Ни один трансформатор не может работать без потерь мощности. Мощность, поступающая на первичную обмотку из сети, не вся доходит до потребителя. Часть ее расходуется на бесполезный нагрев деталей агрегата: обмоток, магнитопровода. Для того, чтобы оценить потери мощности, оценивают ток холостого хода трансформатора (ХХ) и напряжение в режиме короткого замыкания.
Для измерения этих величин проводят опыт холостого хода и короткого замыкания для трансформатора. Рассмотрим подробнее, как это делается.
Методика и теоретические основы проведения опыта
Режим холостого хода трансформатора достигается сравнительно просто. Для этого достаточно отключить нагрузку от всех его обмоток, оставив их разомкнутыми, а затем – включить его в сеть. Для точности эксперимента желательно, чтобы напряжение в сети было равно номинальному для данного агрегата.
Через первичную обмотку протекает ток Io, называемый током ХХ. Его величина не превышает 3-10 % от номинального. Напомним, никакой нагрузки на вторичной обмотке нет, поэтому стоит пояснить процессы, проходящие внутри, чтобы понять: откуда берется этот ток.
Ток ХХ создает магнитный поток Фо в магнитопроводе, пересекающий витки первичной и вторичной обмоток. За счет него на первичной обмотке возникает эдс самоиндукции Е1, во вторичной появляется эдс взаимоиндукции Е2.
Эдс самоиндукции Е1 на первичное напряжение U1 влияет незначительно. Если подключить к ней вольтметр, то он измерит величину U1. А эдс Е2 можно практически считать напряжением U2, поскольку ток ее нагрузки отсутствует. К примеру, напряжение холостого хода сварочного трансформатора порядка 60В, это – эдс Е2. При возникновении дуги Е2 резко снижается до десятка вольт – это величина под нагрузкой U2.
Потери полезной мощности в трансформаторе при его эксплуатации делятся на две составляющие: потери в меди и потери в стали. Под потерями в меди подразумевают мощность, рассеиваемую в качестве тепла в обмотках. При проведении опыта ХХ ток через первичную обмотку достаточно мал, и потерями в меди можно пренебречь.
Работа трансформатора в режиме холостого хода сопровождается расходом мощности на создание замкнутого магнитного потока в его магнитопроводе. Ее и называют мощностью потерь в стали. Она уходит на нагревание пластин магнитопровода. Он собран из отдельных тонких листов специального сплава, изолированных друг от друга лаком. При сборке не используется сварка, только болтовые соединения. Это сделано для минимизации вихревых токов, возникающих из-за того, что магнитный поток переменный.
Если изоляция между пластинами нарушается, то возникающие между ними вихревые токи нагревают магнитопровод. Это приводит к дальнейшему разрушению лакового слоя. Мощность потерь в стали при этом увеличивается, что увеличит потери холостого хода трансформатора.
Монтаж и наладка комплекса оборудования перед включением
В процессе осмотра места монтажа и наладки комплекса оборудования перед включением важно оценить степень выполнения правил техники безопасности. Установка не должна представлять угрозу нормальному передвижению обслуживающего персонала (в том числе, и с оснасткой). Если силовой трансформатор установлен на уровне земли, проверяют физико-механические характеристики грунта и его сплошность. Выявленные несоответствия нормативам могут вызвать сдвиг грунта, в результате чего трансформатор или его электрические соединения могут быть повреждены. Если трансформатор установлен на бетонную площадку, то предельное напряжение материала на сдвиг должно составлять от 20 МПа и более. Контролируется также геометрическая форма площадки: она должна иметь скошенные края сверху и снизу, высота которых от каждого конца должна быть не менее 50 мм. Минимальные размеры бетонного основания (бетон – марки не ниже М400) под силовые трансформаторы мощностью 500…2500 кВА составляют: длина – 2400 мм, ширина – 2700 мм, высота – 250 мм.
Если устройство установлено внутри помещения или на крыше здания, необходимо тщательно проанализировать возможное поведение конструкции под нагрузкой и оценить риски нарушения целостности. Особые положения касаются устройств, которые размещаются в сейсмически опасных зонах.
В ходе таких работ постоянно сопоставляется фактическая схема расположения трансформатора с той, которая приведена в инструкции производителя оборудования.
Важно! Все выявленные несоответствия подлежат незамедлительному устранению строительной компанией, ответственной за монтаж устройства.
Коэффициент трансформации
Для трансформатора существует понятие коэффициента трансформации, формула которого:
Ктр = Е1/Е2 = W1/W2
В итоге напряжение, которое будет на выводах вторичной обмотки, определяется соотношением количества витков обмоток. Это свойство используется для корректировки его величины на выходе.
Для этого в конструкцию входит регулирующее устройство, ступенчато переключающее число витков первичной обмотки. Положений для регулировки у него бывает от 3 до 5, при этом выходное напряжение с каждым шагом регулирования изменяется на 5% выше или ниже номинального. Переключающее устройство называют анцапфой.
