Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора

Обновлено: 18.05.2024

Сварочный трансформатор – трансформатор, получивший широкое применение в производственной сфере и в быту для электродуговой сварки. Рассмотрим особенности конструкции сварочных трансформаторов, принцип их работы и разновидности данного оборудования.

Особенности конструкции сварочного трансформатора

Данный агрегат комплектуется следующими элементами и узлами:

Параметры силы электротока не зависят от конструкции сердечника. Но данный узел необходим для возбуждения магнитного потока и комплектуется из пакета пластин, изготовленных из трансформаторной стали.

Изготовление сердечника в виде цельного элемента нецелесообразно по причине большого количества потерь в величине магнитного поля за счёт образования вихревых токов, снижающих индукцию.

Чтобы агрегат работал тихо, важно плотно стянуть пакет пластин, исключив вибрацию между ними в процессе эксплуатации трансформатора.

Различные аппараты могут конструктивно различаться, исходя из предназначения и рабочих характеристик, на которые рассчитан трансформатор.

На чём основан принцип работы

Функционирование агрегата происходит следующим образом:

на катушку входа подаётся электроток, создаётся магнитное поле и электродвижущая сила, замыкаемая на сердечнике;
в результате на вторичной обмотке наводится свой магнитный поток и электрический ток;
различие в количестве витков обмоток изменяет параметры тока, позволяя достигнуть характеристик, обеспечивающих расплавление металла.

Для сварочных работ применяется трансформатор понижающего типа, у которого на входной катушке(первичной обмотке) количество витков превышает выходную(вторичную обмотку).

Принцип работы трансформатора

Сила выходного электротока может регулироваться за счёт подвижной конструкции устройства – путём увеличения или уменьшения зазора между катушками входа и выхода. При раздвижении катушки ток снижается, приближение вызывает увеличение указанной характеристики. Регулирование выполняется вращением рукоятки.

Величина тока подбирается, исходя из толщины и марки свариваемого металла, расположения сварочного шва. Чем толще свариваемые листы металла, тем больше потребуется создать величину тока на выходной катушке аппарата.

Соотношение величины тока с диаметром электрода и толщиной свариваемого металла

Холостой режим

Агрегат может функционировать в двух режимах:

В процессе сварки создаётся сварочная дуга, соединяющая посредством электрода обмотку на выходе со свариваемым металлом. Мощный сварочный электроток расплавляет свариваемый металл и создаёт неразъёмное соединение. После окончания сварки происходит вторичная цепь размыкается, и трансформатор переходит на холостой ход.

Во входной катушке возникают электродвижущие силы двойного происхождения:

благодаря созданию магнитного поля при работе устройства;
посредством рассеивания – часть из них отделяется от ЭДС на сердечнике и образуют электроток холостого хода.

Конструкция агрегата выполняется таким образом, чтобы величина напряжения на холостом ходу не представляла опасности для здоровья человека, выполняющего работы с помощью трансформатора.

Значение напряжения на холостом ходу ограничивается 48 В, в некоторых случаях допускается величина до 70 В. В целях безопасности устанавливается ограничивающее устройство, снижающее величину напряжения при превышении указанного значения, работающее в автоматическом режиме.

Дополнительная защита обеспечивается за счёт выполнения заземления аппарата.

Особенности схемы и модификации аппарата

Кроме стандартных устройств, в сварочном трансформаторе могут применяться дополнительные элементы, совершенствующие конструкцию агрегата. Схема может выполняться с использованием:

нескольких катушек на выходе;
конденсаторов;
импульсных стабилизаторов;
тиристорных преобразователей.

Схема может дополняться резисторами, регулирующими силу тока, если изменение расстояния между катушками не позволяет добиться необходимых характеристик. Эти элементы могут потребоваться, если предполагается сварка тонкого металла, или мощность оборудования чрезмерно велика.

Особенности расчёта трансформаторов для сварки

Понижение характеристик тока обеспечивается расчётом количества витков на первичной и вторичной обмотках. Параметры напряжения на выходе понижаются относительно входного на величину от 10 до 100 раз.

