Напряжение холостого хода трансформатора


Режим холостого хода трансформатора

Трансформатор, как таковой, предназначен для повышения или понижения напряжения, если это необходимо, а также он может служить для разделения электрических цепей. Он имеет, как минимум, две обмотки. Причем, одна из них – первичная, а другая (или несколько) – вторичные. В повышающем трансформаторе количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, в понижающем – меньше.В разделительных трансформаторах – число витков одинаково в обоих обмотках.

Каждый трансформатор через определенный промежуток времени проходит проверку, или, говоря техническим языком – поверку. Главные испытания, которые проходит любой трансформатор, это:

  1. Проверка работы в режиме холостого хода
  2. Проверка под нагрузкой (на различных режимах)
  3. Проверка работы в режиме короткого замыкания.

Обычный двухобмоточный трансформатор на схемах обозначается следующими символами:

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

В зависимости от того, разделительный это трансформатор(рис 1), повышающий(рис 2) или понижающий(рис 3).

Проверка работы холостого хода производится при подключении в сеть первичной обмотки.

Вторичная, при этом, на нагрузку не включается. Имеем напряжение U1на первичной обмотке, и напряжение U2 на вторичной. Ток I1будет иметь некоторое значение, в отличие отI2 который будет равен нулю.

Схема подключения для данного опыта представлена на рис. 4

Рисунок 4

Для лучшего понимания процесса перечертим трансформатор (см. рис.5) в ином виде:

Рисунок 5

Первичная обмотка с числом витков W1 подключена в сеть стандартного напряжения U1. Если обмотка имеет сопротивление не равное бесконечности, то по ней потечет ток I1. Из курса физики знаем, что всякая обмотка, через которую протекает ток, создает магнитное поле. В данном случае переменное поле, то есть интенсивность его меняется во времени и направление поля тоже меняется во времени. Магнитный поток Ф зависит от индуктивности катушки Lи силы тока в ней, в данном случае I1. Формула: Ф = L* I1. Сердечник трансформатора, на котором намотаны катушки, обычно делаются из тонких стальных листов, для уменьшения потерь этого магнитного потока. Однако потери все равно есть, из-за, так называемого, рассеивания. Данный магнитный поток будет одинаковым, как в режиме холостого хода, так и в режиме нагрузки, то есть, когда на вторую обмотку подключен потребитель и по ней потечет ток.

Вышеназванный переменный магнитный поток Ф будет создавать электродвижущую силу как во вторичной обмотке e2, так и в первичнойe1. Во вторичной обмотке нагрузки нет (потребитель не подключен), то нет и тока I2. То есть он равен нулю. А напряжение U2 есть, какое оно мы рассмотрим позже.

В первичной обмотке цепь замкнута и ЕДС e1 создает ток противодействующий основному току I1 и собственный магнитный поток, который противодействует потоку Ф.  В связи с этим, ток холостого хода никогда не бывает большим. Для крупных трансформаторов это в пределах 5%, максимум 10% от номинального. Для трансформаторов малой мощности вне ответственных изделиях, например зарядных устройствах телефонов, этот ток может доходить до 30 и более процентов от номинального.

Напряжение U1 есть сумма от падений напряжений на активном сопротивлении UА1, а так же от создания магнитного потока Ф, которое обозначим UL1 и падения напряжения от создания потока рассеивания ULS1.

Значит формула, согласно закону Кирхгофа будет иметь вид: U1=UА1+UL1+ULS1. В свою очередь UА1=I1*R1. Где R1 – активное сопротивление на первичной обмотке. Витки обмотки, как правило, медные, по этой причине сопротивление R1 имеет очень малое значение.

Если трансформатор собран для ответственной работы, то и поток рассеивания так же будет мал. ULS1=XLS*I1=2πfLs1* I1, где f–промышленная частота 50 герц, а Ls1 – поток рассеивания. И тем и другим слагаемым можно пренебречь по сравнению с потерями на перемагничивание стали сердечника трансформатора. В этом случае мы допускаем, что все напряжение тратится на создание потока Ф, а он зависит от тока в проводнике, в данном случае I1 и индуктивности L, которая зависит от количества витков в обмотке. Но так как магнитный поток в первичной и вторичной обмотке одинаков, то напряжение U1 и U2 зависят только от количества витков в первичной и вторичной обмотке. Коэффициент зависимости этих напряжений и называется коэффициентом трансформации К = U1/U2= e1/e2 = W1/W2.

Напомним, что противодействие основному потоку возникает только при его изменении, то сеть при переменном потоке (иными словами при переменном токе в цепи). Если обмотку трансформатора включить в цепь постоянного тока, то она наверняка перегорит, поскольку противодействие будет составлять только активное сопротивление, а оно очень мало.

Если нам известен ток первичной обмотки I1, напряжение на первичной обмотке U1, напряжение на вторичной обмотке U2 и потребляемая трансформатором мощность S, то мы можем вычислить следующие параметры:

  1. Коэффициент трансформации К = U1/U2
  2. Процентное значение тока холостого хода: i = (Ixx/IH)*100, где Ixx – ток холостого ходав данном случае I1, IH – ток при номинальной нагрузке.
  3. Активное сопротивление первичной обмотки R1 = PА/Ixx
  4. Полное сопротивление первичной обмотки Z1 = U1/Ixx
  5. Индуктивное сопротивление первичной обмотки X1 = (Z21 -R21)
  6. Коэффициент мощности трансформатора cosφ = S/I12R1

Поскольку пункт 2 невозможно вычислить без проверки трансформатора при нагрузке, то и последовательность проверок, как правило, следующее: под нагрузкой, при коротком замыкании и при режиме холостого хода.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Страничка эмбеддера » Напряжение холостого хода трансформаторов

Обычные сетевые трансформаторы, если их не нагружать, выдают напряжение больше заявленного. Но на сколько больше? От ответа зависит, какое напряжение фильтрующего конденсатора в блоке питания выбрать.

Помню еще у отца был конструктор усилителя “электроника-25” и там в инструкции было сказано, что включать блок питания без нагрузки запрещается. Тогда меня это очень удивляло. Теперь уже – нет. Итак, тестируем трансформаторы на напряжение холостого хода.

Первым под тестер попал 10Вт трансформатор из Николаева (фото — сверху). У него напряжение холостого хода на 11% больше, чем при номинальной нагрузке.

Вторым пошел 5Вт трансформатор из того-же завода, у него напряжения холостого хода на 12.5% больше, чем номинальное.

Вот такой 200Вт трансформатор от того самого усилителя “электроника-25” выдал на 10.5% больше вольтов без нагрузки, чем с оной.

Ну, и последним и самым худшим стал залитый трансформатор от тортранса. Он выдает аж на 40% больше. С таким трансформатором придется ставить огромные бочки, низачот.

Общая тенденция такова – чем больше мощи, тем меньше напряжение холостого хода превышает напряжение под нагрузкой. Если использовать приличный трансформатор, то достаточно 15% запаса по напряжению у фильтрующих конденсаторов.

Для примера, посчитаю на какое напряжение нужно брать конденсаторы простого блока питания. Итак у нас 15В трансформатор не от тортранс’а.

Umax = 15 * 1.4 * 1.15 = 24.15

На диодном мосту будет падать минимум 1.2В. В итоге, пиковое напряжение получается 23В. Разброс напряжения трансформатора пусть будет порядка 10%. 23 * 1.1 = 25.3. В итоге, по нужно брать конденсатор на 35В.

В реальной жизни, естественно, нужно все мерять. Вполне возможно, что просто стабилизатор нагрузит трансформатор достаточно, чтобы его напряжение просело до безопасного уровня.

Ах, как жаль, что производители не публикуют нагрузочных характеристик!

Трансформатор. Холостой и рабочий ход трансформатора. Передача и потребление электроэнергии

Трансформатор

Электрический ток можно преобразовывать практически без потерь. На практике чаще всего требуется невысокое напряжение. Устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения, называется трансформатором. Или трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым.

Простейший трансформатор состоит из сердечника 2 (магнитопровода) замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная 1 и вторичная 2. Сердечник собирают из множества тонких пластин ферромагнитного сплава для того, чтобы снизить воздействия вихревых токов внутри стали, возникающих при появлении магнитного поля.

Условное обозначение трансформатора

Принцип действия трансформатора основано на  явлении электромагнитной индукции. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная, соответственно, к потребителям электроэнергии. Протекающий по первичной обмотке ток создает переменный магнитный поток (Ф) в сердечнике трансформатора. В результате магнитной индукции переменный магнитный поток   в сердечнике трансформатора создает в обмотке ЭДС индукции, в том числе и в первичной обмотке.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора: 

U1  —  напряжение на первичной обмотке трансформатора, В;

U2  —  напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В;

N1  — число витков на первичной обмотке;

N2  — число витков на вторичной обмотке;

K – коэффициент трансформации.

При k > 1 трансформатор будет понижающим, при k < 1 — повышающим.

Режимы работы трансформатора:

  • 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.

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 I2 через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца). 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%.

Технологическая цепочка передачи электроэнергии

Режим холостого хода трансформатора

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 I0, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I0, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф0, который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ.

Очевидно, что переменный магнитный поток Ф0 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 Ф0 и частоты его изменения f. Величины эдс определяют по формулам:

Е1 = 4,44fω1Ф0 макс10-8В,

Е2 = 4,44fω2Ф2 макс10-8В,

где ω1 и ω2 — числа витков в обмотках;

f — частота, Гц;

Ф0 макс — максимальное значение магнитного потока, Вб.

Разделив Е1 на Е2, получим

Е1 / Е2 = ω1 / ω2.

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 Ф0. Однако в трансформаторе кроме рабочего существует еще магнитный поток рассеяния Фр1. 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 I0. Следовательно, поток рассеяния Фр1 является, как и ток I0, переменным и, пересекая витки первичной обмотки, создает в ней эдс самоиндукции Ер1.

В первичной обмотке трансформатора создаются две эдс самоиндукции: одна E1 — рабочим магнитным потоком Ф0, другая Ер1 — 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 Ф0, вторая — эдс самоиндукции Ер1 от потока рассеяния Фр1, третья — активному падению напряжения I0r1.


Смотрите также