Внешняя характеристика и коэффициент полезного действия трансформатора

Внешней характеристикой трансформатора называют зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ при заданном коэффициенте мощности нагрузки cosφ_н и номинальном первичном напряжении U_1ном. Ток I₂ задают не в абсолютных, а в относительных единицах β = I₂/I_2ном = I₁/I_1ном, где β – коэффициент загрузки трансформатора. Изменение напряжения на выходе трансформатора DU, %:

определяет вид внешней характеристики:

.

Внешние харак­теристики (а) и КПД трансформатора (б)

При активной и активно-индуктивной нагрузке наблюдается падение напряжения U₂ с ростом I₂, а для активно-емкостной нагрузки напряжение U₂ может расти с ростом I₂ .

КПД трансформатора

η =  = 1 – ,

где P₂ – активная мощность, потребляемая нагрузкой; P₁ – активная мощность, потребляемая трансформатором из сети; ∆P = ∆P_ст + ∆P_м – сумма мощностей потерь в стали сердечника и меди обмоток.

Для расчета η используют

.

Типичный ход кривой η(β) показан на рисунке. КПД максимален при b = .

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы делят на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их используют для включения измерительных приборов и устройств автоматической защиты в цепи высокого напряжения. При этом достигаются две цели: 1) благодаря отсутствию гальванической связи приборов с цепями высокого напряжения повышается безопасность работы персонала; 2) увеличиваются пределы измерения измерительных приборов переменного тока.

Трансформатор напряжения (ТН) применяют для включения вольтметров, реле и обмоток напряжения измерительных приборов (ваттметров, фазометров, счетчиков, частотомеров).

У ТН первичная обмотка ВН с большим числом витков w₁ включается в цепь высокого измеряемого напряжения U₁, а ко вторичной обмотке НН с небольшим числом w₂ подключают вольтметр. Вывод вторичной обмотки и корпус ТН заземляют. Это повышает безопасность работы при повреждении изоляции и замыкает на землю емкостные токи между первичной и вторичной обмотками, влияющие на точность измерений.

Поскольку сопротивление вольтметра велико, то ТН практически работает в режиме холостого хода и

.

Измерив U₂ и зная коэффициент трансформации K_н, можно определить высокое напряжение U₁ (шкалу вольтметра градуируют в значениях U₁). Одноименные выводы первичной и вторичной обмоток трансформатора маркированы: А и а, Х и х. Соблюдение полярности подключения важно для приборов, реагирующих на изменение фазы напряжения (ваттметр, счетчик).

Вторичное номинальное напряжение ТН, как правило, равно 100 В.

Классом точности называют наибольшее допустимое значение в процентах основной погрешности прибора. Стационарные трансформаторы напряжения имеют классы точности 0,5; 1,0; 3,0. Число приборов, подключаемых параллельно вторичной обмотке ТН, при заданном классе точности ограничено (погрешность измерений ниже при режиме, близком к холостому ходу).

Трансформатор тока (ТТ) применяют для подключения амперметров и токовых обмоток других измерительных приборов.

Первичная обмотка ТТ имеет небольшое количество витков w₁ и включается в разрыв линии с измеряемым током I₁. Первичная обмотка условно изображается в виде отрезка проводника с зажимами W₁, W₂. Ко вторичной обмотке ТТ, число витков которой w₂ >> w₁, последовательно подключается амперметр. Поскольку сопротивление амперметра мало, то ТТ работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. В отличие от силовых трансформаторов первичная обмотка ТТ, имеющая малое комплексное сопротивление, подключается последовательно с потребителем, и ток I; ×₁ определяется только потребителем. Можно считать, что ТТ подключен к источнику тока J; × = I; ×₁. Вторичный ток İ₂ трансформатора тока оказывает, как и в силовом трансформаторе, размагничивающее действие. Однако компенсирующего роста тока I₁ здесь нет, поэтому рабочая намагничивающая сила F; ×_p = = I; ×₁w₁ – I; ×₂w₂ мала и в точных ТТ составляет десятые доли процента от I; ×₁w₁. Пренебрегая величиной F_p, получим

,

где K_т = w₁/w₂.

Поскольку w₁ << w₂, то измеренный ток I₂ << I₁. После измерения I₂ ток I₁ вычисляется по (3.29). Обычно у амперметра I_2ном = 5 А, и при работе со штатным ТТ его шкалу градуируют в значениях первичного тока.

Трансформаторы тока имеют классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Работа их тем точнее, чем ближе режим к режиму короткого замыкания. Поэтому для ТТ указывается наибольшее суммарное сопротивление приборов, подключаемых последовательно ко вторичной обмотке. При работе ТТ недопустим разрыв в цепи вторичной обмотки, так как это прекращает ее размагничивающее действие, магнитный поток Ф в магнитопроводе резко возрастает, что может привести к перегреву ТТ и выходу его из строя. Одновременно с ростом Ф происходит резкое увеличение ЭДС E₂ во вторичной обмотке (до нескольких тысяч вольт), что опасно для обслуживающего персонала.

Поэтому перед отключением амперметра необходимо замкнуть ключ SA₁.

На следующем рисунке показано подключение нескольких приборов (амперметра, вольт­метра и ваттметра) к ТН и ТТ, которая позволяет получить полную информацию о электрических параметрах однофазного напряжения. Для получения активной мощности цепи нужно показание ваттметра умножить на K_н/K_т.

Схема трехфазного транс­форматора / (а) и его векторная диаграмма (б)

начало, т. е. точка с, совпала с точкой x. Продолжив построения, получим треугольник abc вторичных напряжений. Соединив точки a и b, получим вектор U; ×_ab,