В чем заключается отличие режима холостого хода и режима нагрузки работы трансформатора кратко

Обновлено: 06.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Работа трансформатора в режиме холостого хода и нагрузки.

· Работа трансформатора в режиме холостого хода .

· Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформаторов .

· Работа трансформатора в режиме нагрузки .

Работа трансформатора в режиме холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы трансформатора, при котором к вторичной обмотке потребитель не подключается, цепь вторичной обмотки разомкнута и поэтому ток во вторичной обмотке равен нулю.

В режиме холостого хода первичная обмотка трансформатора, включена к источнику электрической энергии (как правило, к электрической сети промышленной частоты), поэтому электрическая цепь первичной обмотки замкнута и по виткам обмотки проходит переменный ток холостого хода. Переменный ток в витках первичной обмотки создает магнитодвижущую силу, которая в свою очередь возбуждает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток связан с магнитодвижущей силой обмотки законом Ома для магнитной цепи. Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сцепленный как со всеми витками первичной, так и со всеми витками вторичной обмотки и поэтому, согласно закону электромагнитной индукции, наводит в обоих обмотках переменную электродвижущую силу.

В первичной обмотке трансформатора напряжение сети, приложенное к обмотке, почти полностью компенсируется приведенной магнитным полем электродвижущей силой. Таким образом, амплитуда суммарной электродвижущей силы, которая действует в цепи, составляет несколько процентов от приложенного напряжения.

Именно компенсацией приложенного напряжения объясняется тот факт, что трансформатор способен для работы только в цепях переменный тока.

Трансформатор нельзя включать под постоянное напряжение потому, что магнитное поле, создаваемое постоянным током, не изменяется со временем и поэтому не наводит в первичной обмотке электродвижущую силу. В таком случае напряжение сети, не скомпенсировано электродвижущей силой, приложенной к обмотке с маленьким сопротивлением, поэтому ток в обмотке в десятки и сотни, раз превышает номинальный ток. Вследствие этого в обмотке выделяется большое количество теплоты. Температура обмотки на протяжении нескольких секунд быстро повышается, и трансформатор выходит из строя. Во вторичной обмотке, с витками которой сцепленный магнитный поток, наводится электродвижущая сила, как и в первичной обмотке. Переменный ток создает магнитодвижущую силу в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки направленная таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода. Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является важной характеристикой трансформатора и объясняет много особенностей его работы. Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен с всеми витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущую силу. Электродвижущая сила, наведенная переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в режиме холостого хода, приложенную к обмотке напряжение сети. Тем самым достигается ограничения амплитуды тока первичной обмотки к значениям, которые не превышают номинальных. Итак, первичная обмотка относительно электрической сети выступает как потребитель электрической энергии. Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу и в вторичной обмотке. Амплитуда приведенной электродвижущей силы прямо пропорциональная количеству витков вторичной обмотки. Отношения амплитуды ЕДС первичной обмотки Е₁ к амплитуде ЕДС Е₂ вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации Іг = Е₁/Е₂. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков первичной обмотки к количеству витков, вторичной обмотки:

Итак, трансформатор передает энергию от сети к потребителю с помощью магнитного поля. Поскольку в режиме холостого хода потребитель к вторичной обмотке не присоединен, то электрическая цепь обмотки остается незамкнутой и ток во вторичной обмотке равняется нулю.

Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформаторов .

Опыт холостого хода проводят в следующем порядке: первичную обмотку включают в сеть на номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой. При этом ток в первичной обмотке I₁ = Iо; - ток во вторичной обмотке I₂ = 0 (рис. 3.1.а). Амперметр А в первичной цепи дает возможность определить ток холостого хода Iо который принято измерять в % от номинального тока I_1ном у в первичной обмотке:

Рис 3.1. Схема включения однофазных трансформаторов при опытах холостого хода (а) и короткого замыкания (б)

В трансформаторах большой и средней мощности i_о = 2—10 %, а в трансформаторах малой мощности (менее 300 В • А) он может достигать 40 % и более. Ток холостого хода Iо наряду с реактивной составляющей Iор наводящей в магнитопроводе основной магнитный поток, имеет активную составляющую Iоа; которая обусловлена магнитными потерями в магнитопроводе трансформатора. Изготовление магнитопроводов из качественных электротехнических сталей с небольшими удельными магнитными потерями способствует уменьшению активной составляющей тока холостого хода до значения, не превышающего 10%, т.е. до значения Iоа = 0,1Iо. Результирующий ток холостого хода. А:

Если ток холостого хода I₀, полученный опытным путем, намного превышает значение, указанное в каталоге на исследуемый типоразмер трансформатора, то это свидетельствует о неисправности трансформатора: наличии короткозамкнутых витков в обмотках либо нарушении электрической изоляции между некоторыми пластинами (полосами) магнитопроврда.