[ads-pc-1][ads-mob-1]
Опыт ХХ проводят на среднем положении анцапфы, соответствующем номинальному значению.
При проведении опыта ХХ коэффициент трансформации измеряется. Для этого используются два вольтметра. Один из них подключается к первичной обмотке и измеряет U1. Второй подключается к вторичной обмотке, он измеряет эдс ХХ. Входное сопротивление вольтметра при этом должно быть достаточно большим, чтобы не влиять на измеряемую величину. Деление показаний вольтметров дает величину коэффициента трансформации.
Трансформатор – может работать как повышающий, так и понижающий. Поэтому при проведении ремонтных работ на нем используется подача не только высокого напряжения на обмотку ВН, но и низкого на НН. Даже, если это измерительный трансформатор, имеющий небольшое вторичное напряжение, составляющее 100 В.
Мы рассмотрели холостой ход однофазного трансформатора. Для трехфазных устройств измеряется коэффициент трансформации на всех трех фазах, для чего используются либо одновременно 6 вольтметров, включенных на линейные напряжения трехфазной системы, либо один, подключаемый к точкам измерений поочередно.
Если номинальное напряжение питания первичной обмотки велико (6 кВ и выше), то на первичную обмотку подают 380 В. Для высоковольтных измерений невозможно применить приборы, обладающие соответствующим классом точности. К тому же процесс измерений на низком напряжении питания безопаснее.
Коэффициент должен измеряться на всех позициях анцапфы.
Коэффициент трансформации – показатель, свидетельствующий о том, есть ли в обмотках витковое замыкание. Разброс показаний по фазам более 2% или снижение их по сравнению с предыдущими данными дает основания полагать, что изоляция проводников обмоток где-то нарушена. Подозрение потребует подтверждения другими методами испытаний, например, измерением сопротивления. Также причиной увеличения разброса коэффициента трансформации может быть и повышенное сопротивление между контактами переключающего устройства – анцапфы. Что чаще всего и происходит, особенно если ею часто пользуются.
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).
Холостой ход трехфазного трансформатора
Функционирование такого прибора в рассматриваемом режиме зависит от устройства его магнитной системы. Если используется прибор по типу группы однофазных трансформаторов либо бронестержневая система, третья гармоническая составляющая для каждой фазы будет замыкаться в отдельном сердечнике, набирая значение до 20% активного магнитопотока. Создается добавочная электродвижущая сила, способная достичь очень высокого показателя – 0,5-0,6 от главной ЭДС. Подобные процессы способны вызвать нарушение целостности изоляции, за которым последует поломка электрической установки. Лучшим вариантом является система с тремя стержнями, тогда третья составляющая не будет идти по магнитопроводу, а замкнется в воздушной или иной среде с низким показателем магнитной проницаемости (например, масляной). В этом случае массивная добавочная ЭДС, вносящая серьезные искажения, развиваться не будет.
Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора
Расчет КПД трансформатора
Энергетические потери в приборе, происходящие в медных и стальных комплектующих, обусловливают расхождение параметров выходной и потребительской мощности. То, насколько эффективен аппарат, можно узнать, вычислив его КПД: он равен частному выходного и потребляемого значений. Последнее равно сумме первого, потерь для стального сердечника (они узнаются при эксперименте холостого хода) и для медных элементов (вычисляются по замерам короткозамкнутого устройства).
Проведение опытов КЗ и ХХ – надежный способ вычислить эффективность трансформатора. Оно также позволяет определить объемы энергетических потерь и узнать, на какой компонент приходится большая их часть.
Таблица потерь
Особенности работы и применения резонансного трансформатора Тесла
Когда цепочка второй катушки разомкнута, она не использует какой-либо рабочей мощности. У той мощности, что потребляет первая, есть некоторый активный процент (он и представляет собой потери прибора), но доминирует реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору. Что касается потерянной мощности, то большая ее часть затрачивается на процессы перемагничивания и генерацию вихрей токов магнитопровода. Из-за этого последний начинает перегреваться. Так как поток рассеяния не зависит от нагрузочного электротока, то мощностные потери имеются не только на холостом ходу, но и при подаче нагрузок. Еще некоторая часть потерь (очень небольшая) затрачивается на нагревание катушечного провода. Ее малое значение обусловлено показателями сопротивления проводка и тока холостого хода.
При напряжении 10/0,4 кВ величина потерь будет возрастать по мере увеличения мощности. Для номинального показателя мощности в 250 кВА потери будут равны 730 Вт, для 400 кВА – 1000 Вт, для 2500 кВА – 4200 Вт. По прошествии лет эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция, изменяются структурные характеристики металла. Из-за этого теряться может до 50% мощности.
