ВН и расположится напротив цифры 11. Перемаркировкой зажимов можно получить группы 1,3,5,7 и 9. Чтобы обеспечить параллельную работу трансформаторов в РФ изготавливаются трансформаторы: Y/Y0-0; Δ /Y0-11, Y0 / Δ -11, Y / -11; слева от дроби –ВН; справа НН; «0» – вывод наружу нулевой точки. Y/Y0-0 – применяют на 10/0,4 и 6/0,4 кВ, при неравномерной нагрузке фаз: Y / — 11; 35/10 кВ и 35/6 — Y / Δ-11, при UЛН>110 кВ – Y0 / Δ -11.
С точки зрения влияния высших гармоник и поведения при несимметричной нагрузке целесообразно одну из обмоток соединить в треугольник, т. к. при этом исчезают во внешней цепи токи нулевой последовательности и гармоник, кратных трём.
2.1.3.2 Намагничивание сердечников трёхфазных трансформаторов
В теории однофазного трансформатора мы выяснили, что если к первичной обмотке подводится синусоидальное напряжение, то синусоидален и основной поток, но намагничивающий ток при этом имеет высшие гармоники. Аналогичные явления имеют место в трёхфазном трансформаторе.
Соединение Δ/Y.
Если фазное напряжение синусоидально, то Ф
тоже, а , и будут содержать нечетные высшие гармоники, кратные 3. Основные гармоники фаз будут сдвинуты относительно друг друга на 1200; третьи -3·1200 =3600 или 0, пятые — 5·1200=6000 или 240о и т.д. Т.е. гармоники кратные трем в отдельных фазах обмотки будут совпадать по фазе. В линейных токах, которые равны разности соответствующих фазных токов, эти гармоники будут отсутствовать. Т.е. токи этих гармоник будут циркулировать внутри замкнутого треугольника, образуя общий замкнутый циркуляционный ток.
Соединение Y/Δ.
В этом случае гармоники, кратные трём в первичном намагничивающем токе отсутствуют, т. к. они должны совпадать по фазе и их сумма должна равняться нулю, а этого быть не может. Поэтому несинусоидальный поток третьей гармоники Ф3Y будет индуктировать во вторичной рбмотке, соединенной треугольником, три равных по величине и совпадающих по фазеЕ3Δ, а они. в свою очередь, ток I3Δ. Создаваемый этим током Ф3Δ будет почти полностью компенсировать Ф3Y .
Итак: При соединении одной из обмоток трансформатора в треугольник, поток Ф
и напряжение
U
фаз остаются синусоидальными. Только в фазах обмотки, соединённой треугольником, будут циркулировать гармоники тока, кратные трём. Всё это относится и к групповым трансформаторам и трансформаторам с общим сердечником.
СоединениеY/Y: В этом случае токи на обеих сторонах не могут содержать третьи гармоники, поэтому несинусоидален поток, а, следовательно, несинусоидальны фазные э.д.с. и U
. Но линейные
E
и
U
синусоидальны, т. к. в разности э.д.с. двух фаз E3 исчезают. В групповых (а), броневых и бронестержневых трансформаторах Ф3 замыкается по магнитной системе, но в стержневых(б) – по сердечнику замыкаться не могут, т. к. совпадают по фазе.
Поэтому Ф3 от одного ярма к другому замыкаются через масло и воздух, крепёж и стенки бака, вызывая в них потери на вихревые токи.
а) б)
Рисунок 2.1.11 – Третьи гармоники потока в сердечниках трехфазных
трансформаторов
Поэтому в мощных высоковольтных трансформаторах не применяют соединение Y / Y. Если такая потребность есть, то в трансформаторе можно намотать дополнительную третичную обмотку с соединением в треугольник, сечение которой рассчитано только на токи I3 .
| | следующая лекция ==> | |
Типовые конструктивные элементы. | | | Инженерный анализ в машиностроении |
Дата добавления: 2016-06-18; просмотров: 5862; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Узнать еще:
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.