Чтобы обеспечить необходимые характеристики, число витков на обмотках должно быть тщательным образом рассчитано. Величина погрешности допускается в пределах 3 %.

Каждый аппарат характеризуется собственной величиной коэффициента трансформации, определяемом как частное величины силы тока на входе и выходе. Учитывая расчётные данные, создаётся оборудование с характеристиками, в зависимости от предполагаемых режимов работы и параметров сварочных соединений.

Расчёт выполняется с учётом следующих характеристик и нюансов:

эксплуатационных показателей – типа подключённой электросети, регулировочного диапазона, фактической мощности, продолжительности непрерывной работы;
диаметра электрода, на который рассчитан аппарат;
условий эксплуатации;
коэффициента полезного действия агрегата.

Отдельные характеристики из указанных взаимосвязаны между собой.

Разновидности сварочных трансформаторов

Данное оборудование выпускается различных типов, исходя из условий эксплуатации и назначения. Аппараты могут различаться следующими характеристиками:

массой и габаритными размерами – от компактных моделей, переносимых на наплечном ремне, до промышленных агрегатов, перемещаемых на колёсах или грузоподъёмными механизмами;
величиной напряжения на холостом ходу – в диапазоне от 48 до 70 В;
силой тока в пределах от 50 до 400 А. На масштабных производствах могут использоваться модели с величиной данной характеристики до 1000 А;
количества фаз электрической сети – модели с одной и тремя фазами;
подачей электротока – непрерывно или импульсно;
диаметром электродов, на использование которых рассчитан аппарат – от 2 до 6 мм.

Современная промышленность выпускает множество разновидностей сварочных трансформаторов. Бытовой потребитель может подобрать изделие, исходя из особенностей предполагаемой эксплуатации и учитывая ценовую политику производителя.

Цены на бытовые модели сварочных трансформаторов колеблются в пределах от 4 до 20 тысяч рублей, в зависимости от характеристик и изготовителя. Выбор потребителя зависит от его финансовых возможностей и назначения устройства.

Сварочные трансформаторы – оборудование, незаменимое в быту и промышленной сфере. С помощью данных агрегатов можно получать надёжное и неразъёмное соединение, без особенных усилий и сложностей. Ценовая доступность позволяет бытовому пользователю приобрести аппарат для использования в домашних условиях, а в устройстве и принципе работы разобраться не составит особенного труда.

Возможные неисправности

Как выбрать сварочный трансформатор

При выборе оборудования, необходимо учитывать поставленные задачи и, исходя из этого, приобретать модель. Производятся приборы следующих классов:

бытовые – для незначительных по объему работ в домашних условиях. Предполагает эксплуатацию в течение до 10 мин., после чего требуется перерыв. Величина сварочного тока не превышает 200 А;
профессиональные – применяется при выполнении ремонтов конструкций и рассчитан на продолжительную работу. Показатели сварочного тока – от 200 до 300 А;
промышленные – используются на производстве. Предполагают возможность непрерывной эксплуатации в течение суток с незначительными паузами. Производятся со сварочным током от 250 до 500 А.

Кроме класса и величины тока при выборе аппарата следует учитывать номинальное напряжение, на которое он рассчитан. Бытовые сети предполагают величину напряжения 220 В, с возможностью отклонения в ту или иную сторону до 15 процентов.

Еще один важный фактор – стоимость. Каждый должен выбирать, исходя из цены, зависящей от перечисленных ранее критериев и политики изготовителя.

Сварочные трансформаторы – оборудование, незаменимое в быту и промышленной сфере. С помощью данных агрегатов можно получать надежное и неразъемное соединение, без особенных усилий и сложностей. Ценовая доступность позволяет бытовому пользователю приобрести аппарат для использования в домашних условиях, а в устройстве и принципе работы разобраться не составит особенного труда.

Как сделать сварочный трансформатор своими руками

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.

Принцип работы трансформатора

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.

