Режим холостого хода трансформатора

В режиме холостого хода (рис. 7.11) трансформатор по существу превращается в катушку с магнитопроводом, к обмотке которой с числом витков w₁ подключен источник синусоидального напряжения. Поэтому векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе (рис. 7.12) подобна векторной диаграмме катушки с магнитопроводом, а отличается от последней лишь некоторыми обозначениями, и дополнительно построенным вектором ЭДС вторичной обмотки Е_2x.

Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1x = U_1ном. На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт холостого хода является одним из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора.

При номинальном первичном напряжении U_1x = U_1ном ток холостого хода I_1x составляет 3-10% номинального первичного тока I_1ном (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора), т. е. U_1x ≈ E_1x. Кроме того, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда U_2x = E_2x. Поэтому, измерив вольтметром и первичное U_1x, и вторичное U_2x напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации:

(7.28)

Этот коэффициент указывается на щитках трансформаторов в виде отношения номинальных напряжений трансформатора при холостом ходе, например "6000/230 В" (как отношение высшего напряжения к низшему).

Мощность потерь в трансформаторах при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе и мощности потерь в проводах первичной обмотки (r₁I²_1x).

При холостом ходе ток I_1x ≤ I_1ном и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе (исключение составляют лишь трансформаторы, номинальная полная мощность которых меньше 1000ВА). Поэтому опыт холостого хода служит также для определения мощности потерь в магнитопроводе трансформатора.

Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе мала. При номинальной полной мощности трансформаторов 5 - 50 кВ • А его мощность потерь в режиме холостого хода составляет лишь 1,4 - 0,9% номинальной, а при номинальной полной мощности 1 - 10 МВ • А - только 0,5 - 0,3%. Тем не менее, мощность потерь в магнитопроводе имеет важное практическое значение, так как силовые трансформаторы отключаются от первичной сети довольно редко.

Рис. 7.11

Рис. 7.12

 

 

 

Рис. 7.13

 

Ток холостого хода I_1x, как и ток катушки с магнитопроводом, состоит из реактивной I_1р.х и активной I_1а.х составляющих. Последняя определяется потерями в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи, а также добавочными потерями. (Добавочные потери - это потери из-за вибрации листов стали в местах их стыков и расположения шпилек вследствие неравномерного распределения индукции, потери в конструктивных деталях, зависящие от потока рассеяния, и т. д.) Все добавочные потери составляют 15-20% основных потерь в магнитопроводе.

Полезно иметь в виду, что в большинстве случаев активная составляющая I_1а.х меньше 0,1 I_1р.х и поэтому можно считать, что ток холостого хода отстает по фазе от первичного напряжения практически на четверть периода, т. е. φ_1х ≈ π/2 (рис.7.13).

Опыт холостого хода при номинальном первичном напряжении

U_1x = U_1ном (7.29)

является основным при испытании трансформатора. Однако в ряде случаев, например, при ограниченных возможностях охлаждения, важно знать, как изменится режим холостого хода трансформатора при изменении первичного напряжения. Зависимости

P_1x = ƒ(U_1x) (7.30, а)

и

I_1x = F(U_1x) (7.30, б)

называются характеристиками холостого хода трансформатора (рис. 7.12). При постепенном, начиная с нуля, повышении первичного напряжения U_1x сначала, пока магнитопровод не насыщен, ток I_1x увеличивается пропорционально напряжению, затем начнет сказываться насыщение магнитопровода (например, при U_1x > 0.8 U_1ном) и ток холостого хода I_1x быстро нарастает.

Мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна В², следовательно, и Ф², а так как действующее значение ЭДС Е_1x пропорционально

и

E_1x ≈ U_1x,

то Р_1x пропорциональна U²_1x.

Для большинства трансформаторов допустимый верхний предел длительного повышения напряжения при холостом ходе U_1x равен 1,1U_1ном, что следует иметь в виду при экспериментах с трансформаторами.