Тема 2.5. Потери и кпд трансформатора. Внешняя характеристика трансформатора.

Суммарные потери в трансформаторе : ΣP=р_м1+р_м2+р_магн

Потери в меди р_м1+р_м2 определяются из опыта к.з., а магнитные потери р_магн из опыта х.х., которые носят название – постоянные потери, т.к. при переходе от х.х. к режиму нагрузки магнитный поток взаимной индукции не изменяется. Потери в меди зависят от нагрузки, т.к. они пропорциональны квадрату тока. При произвольной нагрузке потери в меди можно выразить через коэффициент нагрузки β= I₁/I_1ном как р_м= p_к∙β².

К ПД трансформатора η = Р₂/Р₁ , где Р₂ = Р₁ – ΣP – полезная активная мощность отдаваемая в нагрузку, Р₁ – активная потребляемая мощность из сети. η = 1 – ΣP/Р₁ = 1 – (р₀+p_к∙β²)/(βS_ном cosφ + (р₀+p_к β²))

При малых нагрузках, когда β = 0…0,2 полезная мощность весьма мала и соизмерима с постоянными потерями трансформатора р₀ . По мере роста коэффициента нагрузки β, а следовательно и полезной мощности Р₂ влияние р₀ уменьшается, а КПД возрастает.

При β = 0,2…0,25 КПД достигает установившихся значений и в дальнейшем изменяется мало. При β > 0,5 КПД снижается из-за быстрого роста потерь в меди.

Для определения β_{оптимальное} при котором КПД достигает своего максимального значения необходимо выполнение условия равенства переменных и постоянных потерь в трансформаторе, которое можно рассчитать по формуле: β= √(р_м /p_к). Для современных силовых трансформаторов β_{оптимальное} = 0,4…0,5.

КПД трансформаторов средней и большой мощности составляет 97-99%, в трансформаторах мощностью 100-500 Вт КПД равен 0,90-0,92, малой мощности (до 50 Вт) КПД составляет 60-80%.

Внешняя характеристика трансформатора.

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U₂ = f(I₂) при U₁ = const и cos φ₂ = const называется внешней характеристикой. Из уравнения напряжений трансформатора следует, что с изменением тока во вторичной обмотке (тока нагрузки I₂) напряжение на вторичной обмотке изменяется из-за изменения падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки І′₂z′₂ . Причем, поскольку уравнения (1.27) векторные, U₂ зависит как от значения нагрузки, так и ее характера: активного, индуктивного или емкостного.

Точный расчет внешней характеристики можно выполнить по схеме замещения, изменяя z_н и определяя U₂ и I₂. Однако на практике часто пользуются формулой:

U₂= U₂₀(1 - Δu/100),

где U₂₀ - вторичное напряжение при холостом ходе; U₂ -вторичное напряжение при данной нагрузке; a Δu - изменение вторичного напряжения, т.е. арифметическая разность между напряжением х.х. и напряжением при данной нагрузке в процентах от напряжения х.х. Значение Δu рассчитывают по упрощенному выражению, которое можно получить из схемы замещения трансформатора при определенных допущениях:

Δu= β (u_каcosφ_н+ u_крsinφ_н)

Входящие в выражение величины u_ка и u_кр - это активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания (к.з.).

Значения u_ка и u_кр либо определяются экспериментально в опыте к.з., либо рассчитываются через параметры схемы замещения.

u_ка= 100% I_1ном (r₁ - r₂')/U_1ном u_ка= 100% I_1ном (x₁ - x₂')/U_1ном

Внешние характеристики линейные и жесткие. Жесткость характеристик, т.е. слабая зависимость функции (U₂) от аргумента (β), объясняется тем, что сопротивление обмоток невелико (u_к≈5-15%), а основной магнитный поток мало зависит от нагрузки. При активной (φ₂=0) и активно-индуктивной (φ₂>0) нагрузке характеристики всегда падающие, при активно-емкостной (φ₂<0) нагрузке могут быть возрастающими (в формуле для Δu) член u_крsinφ_н становится отрицательным). В трансформаторах небольшой мощности активное падение напряжения обычно больше, чем индуктивное, и характеристика при активной нагрузке менее жесткая, чем при активно-индуктивной. В трансформаторах большой мощности соотношение падений напряжения противоположное и характеристика при активной нагрузке будет более жесткой.

Рис 1 Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощности	Рис. 2 Внешние характеристики трансформатора малой мощности