Зависимость мощности трансформатора от тока холостого хода

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:

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/U 2 ;
• полное сопротивление первичной цепи z₁=U/I_хх;
• индуктивное сопротивлении е x₁=√(z 2 -r 2 ).

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

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

«Электрическим машинам»

по специальности «Электроснабжение»
(сокращенная форма обучения)
Содержание

1. Трансформатор. Назначение и область применения трансформаторов 3

1.1. Принцип действия трансформатора. 3

1.2. Устройство трансформатора. 5

1.3. Ток холостого хода трансформатора. Опыт холостого хода. 6

1.4. Напряжение короткого замыкания. Опыт короткого замыкания. 7

1.5. Эквивалентная схема замещения трансформатора. 8

1.6. Изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика трансформатора 9

1.7. КПД трансформатора. 11

2. Общие сведения об электрических машинах. 13

3. Машины постоянного тока. 14

3.1. Принцип действия генератора постоянного тока. 14

3.2. Принцип действия двигателя постоянного тока. 15

3.3. Устройство машин постоянного тока. 16

3.4. Ток. Частота вращения. Саморегулирование двигателей постоянного тока. 16

3.5. Способы возбуждения двигателя постоянного тока. 18

3.6. Механические характеристики двигателей постоянного тока. 19

3.7. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока. 22

3.8. КПД двигателя постоянного тока. 22

4. Вращающееся магнитное поле. 23

5. Асинхронные электродвигатели. 25

5.1. Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. 25

5.2. Электромагнитный момент асинхронного двигателя. 26

5.3. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя. 28

5.4. Влияние напряжения питания и активного сопротивления ротора на механическую характеристику 30

5.5. Коэффициент полезного действия. 31

5.6. Коэффициент мощности. 31

6. Синхронный двигатель. 33

6.1. Принцип действия и устройство синхронного двигателя. 33

6.2. Пуск синхронного двигателя. 35

Трансформатор. Назначение и область применения трансформаторов

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, которое служит для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения той же частоты. Это аппарат переменного тока.

Основное место применения трансформатора – это распределение электроэнергии (силовой трансформатор).

Принцип действия трансформатора

Принцип действия основан на явлении взаимоиндукции. Явление взаимоиндукции заключается в наведении ЭДС индукции в данном контуре при изменении тока в другом контуре.

Переменный ток, протекающий по первому контуру, создает переменное магнитное поле с магнитным потоком Ф₁, этот магнитный лоток можно разложить на следующие составляющие:

.

Поток Ф пронизывает как первый контур, так и второй, т.е. является общим для обоих контуров, этот поток называется основным магнитным потоком или потоком взаимоиндукции.

Поток Ф (переменный) наводит ЭДС индукции как в первом, так и во втором контуре. e₁ – ЭДС самоиндукции первого контура, e₂ – ЭДС взаимоиндукции второго контура.

;

.

Часть потока Ф не попадает во второй контур, а связана только с первым контуром. Магнитный поток замыкающийся вокруг только одного контура называется магнитным потоком рассеяния и ЭДС индукции которую он наводит называется ЭДС рассеяния.

Если второй контур замкнут, то под действием ЭДС e₂ в нем будет протекать ток i₂ и в сопротивлении z_н будет выделяться мощность. Эта мощность передана из первого контура электромагнитным путем.

Ток i₂ будет учувствовать в создании магнитного потока Ф и создаст свой поток рассеяния связанный только со вторым контуром.

С ростом тока нагрузки возрастает ток вторичной обмотки, что приводит к возрастанию тока первичной обмотки, что в свою очередь приводит к возрастанию Ф₁ и Ф₂, однако, результирующий магнитный поток Ф останется постоянным и зависящим только от приложенного напряжения. Это происходит потому, что при появлении вторичного магнитного потока при подключении нагрузки суммарный магнитный поток должен уменьшиться, что привело бы к уменьшению E₁, которое уравновешивается приложенным напряжением U₁. Следовательно, для достижения E₁ прежнего значения, из-за тою. что U₁ неизменно, ток I₁ в первичной обмотке возрастает. Это свойство трансформатора называется способностью саморегулирования.

Роль контуров в трансформаторе играют катушки с определенным числом витков W₁ и W₂. Катушки располагаются на магнитопроводе, улучшающем магнитную связь между катушками, выполненном из листов электротехнической стали (ферромагнитного материала).

Когда катушки расположены на магнитопроводе основной магнитный поток замыкается по магнитопроводу и магнитное сопротивление для него небольшое. Поток рассеяния замыкается в основном по воздуху и магнитное сопротивление для него большое. Ф >> Фр.

Приложим к первичной катушке напряжение . По первичной катушке начинает протекать синусоидальный ток. Этот ток создаст магнитный поток изменяющийся по синусоидальному закону. Этот магнитный поток наведет ЭДС индукции в первичной и вторичной катушках. Действующее значение этих ЭДС E₁ и E₂. Магнитные потоки первичной и вторичной катушек можно считать одинаковыми.

