Для чего нужен опыт холостого хода
Опыт холостого хода трансформатора
Производительность трансформатора возможно прогнозировать, зная эквивалентные параметры схемы. Эти величины устанавливаются в опытах холостого хода и короткого замыкания трансформатора, которые осуществляются без фактической нагрузки. Причем испытания дают более точный результат, в отличие от тестирования нагруженного аппарата.
В соответствии с полученными цифрами в дальнейшем легко определяется трансформаторная эффективность при любом мощностном показателе и любом нагрузочном токе.
Опыт холостого хода
С помощью тестирования возможно установить:
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
Для трехфазных аппаратов снимают показания фазных или линейных напряжений;
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:
Важно! В режиме х.х. cosφ составляет 0,2-0,3.
Мощностной показатель, замеряемый ваттметром, – это мощность потерь в стальном сердечнике.
Также можно определить:
Опыт короткого замыкания
Тестирование заключается в подсоединении обмотки ВН к питающему источнику через вольтметр, амперметр, ваттметр. Выводы обмотки НН закорачиваются. Второе наименование эксперимента – низковольтное тестирование. При короткозамкнутой вторичной обмотке и Uн значение потребляемого тока высоко, учитывая маленькое сопротивление обмотки. Это может вызвать значительный нагрев и повреждение аппарата.
Важно! Чтобы ограничить ток, обмотка ВН должна быть под низким U, достаточным для создания в ней Iн. Это значение U именуется Uкз (напряжение короткого замыкания). Uкз находится в пределах пяти процентов от Uн.
Тест короткого замыкания
При Iн регистрируются данные вольтметра и ваттметра.
В данном эксперименте рассчитываются:
Важно! На намагничивание сердечника влияет напряжение, следовательно, мощностные потери в нем допустимо не учитывать из-за его малого значения, и на ваттметре отобразится показатель потерь в меди.
Мощностные потери, которые считываются с ваттметра, определяются по формуле:
На основании снятых показаний производятся расчеты:
Расчет КПД трансформатора
Трансформатор имеет два вида главных потерь: в стальном сердечнике и в меди. Они выделяются в виде тепла. Из-за потерянной энергии выходная мощность устройства не равна мощности потребления.
Эффективность трансформатора, или КПД, вычисляется по формуле:
η = выходная мощность в кВт/потребляемая мощность в кВт =
выходная мощность/(выходная мощность + потери в сердечнике + потери в меди),
или η = Pвых/(Рвых + Рхх + Ркз), где Рхх и Ркз определяются из опытов х.х. и к.з.
Напряжение к.з. – важный показатель в технических характеристиках трансформатора. По нему определяют, можно ли аппараты включать на параллельную работу, рассчитывают вторичное U при разной нагрузке.
Видео
Опыт холостого хода трансформатора
Опыт холостого хода трансформатора, генератора, асинхронного двигателя рекомендуется к изучению электриками по той причине, что данные, полученные в результате такого исследования, позволяют охарактеризовать функционирование прибора под нагрузкой. Часто этот эксперимент проводят в паре с исследованием короткого замыкания. Такая программа предоставляет данные для расчета коэффициента полезного действия устройства.
Режим холостого хода трансформатора
Этот режим характеризует подача переменного напряжения, меняющегося по принципу синусоиды, на первичную обмотку аппарата, при этом во вторичной, находящейся в разомкнутом состоянии, электроток отсутствует полностью. В таком случае трансформаторное устройство напоминает катушку индуктивности с замкнутым магнитопроводом из ферромагнетика. Чтобы проводить опыты с трансформатором, находящимся в данном состоянии, потребуется изучить принципиальную схему, соответствующую используемому устройству (однофазному или трехфазному).
Про опыт холостого хода
Проведение опыта холостого хода позволяет узнать основные показатели функционирования прибора: теряемый процент мощности, коэффициент трансформации, значение электротока при работе вхолостую. Выполняется опыт с помощью измерительных приборов: ваттметра, амперметра и пары вольтметров, один из которых (превосходящий по внутреннему сопротивлению) подключается к клеммам вторичной обмотки. На первичную – подается номинальное напряжение.
В процессе эксперимента можно найти:
Методика проведения выглядит так: первичную катушку (или ВН) соединяют с источником питания через три традиционных измерительных прибора (ампер-, ватт,- и вольтметр). У вторичной (НН) закорачивают выводы. Потребляемый электроток будет очень высоким, особенно с учетом низкого показателя обмоточного сопротивления. Для номинального тока замеряют напряжение и мощность. На первичной катушке требуется низкое напряжение. Оно, как и ток для ХХ, имеет очень низкое значение, по сравнению с номинальным, – в районе 0,05. Тем не менее, эта техническая характеристика обладает большой практической важностью – по ней считают вторичное напряжение и узнают, допустимо ли подключать устройства параллельно.
Важно! Потери мощности в сердечнике можно не учитывать из-за мизерного напряжения. Показания на ваттметре поэтому принимаются за потери в меди.
Рабочее сопротивление обмотки R можно найти так:
Общий показатель сопротивления – Z=U/I, реактивный – X = √ (Z² — R²).
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.
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).
Таблица потерь
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.
Проверка работы
Главное назначение данного опыта в сочетании с экспериментом короткозамкнутого состояния – нахождение коэффициента полезного действия трансформирующего устройства. После постановки трансформатора в надлежащий режим проводятся следующие измерения:
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.
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.
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.
Видео
Холостой ход трансформаторов: измерение потерь, параметры, периодичность, схема опыта
Что такое холостой ход (ХХ) трансформатора?
Что такое холостой ход (ХХ) трансформатора?Величина потерь силового трансформатора состоит из так называемых потерь в меди и потерь в стали. Первые связаны с протеканием тока нагрузки через проводники обмоток, имеющие определенное электрическое сопротивление. Потери же в стали обусловлены вихревыми токами, токами намагничивания, возникающими в магнитопроводе.
Поэтому этот опыт позволяет измерить мощность потерь в стали, называемыми потерями холостого хода.
Дополнительно, подключив вольтметр к оставшейся разомкнутой обмотке, можно измерить на ней напряжение, и по показаниям двух вольтметров рассчитать коэффициент трансформации. Но это измерение к самому опыту холостого хода не относится.
Опыт холостого хода при вводе в эксплуатацию подвергаются
В эксплуатации такие измерения проводятся только для трансформаторов с мощностью 1000 кВА и более, и только после капитального ремонта, связанного со сменой обмоток или ремонтом магнитопровода.
По сетевым правилам возможно проведение измерений по распоряжению технического руководителя предприятия после того, как хроматографический анализ газов, растворенных в масле, дал настораживающие результаты. Но это касается только силовых трансформаторов с обмотками на напряжение 110 кВ и выше.
Порядок и схема измерения
Перед проведением опыта проводят процесс размагничивания магнитопровода испытуемого трансформатора. Для этого используется постоянный ток, пропускаемый через одну из обмоток стороны низкого напряжения. Подключение тока производится многократно, каждое последующее подключение происходит с изменением полярности и уменьшением величины.
Начальное значение не должно быть меньше двойного значения ожидаемого тока холостого хода. При каждом последующем включении величина уменьшается на 30-40 %. Процесс заканчивается при токе, меньшим значения тока холостого хода.
Для проведения измерений потребуется три лабораторных прибора, с классом точности не менее 0,5. Это амперметры, вольтметры и ваттметры. амперметры подключаются в каждую фазу последовательно. вольтметры включаются на линейное напряжение всех трех фаз. Токовые обмотки ваттметров подключаются последовательно с амперметрами.
Обмотки напряжения ваттметров подключаются согласно приведенным схемам. Подается напряжение, с приборов снимаются показания.
Строго говоря, измерение производится по тем же схемам, которые использовались на заводе изготовителе для проведения опыта. Ведь полученные данные нужно будет сравнить с заводскими. Но, если источник трехфазного напряжения недоступен, можно выполнить три измерения, подавая напряжение на две фазы обмотки трансформатора, закорачивая третью, остающуюся свободной.