При опыте холостого хода U₂₀ = E₂ и U₁ - E₁, поэтому, используя показания вольтметров v1 и V2 можно с достаточной точностью определить коэффициент трансформации k =U₁/U₂.

Ваттметром W в первичной цепи трансформатора измеряют мощность P₀, потребляемую трансформатором в режиме холостого хода. В трансформаторах номинальной мощностью более 200 — 300 В • А в режиме холостого хода электрические потери в первичной обмотке Ро составляют незначительную величину относительно мощности холостого хода Р₀. Поэтому для этих трансформаторов принято считать мощность холостого хода равной мощности магнитных потерь, т. е. Р₀ = P_M.

Коэффициент мощности трансформатора при опыте холостого хода

Опыт короткого замыкания выполняют следующим образом. Вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (рис. 3.1., б), а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение короткого замыкания U_K = Uк.ном при котором ток короткого замыкания в первичной обмотке равен номинальному значению, т.е. I_1K = I_1ном. Напряжение короткого замыкания принято выражать в % от номинального напряжения U_1ном:

Магнитный поток Фmах пропорционален напряжению U1, но так как напряжение короткого замыкания не превышает 5— 12 % от U_1ном; то для создания основного магнитного потока при опыте короткого замыкания требуется настолько малая величина намагничивающего тока, что ею можно пренебречь. Исходя из этого принято считать магнитные потери при опыте короткого замыкания равными нулю, а потребляемую мощность короткого замыкания Р_К, равной мощности электрических потерь трансформатора при номинальной нагрузке трансформатора (Р_к = Р_э.ном).

Коэффициент мощности при опыте короткого замыкания

Таким образом, опыты холостого хода и короткого замыкания дают возможность экспериментально найти ряд важных параметров трансформатора: ток холостого хода I₀, магнитные потери P_K, напряжение короткого замыкания P_k, электрические потери в обмотках при номинальной нагрузке P_k = P э.ном используя которые по формуле:

можно определить КПД трансформатора.

Работа трансформатора в режиме нагрузки .

В режиме нагрузки, в отличие от режима холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора подключается потребитель электрической энергии. Таким образом, электрическая цепь первичной и вторичной обмоток оказываются замкнутыми и в обеих обмотках протекают переменные токи. Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковые. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов большая амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки направлена таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода.

Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке есть важной характеристикой трансформатора и объясняет много особенностей его работы.

Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущие силы.

Электродвижущая сила, наведенная переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в режиме холостого хода, приложенное к обмотке напряжение сети. Тем самым достигается ограничения амплитуды тока первичной обмотки к значениям, которые не превышают номинальных. Итак, первичная обмотка относительно электрической сети выступает как потребитель электрической энергии. Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу и во вторичной обмотке. Амплитуда наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональная количеству витков вторичной обмотки. Отношения амплитуды ЕДС первичной обмотки Е₁ к амплитуде ЕРС Е2 вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = Е₁/Е₂. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w₁ первичной обмотки к количеству витков w₂, вторичной обмотки:

Контрольные вопросы.

1. Чем отличается работа трансформатора в режиме холостого хода от номинального режима?

Вопрос-ответ

Знаете ли вы, что существуют нагруженные и ненагруженные трансформаторы, работа которых значительно отличается? Имея понятие о том, в чем их разница, можно научиться контролировать мощность и напряжение электричества.

Во время работы с оборудованием происходят незначительные потери мощности. Поэтому, потребители получают не все 100% электроэнергии. Нагревается трансформатор, а также магнитопровод с обмотками. Разные конструкции имеют неодинаковые показатели.

Трансформатор работает только благодаря току. Меняется поступающее напряжение, чтобы не допустить взрыва электроприборов. Есть четыре вида подобных устройств:

Силовой.
Разделительный.
Согласующий.
Измерительный.

Силовой зачастую применяется для подключения к энергетической цепи. В таком случае может иметься больше двух мотков. Прибор бывает, как для бытовой сети, так и промышленной.

Особенность установки

Отличительными являются автотрансформаторы, которые имеют всего лишь один совмещенный моток.

Однофазовое и многофазовое оборудование имеет разную номинальную мощность. Диапазон составляет от 10 до 1000 кВА. Средние типы обладают мощностью 20-630 кВА. Параметрам свыше 1000 кВА понадобится установка высоких мощностей.

Основные режимы работы

Зависимо от силы сопротивления и нагрузки, у трансформаторов существует несколько режимов работы:

Обладая информацией о схеме замещения, можно исследовать нужные режимы работы трансформатора.

Холостой ход

Когда переменный ток проходит по первичному мотку, во внутреннем стержне возникает магнитный поток с переменами, накаляющий электродвижущую силу индукции каждой обмотки. Сердечник контролирует магнитное поле, из-за чего поток присутствует только в сердечнике и равномерен во всех сечениях.

Режим холостого хода или разомкнутая цепь второй обмотки уменьшает ток из-за сопротивления мотка. В таком состоянии потребляется небольшая мощность.

Под нагрузкой

Состояние короткого замыкания – это режим, во время которого провода вторичного мотка замкнуты токопроводом, а сопротивление равно нулю. В эксплуатационном состоянии короткое замыкание активирует аварийный режим, потому что при таких обстоятельствах вторичный и первичный токи увеличиваются в 10-20 раз.

Поэтому, цепи с трансформаторами защищены автоматическим отключением.

Метод проведения опыта

Утраты холостого хода вычисляются во время настройки режима. Для подготовки к операции отключается подача тока в обмотку. Они остаются разомкнутыми. Далее цепи снабжаются электроэнергией, но только на первом контуре. Приспособление должно работать под установленным напряжением.

Сквозь первичный контур сварочной или силовой установки проходит ток под названием ХХ. Величина равна 3-9% от заданных показателей. При этом на мотке второстепенного контура нет подачи электроэнергии. На исходном контуре производится поток вектора магнитной индукции, который обеспечивает ток, пересекающий оборот двух обмоток. Также появляется электродвижущая мощность самоиндукции на первичном, а взаимоиндукция – на вторичных контурах.

Отличительные особенности работы нагруженного трансформатора

Кратко о том, какие качества выделяют нагруженные трансформаторные устройства.

При нагрузке, в отличии от холостого хода, к трансформаторному вторичному мотку присоединяется пользователь электроэнергии. Это замыкает начальную и второстепенную обмотку, после чего в них начинает проходить переменный ток, который увеличивает силу магнита в первичной и вторичной обмотке. Колебания магнитодвижущих сил обмоток практически не отличаются, максимум на 2-3 процента.

Магнитная сила вторичной обмотки устроена так, что практически полностью возмещает первичную. Колебание суммарной силы, действующая в магнитопроводе, равна двум-трем процентам от магнитной силы одной из обмоток. Поток накаляется под влиянием суммарной силы, из-за чего амплитуда потока не зависит от основного, вторичного мотка и примерно равна колебанию в холостом обороте.

Нагруженный трансформатор кроме главного магнитного потока обладает еще и рассеянным, который частично замыкается по воздуху. Потоки индуцируются в первом, а также втором мотке рассеяния электродвижущей силы.

Мощность первичной цепи во время нагрузки трансформатора примерно равняется мощности во вторичной. Увеличивая в несколько раз напряжение через трансформатор, во столько же понижается сила тока.

В режиме нагрузки, в отличие от режима холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора присоединяется потребитель электрической энергии. Таким образом, электрические цепи первичной и вторичной обмоток оказываются замкнутыми и в обоих обмотках протекают переменные токи. Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является важной характеристикой трансформатора и объясняет множество особенностей его работы.

Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу во вторичной обмотке. Амплитуда наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональна количеству витков вторичной обмотки. Отношение амплитуды ЭДС первичной обмотки E_1m к амплитуде ЭДС E_2m вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = E _1m / E _2m. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w₁ первичной обмотки к количеству витков w₂ вторичной обмотки:

Набирая необходимое количество витков, можно с помощью трансформатора питать потребителей с разным номинальным напряжением.

Во вторичной обмотке, замкнутой на потребителя вторичной энергии, под действием электродвижущей силы протекает переменный ток, амплитуда которого определяется сопротивлением потребителя, включенного во вторичную обмотку. Вторичная обмотка относительно потребителя является генератором электрической энергии.

Таким образом, трансформатор передает энергию от сети к потребителю с помощью магнитного поля.

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

Рабочий режим;
Номинальный режим;
Оптимальный режим;
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему \(\dot_1 ≈ \dot_\);
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot_1ном\).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному \(\dot_1 = \dot_\);
Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot_\).

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где \(P_\) - потери холостого хода;
\(P_\) - потери короткого замыкания;
\(k_\) - коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где \(P_2\) - ток нагрузки вторичной обмотки;
\(P_\) - номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри "Трансформаторы. Оптимальный режим работы").

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение \(\dot_ = \dot_\);
Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ ≈ \dot_ ≈ 0\).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 - трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 - Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 - Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока \(i_х\), мощности \(ΔQ_хх\) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри "Опыт холостого хода трансформатора").

Примечание:

Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина \(R_\), равная отношению номинального напряжения обмотки \(U_\) к её номинальному току обмотки \(I_\)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
К первичной обмотке приложена такая величина напряжения \(\dot_1\), что ток первичной обмотки равен её номинальному току \(\dot_1 = \dot_\)
Напряжение вторичной обмотки \(\dot_2 = 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ = \dot_ = 0\).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 - для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 - Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 - Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения \(u_к\), мощности \(ΔP_кз\) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри "Опыт короткого замыкания трансформатора").

Читайте также: