Потери холостого хода Pх трансформатора состоят главным образом из потерь в активной стали магнитопровода. Электрические потери в первичной обмотке, вызванные током холостого хода, относительно малы и ими пренебрегают.
Потери в конструкционных стальных деталях остова трансформатора и диэлектрические потери в изоляции, имеющие место при холостом ходе, не поддаются точному расчету, и они обычно учитываются коэффициентом добавочных потерь, определяемым опытным путем. Потери в стали состоят из потерь от перемагничивания (гистерезиса) и потерь от вихревых токов. Процентное соотношение этих потерь (бывает различно и зависит от марки применяемой электротехнической стали.
При расчете потерь в стали, а также при их измерении во время испытания трансформатора определяют общие потери в стали, не разделяя их по отдельным составляющим, так как в этом нет необходимости .
Потери в стали зависят от ее марки, толщины, частоты тока, индукции и веса. Значения удельных потерь, т.е. потерь на единицу веса, выражаемых в Вт/кг, нормированы ГОСТ 802—58. Однако в готовом трансформаторе на величину потерь в стали влияет еще целый ряд факторов, как-то: род изоляции пластин, применение отжига пластин после их обработки, качество сборки, конструкция магнитопровода и др. Точный учет влияния этих факторов не всегда возможен, поэтому при расчете пользуются кривыми или таблицами, составленными на основании испытания реальных конструкций магнитопроводов. К данным таблиц, взятым за основные, вносятся корректирующие поправки в виде коэффициентов, учитывающих конкретные особенности конструкций магнитопровода, а также и технологию его изготовления.
Значения удельных потерь и намагничивающей мощности стали взяты из табл. 4.1. Так как значение индукции в стержнях и ярмах обычно различаются между собой, то потери в стали определяются отдельно для стержней и ярм, и затем результаты складываются.
К полученному значению потерь в стали вносятся поправочный коэффициент добавочных потерь Кд, учитывающий неравномерное распределение индукции по сечению стержня и ярма, который может быть взят из табл. 4.2 [1]. При расчете потерь в магнитопроводе, собранном из пластин холоднокатаной стали обычной конструкции - с прямыми стыками, потери в углах магнитопровода увеличиваются. Это увеличение потерь происходит вследствие несовпадения направления магнитных линий и направления прокатки стали, и может быть учтено коэффициентом Ку = 1,5 для стали. На этот коэффициент умножается вес стали углов магнитопровода.
При холостом ходе трансформатора по его первичной обмотке течет ток холостого хода Io. У идеального трансформатора (не имеющего потерь) это будет чисто намагничивающий ток, т.е. ток, создающий намагничивающую силу (ампер-витки), необходимую для образования в магнитопроводе главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками трансформатора. У реального трансформатора ток холостого хода состоит из реактивной (намагничивающий ток) и активной (компенсирующей потери холостого хода) составляющих.
Ток холостого хода и его составляющие обычно выражают в % от номинального тока.
Что касается намагничивающего тока Iop, то его величина при определенном значении индукции, так же как и потери холостого хода, зависит в первую очередь от сорта применяемой стали и конструкции магнитопровода.
Расчет намагничивающей мощности, потребляемой сталью магнитопровода, производится аналогично расчету потерь. Значения удельной намагничивающей мощности q берутся по таблице. Но так как главный магнитный поток Ф на своем пути должен проходить также через места стыков (зазоров) между пластинами, то на преодоление сопротивления стыков требуется дополнительная намагничивающая мощность, которая будет зависеть от конструкции магнитопровода - стыковой или шихтованный, величины зазора, схемы шихтовки и, разумеется, индукции. В отечественном трансформаторостроении применяются исключительно шихтованные магнитопроводы, поэтому в таблицах помещены значения удельной намагничивающей мощности на стык (зазор) (Вар/см2) именно для таких магнитопроводов. Число стыков для трехфазного магнитопровода будет nст = 3, nя = 4 (рис. 4.2 [1]). У крупных трансформаторов, у которых пластины магнитопровода вследствие большой длины делаются составными, число стыков соответственно увеличивается. Значения удельной намагничивающей мощности могут быть взяты из табл. 4.1 [1]. К значению намагничивающего тока в магнитопроводе, собранного из пластин холоднокатаной стали с прямыми стыками, вносится поправочный коэффициент на увеличение намагничивающей мощности в углах магнитопровода аналогично тому, как это делается при расчете потерь в стали. Увеличение намагничивающей мощности вызывается снижением магнитной проницаемости холоднокатаной стали в тех частях магнитопровода, где направление магнитного потока не совпадает с направлением проката листов. Для индукции в пределах 1,5-1,7 Тл коэффициент увеличения намагничивающей мощности в углах магнитопровода равен примерно 3-3,5.
Потери холостого хода:
Pх = Kд · [pст · Gст + pя · (Gя.п + Kу · Gя.у)] = 1· [1,82 · 102 + 1,53 · (103 + 1,5 · 16)] = 380 Вт,
где pст, pя, Вт/кг - значения удельных потерь, взятые по табл. 4.1 [1] для определенных значений индукции;
Gст, Gя.п, Gя.у, кг - вес стержней, прямых и угловых частей ярм;
Кд - коэффициент добавочных потерь;
Ку - добавочный коэффициент для углов магнитопровода.
Намагничивающий ток:
iop = [qст · Gст + qя · Gя + nст · qз.ст · Fст + nя · qз.я · Fя] / [10 · S] = [20,7 · 102 + 11,05 · 119 + 3 · 3,39 · 111,4 + 4 · 2,42 · 118,7] / [10 · 40] = 14,2 %,
где qст и qя, Вар/кг - удельные намагничивающие мощности для стержней и ярм;
Gст и Gя, кг - вес стержней и ярм;
nст и nя - число стыков по сечениям стержня и ярма;
qз.ст и qз.я, Вар/см2, - удельные намагничивающие мощности на один стык;
Fст и Fя, см2, - сечения стержня и ярм (без учета коэффициента заполнения).
Активная составляющая тока холостого хода:
ioа = Pх / (10 · S) = 190 / (10 · 40) = 0,48 %.
где Pх, Вт - потери холостого хода;
S, кВА - мощность трансформатора.
Ток холостого хода:
io = √(iop2 + ioa2) = √ (14,22 + 0,482) = 14,21 %.