Режим короткого замыкания

В процессе эксперимента можно найти:

электроток холостого хода (замеряется амперметром) – обычно его значение невелико, не больше 0,1 от номинального показателя тока первой обмотки;
мощность, теряемую в магнитопроводе прибора(или другими словами потери в стали);
показатель трансформации напряжения – примерно равен значению в первичной цепи, деленному на таковое для вторичной (оба значения – данные вольтметров);
по результатам замеров силы тока, мощности и напряжения первичной электроцепи можно высчитать коэффициент мощности: мощность делят на произведение двух других величин.

Как проводится опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

коэффициент трансформации;
мощность потерь в стали;
параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.

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:

вольтметров на первичной и вторичной катушках;
ваттметра на первичной обмотке;
амперметра на входе.

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.

Потери холостого хода для трансформаторов мощностью 30-2500 кВА

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.

Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора

Определение режима. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение u1, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю. Принципиальная схема однофазного трансформатора при холостом ходе изображена на рис.7.6. В этом режиме трансформатор подобен дросселю с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом.

Необходимость изучения данного режима заключается в том, что одновременно с определением основных параметров трансформатора (коэффициента трансформации, тока холостого хода, потерь в стали магнитопровода) возможно в сочетании с параметрами, полученными при другом крайнем режиме — коротком замыкании, охарактеризовать работу трансформатора под нагрузкой и наиболее точно определить коэффициент полезного действия.

Рисунок 7.6 — Схема трансформатора при холостом ходе

Принцип действия в режиме холостого хода. Под действием приложенного напряжения u1 в первичной обмотке трансформатора имеет место небольшой ток холостого хода i10 = i0, обычно не превышающий (3-10%) от номинального тока в первичной обмотке, т.е. его действующее значение I0£(0,03…0,1)I1н. Этот ток создает МДС первичной обмотки i0×w1, которая обусловливает в замкнутом магнитопроводе переменный основной магнитный поток трансформатора Ф и небольшой переменный поток рассеяния первичной обмотки ФS1, замыкающийся вокруг первичной обмотки по воздуху.

Основной поток Ф наводит в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции e2. Поток рассеяния создает в первичной обмотке ЭДС eS1, называемую электродвижущей силой рассеяния. Так как основной поток Ф замыкается по магнитопроводу, а поток рассеяния ФS1 в основном по воздуху, то основной поток будет во много раз больше потока рассеяния (Ф>>ФS1), следовательно, и ЭДС, наводимые этими потоками в первичной обмотке, будут тоже существенно различаться по величине (E1>>ES1).

При синусоидальном напряжении u1 ЭДС e1 и e2 тоже синусоидальны, а следовательно, и поток Ф, создающий их, синусоидален. Однако вследствии магнитного насыщения магнитный поток трансформатора непропорционален намагничивающему току. Поэтому при синусоидальном потоке Ф намагничивающий ток i0 является несинусоидальным. При исследовании процессов в трансформаторе действительную кривую намагничивающего тока заменяют либо эквивалентной синусоидой с тем же, что и у действительной кривой, действующим значением, либо его первой гармоникой.

Действующие значения индуктированных ЭДС в обмотках трансформатора при холостом ходе определяются по формулам, известным из электротехники:

Е1 = 4,44 × f × w1 × Фm; Е2 = 4,44 f × w2 × Фm; ЕS1 = 4,44 f × w1 × ФS1m, (7.6)

где w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток;

f — частота ЭДС и тока, Гц;

Фm, ФS1m — амплитуды магнитных потоков (основного и рассеяния), Вб.

Разделив E1 на E2, получим коэффициент трансформации трансформатора:

В двухобмоточных трансформаторах согласно ГОСТ 16110-80 при определении коэффициента трансформации берется отношение высшего напряжения к низшему и поэтому значение «n» всегда больше единицы.

Коэффициент трансформации n, как уже отмечено, приближенно определяется из опыта холостого хода трансформатора по отношению напряжений на зажимах обмоток

Контур намагничивания. Трансформатор фактически представляет собой две электрические цепи (первичная и вторичная обмотки), связанные магнитным полем, что усложняет расчет самого трансформатора и анализ его работы. По этой причине в теории и инженерной практике исходную схему трансформатора (рис. 7.6) заменяют схемой электрической цепи без взаимоиндукции (рис. 7.7).

В такой эквивалентной схеме электрической цепи математическое описание процессов чаще всего ведут с использованием алгебраических уравнений, записываемых для комплексных действующих напряжений и токов.

Рисунок 7.7 — Эквивалентная электрическая схема замещения трансформатора в режиме холостого хода.

Действие противо-ЭДС E1 можно представить в виде падения напряжения от тока I10 = I0 на некотором полном сопротивлении Zm:

-E1 = I0 × Zm = I0 × rm + j × I0 × xm, (7.8)

где — параметр, характеризующий магнитную цепь трансформатора и называемый полным сопротивлением контура намагничивания;

rm- активное сопротивление контура намагничивания, определяемое потерями в стали трансформатора;

хm — индуктивное сопротивление контура намагничивания, определяемое потокосцеплением основного потока с первичной и вторичной обмотками при токе в первичной обмотке, равном I0 (при отсутствии тока во вторичной обмотке).

Таким образом, сопротивление Zm обусловлено потерями в стали магнитопровода и намагничивающей МДС холостого хода (I0×w1) первичной обмотки трансформатора.

Поток рассеяния ФS1 замыкается в основном по воздуху и, следовательно, практически не создает никаких потерь в стали. Значит, ЭДС рассеяния ES1 можно заменить падением напряжения только на индуктивном сопротивлении первичной обмотки x1, обусловленном потокосцеплением рассеяния YS1 первичной обмотки с её витками при соответствующем токе в обмотке

Величину x1 называют индуктивным сопротивлением рассеяния первичной обмотки.

Замена ЭДС рассеяния ES1 падением напряжения US1 от тока I0 на сопротивлении x1 делает более наглядной роль потока рассеяния: он создает индуктивное падение напряжения в первичной обмотке трансформатора, не участвуя в передаче энергии из одной обмотки в другую.

Уравнения равновесия напряжений. Эти уравнения удобно записать для комплексной схемы замещения трансформатора, работающего в режиме холостого хода (рис. 7.8)

Рисунок 7.8 — Комплексная схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

При синусоидальном напряжении U1 и эквивалентном синусоидальном токе I0 уравнения равновесия напряжений для первичной и вторичной цепей трансформатора при холостом ходе записываются в следующем виде:

где — полное комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

r1 – активное сопротивление первичной обмотки (обычно r<

На основании вышеизложенного можно сделать ряд выводов.

1. Режим холостого хода характеризуется тем, что по отношению к сети трансформатор представляет комплексную нагрузку почти индуктивного характера, при которой приложенное напряжение U1 опережает ток холостого хода I0 на угол, близкий к 900. Работа трансформатора в этом режиме вследствие значительной потребляемой из сети реактивной мощности является нежелательной.

2. Так как величины падений напряжений I0r1 и I0хS1 составляют лишь несколько процентов от приложенного напряжения, то векторы E1 и E2 сдвинуты по отношению к вектору U1 на угол, близкий к 1800. При этом величины векторов U1 и E1 отличаются незначительно. Поэтому практически коэффициент трансформации можно с достаточной степенью точности определить из отношения напряжений обмоток трансформатора при холостом ходе, т.е.

Опыт холостого хода. Режим холостого хода трансформатора обычно исследуют опытным путем с использованием двух вольтметров, амперметра и ваттметра. При этом к первичной обмотке трансформатора (рис. 7.7) подводится номинальное напряжение U10 = U1Н. На зажимы вторичной обмотки включается вольтметр с большим внутренним сопротивлением, позволяющий измерять напряжение U20»Е2.