;

.

Отношение ЭДС первичной катушки к ЭДС индукции вторичной катушки называется коэффициентом трансформации трансформатора:

.

В трансформаторе происходит обратная трансформация токов, т.е. больший ток протекает в цепи с меньшим напряжением и наоборот. Обмотки выполнены из провода разного сечения. Катушки с более высоким напряжением и меньшим током выполнены из провода меньшего сечения.

Наряду с изменением тока и напряжения, трансформатор изменяет сопротивление. Предположим, во вторичной цепи включено сопротивление z₂, тогда по отношению к первичной цепи это сопротивление будет иметь величину . Этим часто пользуются в электронных устройствах для согласования сопротивлений.

Устройство трансформатора

Основными частями трансформатора являются: катушки (обмотки) и магнитопровод. Бывают двух- и многообмоточные трансформаторы, а также трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой.

Катушки обычно цилиндрические и они располагаются концентрически. Их концентрическое расположение обусловлено уменьшением магнитного потока рассеяния Ф_рас. Ближе к стержню располагают катушку более низкого напряжения, поскольку ее легче изолировать от стержня. Они изготавливаются из изолированного медного или алюминиевого провода.

Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. При частоте 50 Гц толщина листа 0,28 – 0,5 мм.

Ток холостого хода трансформатора. Опыт холостого хода

Ток холостого хода трансформатора – это ток в первичной катушке в режиме холостого хода (I₂ = 0, I₁ = I_1х).

.

Ток холостого хода – это ток создающий магнитное поле трансформатора.

В трансформаторе действуют 2 МДС: I₁·W₁ и I₂·W₂. МДС первичной катушки направлена согласно с магнитным потоком, т.е. она намагничивает трансформатор. В соответствии с правилом Ленца МДС вторичной катушки направлена против магнитного потока и размагничивает трансформатор. При этом I₁·W₁ > I₂·W₂. Избыточная МДС I_х·W₁ создает магнитное поле трансформатора. Уравнение МДС трансформатора:

.

При холостом ходе ток по вторичной обмотке не протекает, тогда уравнение МДС трансформатора запишется в следующем виде:

Для силовых трансформаторов величина тока холостого хода нормируется и лежит в пределах 2-5%. Для трансформаторов небольшой мощности эта величина доходит до 30%

Ток холостого хода не учувствует в передаче мощности к нагрузке. Наличие этого тока приводит к увеличению первичного тока при заданном вторичном токе. Поэтому для улучшения технико-экономических характеристик трансформатора этот ток стараются делать меньше.

1.3.1. Пути уменьшения тока холостого хода:

1. Применение материалов с высокой магнитной проницаемостью.

2. Правильный выбор магнитной индукции в магнитопроводе, чтобы магнитная индукция не заходила в область насыщения

3. В магнитопроводе трансформатора не допустимы воздушные зазоры. Даже небольшие зазоры приводят к значительному увеличению тока.

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 758 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Потери холостого хода трансформатора Рх состоят из потерь в стали сердечника, а также в стальных элементах конструкции остова трансформатора, электрических потерь в первичной обмотке, вызванных током холостого хода, и диэлектрических потерь в изоляции. В силовых трансформаторах диэлектрические потери и потери от тока холостого хода не учитываются. Потери в элементах конструкции трансформатора при холостом ходе невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями. Таким образом, мощность холостого хода принимается равной потерям мощности в стали магнитопровода.
Потери в стали сердечника разделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов. Для горячекатаной легированной стали первые из них составляют 70–80 %, а вторые 30–20 % от полных потерь в стали при толщине листов соответственно 0,5 и 0,35 мм. В холоднокатаной
легированной стали потери на гистерезис составляют 25–35 % и от вихревых токов 75–65 % от полных потерь в стали.
В практике расчета обычно определяют полные потери в стали, не разделяя их, и пользуются при этом экспериментально установленной зависимостью между индукцией и удельными потерями в стали. Данные экспериментального исследования стали сводятся в таблицы или изображаются кривой удельных потерь
Р = f(B).
Методика расчёта потерь зависит от марки стали, из которой изготовлен магнитопровод.
Если сердечник изготовлен из горячекатаной стали, то методика расчёта проще, чем при изготовлении магнитопровода из холоднокатаной стали.
Так, в случае изготовления сердечника из горячекатаной стали расчёт потерь холостого хода ведётся в следующем порядке:
определяют полную массу стали, кг,
Gст = Gс + Gя ;
потери холостого хода, Вт, по выражению
Ро = Кg(PcGc+PяGя),
где Рс и Ря – удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма, зависящие от величины индукции Вс и Вя, марки и толщины листов стали и частоты;
Kg – коэффициент добавочных потерь, который может быть принят.
Для трансформаторов с диаметром стержня dст до 20 см Kg =1,0¸1,01; dст = 20¸30 см – Kg = 1,02¸1,05; dст = 30¸50 см – Kg = 1,05¸1,1;
dст более 50 см – Kg = 1,07¸1,15.
Индукция в стержне Вс, Тл, в ярме Вя, Тл, определяется для окончательного установленных значений Пс и Пя
Вс = ; Вя = Вс .
Значения Рс и Ря для различных значений индукции и марки стали могут быть взяты из табл. 1 для сталей горячей прокатки.
Активная составляющая тока, А, холостого хода
Iоа = или в процентах Iоа = ,
где Ро – потери холостого хода, Вт; S – мощность трансформатора, кВА.
Расчет реактивной намагничивающей составляющей тока холостого хода усложняется наличием в магнитной цепи трансформатора немагнитных зазоров.

Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз
горячекатаной стали марок 1512 и 1513 и холоднокатаной стали
марок 3411, 3412 толщиной 0,35 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Добавочные потери в зоне шихтованного стыка для горячекатаной стали не учитываются.

При расчете намагничивающей мощности сердечник трансформатора разбивается на три участка – стержни, ярма, зазоры –, и для каждого из этих участков подсчитывается требуемая намагничивающая мощность.
Полная намагничивающая мощность трансформатора, ВА, для сердечника из холоднокатаной стали при «косых стыках» может быть выражена следующей формулой:
Qx = gxcGc+gхяGя+nзgхзПс ,
где gxc и gхя – удельные намагничивающие мощности для стержня и ярма, определяется по табл. 2, ВА/кг; nз – число воздушных зазоров (стыков) в сердечнике; gхз – удельная намагничивающая мощность ВА/см 2 , для воздушных зазоров, определяемая при «прямых стыках», для индукции в стержне по табл. 2; Пс – активное сечение стержня, см 2 .

Таблица 2
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне
шихтованного стыка qздля горячекатаной стали марок 1512 и 1513
и холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 толщиной 0,35 мм
при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Значения qз даны для шихтовки слоями в две пластины

В сердечниках с «косыми стыками» при угле наклона около 45о индукция в немагнитном зазоре для определения gхз находится как
Вз = = 0,71Вс,
а площадь стыка Пс = 1,41Пс.
При расчете намагничивающей мощности для сердечника с «прямыми стыками», собранного из холоднокатаной стали, следует учитывать, что в тех частях сердечника, где направление вектора индукции магнитного потока не совпадает с направлением прокатки листов, магнитная проницаемость стали существенно понижается, и требуемая для создания магнитного потока намагничивающая мощность увеличивается.
В этом случае намагничивающую мощность увеличивают в К раз.
Для различных индукций величина К может быть принята:
В = 1¸1,2 Тл К = 1,8;
В = 1,2¸1,5 Тл К = 1,8–3,2;
В = 1,5¸1,6 Тл К = 3,2–4;
В = 1,6¸1,7 Тл К = 4,0–3,6.
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей хода, А,
Iоф = , в процентах Iop = .
Полный ток холостого хода:
абсолютное значение Io = ,
в процентах Io = .
Полученное значение тока холостого хода не должно отличаться от заданного или нормы государственного стандарта более, чем на 15 %.
Коэффициент полезного действия трансформатора
) 100 % .
Для плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы современной трёхстержневой конструкции с взаимным расположением стержней и ярм, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, с прессовкой стержней, расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а ярм ярмовыми балками или балками с полубандажами, не имеющими сквозных шпилек в стержнях и ярмах, потери холостого хода могут быть рассчитаны по (1).
. (1)
Такая магнитная система имеет четыре угла на крайних и два на средних стержнях.
Коэффициент увеличения потерь в углах может быть найден по формуле
.
Он зависит от формы стыков в углах крайних и средних стержней магнитной систем, коэффициенты для которых определяются по таблицам. Значения , рассчитанные для различных сочетаний формы стыков приведены в табл. 3.
Выражение åрзnзПз определяет потери в зоне стыков пластин магнитной системы с учётом числа стыков различной формы, площади зазора П3 для прямых и косых стыков, индукции по табл. 10 и частично 9.
Коэффициенты и определяются по табл. 5., а коэффи-циент для различных вариантов прямых и косых углов – по табл. 6.
Коэффициент добавочных потерь определяется по табл. 7.
Удельные потери в стали, в зависимости от величин магнитной индукции и марки стали, приведены соответственно в табл. 4.
Согласно ГОСТ 11677-85 для потерь холостого хода в готовом трансформаторе установлен допуск +15 %. Таким образом, в расчёте следует выдержать потери холостого хода в пределах нормы соответствующего государственного стандарта плюс 7,5 %.

Коэффициент Кп.у, учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы, для стали разных марок при косом и прямом стыках для
диапазона индукций В = 0,9÷1,7 Тл при f = 50 Гц