При этом используется только линейное напряжение, так как искажение формы кривой из-за нелинейных нагрузок в сети на него имеет минимальное влияние. По этим же схемам проводится опыт холостого хода при пониженном (малом) напряжении.
Анализ результатов измерения холостого хода
При приемосдаточных испытаниях и капитальном ремонте полученные данные сравниваются с протоколом о соответствующих испытаниях, проведенных на заводе после изготовления трансформатора. Расхождение более 5 % не допускается.
Для однофазных трансформаторов в этих же случаях мощность потерь не должна отличаться от исходной величины более, чем на 10%.
В эксплуатации измеряется только ток холостого хода на основании опыта с номинальным напряжением или мощность потерь при пониженном. ПТЭЭП при этом не нормирует отклонения от нормы.
Однако, при подозрении на повреждение в трансформаторе метод измерения потерь с использованием трех последовательно проведенных опытов дает очень ценный результат. Поскольку обмотки фаз трансформатора находятся в неравных условиях, то можно не только вычислить, есть ли там дефект, но и определить дефектную фазу.
Путь магнитного потока при возбуждении выводов АВ и ВС одинаков. Поэтому и мощности потерь для опытов на этих фазах не будут отличаться. При возбуждении фаз АС путь, пройденный магнитным потоком, длиннее, поэтому мощность потерь будет на 25-50% превышать предыдущие. Сравнивая эти показатели, можно выявить, на какой фазе есть дефект.
Режим холостого хода трансформатора
Одно из наиболее используемых электротехнических устройств – трансформатор. Данное оборудование используется для изменения величины электрического напряжения. Рассмотрим особенности режима холостого хода трансформатора, с учётом правил определения характеристик для различных видов устройств.
Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных на сердечнике. При подаче напряжения на входную катушку, образуется магнитное поле, индуцирующее ток на выходной обмотке. Разница характеристик достигается, благодаря различному количеству витков в катушках входа и выхода.
Что такое режим холостого хода
Под режимом холостого хода понимают состояние устройства, при котором во время подачи переменного электротока на входную катушку выходная находится в разомкнутом состоянии. Данная ситуация характерна для агрегата, подключённого к электросети, при условии, что нагрузку к выходному контуру ещё не включили.
В процессе эксперимента можно найти:
Как проводится опыт холостого хода
При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:
Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.
При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.
В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.
Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.
Для однофазного трансформатора
Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:
Приборы подключаются по следующей схеме:
Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:
Iо% = I0×100/I10.
Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.
Коэффициент рассчитывается по формуле:
K = w1/w2 = U1н/ U2О.
Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:
P0 = I02×r1 + I02×r0.
Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.
Для трёхфазного трансформатора
Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.
При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.
Применяется следующая схема:
Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.
В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.
Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.
Для сварочного трансформатора
Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.
После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.
Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.
Блокировка срабатывает за время, не превышающее 1 секунду с момента прерывания рабочего режима. Дополнительная защитная мера – устройство заземления корпуса сварочного агрегата.
Видео: измерение тока холостого хода
Меры по снижению тока холостого хода
Ток при нахождении трансформатора в режиме холостого хода возникает, благодаря конструктивным особенностям сердечника. Для ферромагнитного материала, попавшего в электрическое поле переменного тока, характерно наведение вихревых индуктивных токов Фуко, вызывающих нагревание данного элемента.
Чтобы снизить вихревые токи, сердечник изготавливают не в виде цельной детали, а набирают из пакета пластин небольшой толщины. Между собой пластины изолируются. Дополнительная мера – изменение свойств самого материала, позволяющее увеличить порог магнитного насыщения.
Чтобы не допустить разрыва магнитного потока с возникновением поля рассеивания, пластины тщательно подгоняют в процессе набора. Отдельные элементы шлифуют, с получением гладкой, идеально прилегающей поверхности.
Также потери снижаются за счёт более полного заполнения окна магнитопровода. Это позволяет обеспечить оптимальные показатели массы и габаритов агрегата.
Холостой ход трансформатора – режим, при котором можно рассчитать важные характеристики. Это проводится для оборудования, находящегося в эксплуатации и на стадии проектирования.