В опыте холостого хода определяются:

а) ток холостого хода I0 (по показанию амперметра, включенного в первичную цепь). При U10 = U1Н ток I0 не должен превышать (3-10%) I1Н;

б) потери в стали магнитопровода трансформатора Pст (по показаниям ваттметра) P0 = I02r1 + Pст » Pст, так как потерями в меди первичной обмотки ввиду малости тока I0 и сопротивления r1 можно пренебречь ;

в) коэффициент трансформации n (по показаниям вольтметров в первичной и вторичной цепях)

г) коэффициент мощности cosj (по показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра в первичной цепи)

д) параметры схемы замещения трансформатора при холостом ходе:

Общие сведения

Сварочный трансформатор предназначен для питания дуги переменным током. Простые в устройстве и обслуживании, надежные в эксплуатации, экономичные в работе сварочные трансформаторы широко применяют при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, механизированной и автоматической сварке под флюсом, при электрошлаковой сварке.

Трансформатор разделяет силовую сеть и сварочную цепь, понижает напряжение сети до напряжения, необходимого для сварки, обеспечивает самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами начальное и повторное возбуждение и стабильное горение дуги, формирование требуемых внешних характеристик и регулирование силы сварочного тока или напряжения на дуге.

Силовые трансформаторы входят в состав всех сварочных выпрямителей и установок и имеют то же назначение, что и собственно сварочные трансформаторы.

Конструкции сварочных трансформаторов разнообразны. В зависимости от способа формирования внешних характеристик и регулирования режима сварки трансформаторы бывают с механическим и электрическим регулированием.

Трансформаторы для ручной сварки относятся ко второй категории размещения источника тока, то есть предназначены для работы на объектах, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе. Трансформаторы могут работать при температуре окружающего воздуха —45° … +40°С и относительной влажности воздуха не более 80% при +20 °С на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Трансформаторы для автоматической сварки климатического исполнения У имеют 3-ю и 4-ю категории размещения источников и могут работать при температуре воздуха —10° … +40°С.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки применяется такое понятие, как коэффициент трансформации. Его формула представлена далее:

Отсюда следует, что напряжение на вторичном контуре будет определяться соотношением количества витков. Чтобы иметь возможность регулировать выходное электричество, в конструкцию установки вмонтирован специальный прибор. Он переключает число витков на первичном контуре. Это анцапфа.

Для проведения опыта на холостом ходу регулятор ставится в среднее положение. При этом измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для проведения представленного опыта, при использовании понижающего или повышающего бытового агрегата, в расчет берется представленный коэффициент. При этом используют два вольтметра. Первый прибор подключается к первичной обмотке. Соответственно второй вольтметр подсоединяется к вторичному контуру.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе проведения опыта исследуются показатели на всех контурах. При этом потребуется применять сразу 6 вольтметров. Можно использовать один прибор, который будет подключаться поочередно ко всем точкам измерения.

Если установленное производителем значение на первичной обмотке превышает 6 кВ, на нее подают ток 380 В. При измерении в высоковольтном режиме нельзя определить показатели с требуемым классом точности. Поэтому замер производят в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

В процессе проведения измерения анцапфу перемещают во все установленные производителем положения. При этом замеряют коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие в витках замыкания.

Если показания по фазам будут иметь разброс при замерах больше, чем 2%, а также их снижение в сравнении с предыдущими данными, это говорит об отклонениях в работе агрегата. В первом случае в системе определяется короткое замыкание, а во втором – нарушение изоляции обмоток. Агрегат не может при этом работать правильно.

Такие факты требуют подтверждения. Например, это может быть измерение сопротивления. Влиять на увеличение разброса показателей коэффициента могут возрастание сопротивления между контактами анцапфы. При частом переключении возникает такая ситуация.

Измерение потерь

Потери в магнитоприводе замеряют исключительно при использовании мощной установки. При этом можно брать для расчетов пониженное напряжение, которое подключено к первичному контуру через ваттметр. Это прямой метод измерения.

При учете показателей вольтметра или амперметра потребуется умножить их мощности друг на друга. Это косвенный метод. При этом результат имеет определенную погрешность. Искажение происходит из-за невозможности учесть при таком расчете коэффициент мощности. Это конус угла, который образуется в векторной схеме между напряжением и током. В режиме холостого хода между ними появляется угол 90º.

Режим холостого хода для трансформаторов

Холостой ход трансформаторов может понадобиться тогда, когда требуется определить реальные параметры тока и напряжения, выводимыми во время трансформации. Ее обеспечивают специальные устройства, обеспечивающие понижение или повышение напряжения переменного электрического тока. С помощью холостого хода выясняются фактические потери процесса работы устройства.

При режиме работы с разомкнутой вторичной обмоткой частота тока не изменяется. Остаются прежними и показатели мощности. Таким образом можно выяснить фактическую силу тока, электрическое сопротивление. Какого бы не был типа трансформатор, они имеют аналогичные характеристики. Наблюдение за работой холостого хода трансформатора необходимо при их эксплуатации и при проверки их работоспособности.

В данной статье будут описаны основные технические нюансы режима холостого хода и область его применения. К статье бонусом добавлен видеоролик с информацией о холостом ходе трансформатора и файл с учебным пособием Каганович Е.А. “Испытания трансформаторов”.

Трансформатор.

Передача и использование электрической энергии

Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Трансформаторы в случае широко используются Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линии электропередачи (ЛЭП).

При передаче электроэнергии на большие расстояния неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Потери при нагревании электрических проводов прямо пропорционально I 2 через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца). Работа любого трансформатора состоит из трех основных режимов:

Режим холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой;
рабочим режимом (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с сопротивлением R = 0;
режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, т.к. в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

[stextbox из самых основных режимов – это холостой ход. На основании характеристик холостого хода происходит анализ всех режимов работы трансформатора.[/stextbox]

Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI).

Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор, а понижающий трансформатор — между ЛЭП и потребителем электроэнергии. В бытовых электроприборах (по технике безопасности) используются небольшие напряжения 220 и 380 В. У современных трансформаторов высокий КПД — свыше 99%.

Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена.

По первичной обмотке трансформатора проходит ток I , в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I , проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф , который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ.

Очевидно, что переменный магнитный поток Ф пересекает обе обмотки трансформатора. В каждой из них возникают эдс: в первичной обмотке — эдс самоиндукции Е₁, во вторичной обмотке — эдс взаимоиндукции Е₂. Действующие значения этих эдс зависят от числа витков в обмотках, магнитного потока Ф и частоты его изменения f. Величины эдс определяют по формулам:

где ω₁ и ω₂ — числа витков в обмотках;

Ф_{0 макс} — максимальное значение магнитного потока, Вб.

Это соотношение характеризует одно из основных свойств трансформатора: эдс в обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков. Отношение числа витков ω₁ / ω₂ = k называют коэффициентом трансформации.

Таким образом, если мы хотим повысить полученное от генератора напряжение в 10, 100 или 1000 раз, то необходимо так подобрать обмотки трансформатора, чтобы число витков ω₂ вторичной обмотки было больше числа витков ω₁ первичной обмотки соответственно в 10, 100 или 1000 раз.

Тогда вторичная обмотка оказывается обмоткой высшего напряжения (ВН), а первичная — обмоткой низшего напряжения (НН). Наоборот, если необходимо снизить напряжение в линии, первичное напряжение подводят к обмотке ВН, а к обмотке НН подключают приемники электрической энергии.

Итак, любой трансформатор может работать как повышающий и как понижающий. Все зависит от того, к какой из его обмоток будет подведено напряжение для преобразования. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия преобразуемого переменного тока, называется первичной (независимо от того, будет ли эта обмотка высшего или низшего напряжения). Обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной.

Мы рассмотрели действие только рабочего, или основного, магнитного потока Ф . Однако в трансформаторе кроме рабочего существует еще магнитный поток рассеяния Ф_р1. Этот магнитный поток образуется силовыми линиями, которые ответвляются от основного потока в сердечнике и замыкаются по воздуху вокруг витков обмотки ω₁.

Поскольку поток рассеяния замыкается по воздуху, его величина пропорциональна току, в нашем случае — току холостого хода I . Следовательно, поток рассеяния Ф_р1 является, как и ток I , переменным и, пересекая витки первичной обмотки, создает в ней эдс самоиндукции Е_р1. В первичной обмотке трансформатора создаются две эдс самоиндукции: одна E₁ — рабочим магнитным потоком Ф , другая Е_р1 — магнитным потоком рассеяния.

Мы знаем, что эдс самоиндукции всегда направлена против приложенного напряжения и ее действие на ток в цепи равносильно добавочному сопротивлению, которое называют индуктивным и обозначают х. Для поддержания неизменным тока холостого хода подводимое напряжение U₁ должно расходоваться не только на преодоление активного сопротивления r₁ обмотки, но и на создание эдс самоиндукции.

Другими словами, приложенное напряжение U₁ складывается из нескольких частей: первая часть равна эдс самоиндукции E₁ от потока Ф , вторая — эдс самоиндукции Е_р1 от потока рассеяния Ф_р1, третья — активному падению напряжения I r₁.

Режимы работы трансформатора.

Холостой ход тpexфaзного устройства

Характер работы З-фaзного устройства в режиме XX зависит от магнитной системы и схемы подключения обмоток:

первичная катушка — «треугольником»;
вторичная — «звездой» (D/Y): имеет место свободное замыкание TГC тока I1 по обмоткам устройства. Поэтому магнитный поток и ЭДC являются синусоидальными и нежелательные процессы, описанные выше, не происходят; схема Y/D: TГC магнитного потока появляется, но ток от наведённой им дополнительной ЭДC свободно течет по замкнутым в «треугольник» вторичным катушкам.

Этот ток создаёт свой поток вектора магнитной индукции, который гасит вызывающую его третью ГC основного MП. B результате магнитный поток и ЭДC, имеют почти синусоидальную форму, соединение первичной и вторичной катушек «звездой» (Y/Y).

B последней схеме TГC тока I1 отсутствует, поскольку для нее нет пути: третьи гармонии каждой из фаз в любой момент времени направлены к нулевой точке или от неё. Из-за этого искажается магнитный поток.

Дальнейшее определяется магнитной системой: З-фазный трансформатор в виде группы 1-фaзныx: TГC магнитного потока замыкается в каждой фазе по собственному сердечнику и из-за малого магнитного сопротивления последнего, достигает амплитуды в 15% – 20% рабочего магнитного потока.

Она созидает дополнительную ЭДC, амплитуда которой может достигать уже 45% – 60% от основной ЭДC. Такой рост напряжения может привести к пробою изоляции c последующей поломкой электроустановок. Трансформаторы c бронестержневой магнитной системой имеют место такие же явления (третьи гармонические магнитного потока замыкаются по боковым ярмам мaгнитопpоводa).

Тpexcтepжнeвaя магнитная система: TГC пути по мaгнитопpоводa не имеет и замыкается по среде c малой магнитной проницаемостью — воздух, масло, стенки бака. Поэтому она имеет малую величину и значительной дополнительной ЭДC не наводит.

Как определить коэффициент трансформации

Что такое «холостой ход трансформатора»? По сути, это особый режим работы устройства, условием которого является разомкнутость вторичной обмотки, а первичная обмотка имеет номинальное напряжение. В таком состоянии, при проведении ряда расчетов, можно определить точные параметры целого ряда показателей, например, для трансформаторных устройств распространенного однофазного типа так рассчитываются:

коэффициент трансформации;
активное, полное, индуктивное сопротивление ветви намагничивания;
коэффициент мощности, процентное значение тока и измерения холостого хода.

Алгоритм проведения измерений холостого хода выглядит так:

Измеряется ток, который был приложен к первичной обмотке, посредством измерительных приборов, которые включены в общую цепь.
Замыкается вторичная обмотка на вольтметре. Сопротивление должно быть такой величины, чтобы значение тока вторичной обмотки приближалось к минимальной отметке.
Величина тока холостого хода в первичной обмотке минимальна относительно значения номинала, если сравнивать с прикладываемым напряжением, которое приводит в равновесие электродвижущая сила первичной обмотки. И оба этих показателя отличаются незначительно, а значит значение хода электродвижущей силы в первичной обмотке можно определить по данным вольтметра.

Наиболее точны[stextbox искомые значения можно получить, используя обмотки различного напряжения – низкого и высокого. Точность таких измерений будет определяться разницей номиналов между ни[/stextbox]ми.

Схема потерь электроэнергии.

Причины и следствия потерь холостого хода трансформатора

Потери холостого хода трансформаторных устройств любого типа — это следствие износа устройств. Со временем их магнитная система и структура используемого металла стареет и меняется, межлистовая изоляция становится хуже, а прессовка сердечника ослабляется. Естественно, вы это негативно сказывается на уровне потерь электроэнергии.

Практика показывает, что вопреки установленных нормам, согласно которым потери могут отличаться от заводских показателей не более, чем на пять процентов, во многих случаях они превышают порог в пятьдесят процентов. Особенно это касается трансформаторов силового типа. Данные измерений такого типа устройств позволяют довольно точно прогнозировать потери энергии в каждом отдельном муниципалитете. Таблица допустимых потерь при холостом ходу трансформатора приведена ниже.

Таблица допустимых потерь при холостом ходу трансформатора.

Как измерить потери холостого хода трансформатора

Основные принципы измерений потерь холостого хода всех видов трансформаторных приборов прописаны в ГОСТах. Главной причиной ошибочных результатов, полученных во время проведения измерений, можно назвать низкую точность измерительных устройств и неверные действия замерщиков, а также несоответствие необходимым условий проведения измерений. Чтобы избежать отклонений, влияющих на прогнозы и корректировку условий и интенсивности эксплуатации приборов, стоит предварительно разработать, согласовать с изготовителем и утвердить методику измерения потерь в данном режиме.

Эффективность действия устройства напрямую зависит от такого явления, как электромагнитная индукция. Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора? Напомним, что такой режим устанавливается при разомкнутой вторичной обмотке в тот момент, когда подключается первичная обмотка с током I1. Напряжение сети переменного тока в данном случае равно U1.

Ток, идущий по первичной обмотке, моделирует магнитный поток с переменными характеристиками, индуцирующий переменное напряжение U2, возникающее во вторичной обмотке. А так как ее цепь находится в разомкнутом состоянии, соответственно ток I2 имеет нулевое значение.

То есть во вторичной цепи нет никаких затрат электроэнергии. В этих условиях вторичное напряжение, которое возникает в комментируемом режиме, достигает пиковых значений. Такая величина является напряжением холостого хода.

Принцип действия таких устройств базируется на преобразовании стандартного сетевого напряжения. Этот стандарт преобразуется в напряжение холостого хода, имеющее приблизительный диапазон от 60 до 80 В.

[stextbox параметры и их соотношение влияют на уровень и плавность регулировки. Делать это можно двумя путями: меняя значение либо индуктивного сопротивления, либо напряжения холостого хода.[/stextbox]

В первом случае, который является более частотным и популярным, регулировка сварочного тока происходит более плавно. Вторым предпочитают пользоваться, как альтернативным.

Плавность двухдиапазонного регулирования мощности тока в процессе работы трансформатора сварочного типа играет важную роль, так как дает возможность значительно снизить показатели массы, а также ощутимо уменьшить размеры устройства. Получить широкий диапазон больших токов можно, включая попарно параллельно катушки как первичной, так и вторичной обмоток, а чтобы получить диапазон токов малой мощности, их необходимо включать в последовательном режиме.

Заключение

Более подробно о проверке трансформаторов на холостом ходу можно почитать в файле с учебным материалом Кагановича Е.А. “Испытания трансформаторов”. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте.

Читайте также: