2.2.3. Нагрузочный режим

При подключении нагрузки Zн к вторичной обмотке трансформатора он начинает отдавать нагрузке некоторую мощность, при этом увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении тока І2 во вторичной обмотке возрастает и ток І1 в первичной обмотке.

Для определения изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке U2 обычно его приводят к первичному, умножая на коэффициент трансформации n, т. е.:

U´2 = U2×n.

Точно также приводят к первичной обмотке ток вторичной обмотки , умножая его на 1/n, т. е.:

І´2 = І2/n.

Величины U´2 и І´2 называют приведенными вторичным напряжением и вторичным током.

Зависимость приведенного вторичного напряжения U´2 от приведенного вторичного тока І´2 называется нагрузочной (внешней) характеристикой трансформатора (рис. 26). Из характеристики видно, что активно-индуктивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением коэффициента мощности вторичной обмотки cos f2 в цепи нагрузки). В силовых и выпрямительных трансформаторах изменение напряжения при номинальном токе обычно составляет (2÷6)% (в зависимости от cos f2 ).

Рис. 26. Нагрузочные (внешние) характеристики (а) и график зависимости КПД трансформатора от нагрузки (б).

2.2.4. Режим короткого замыкания

Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко(Zн = 0), при этом вторичное напряжение равно нулю U2 = 0.

В паспорте трансформатора указывают не изменение напряжения, которое различно для разных cos f2, а результирующее падение напряжения в его обмотках при номинальном нагрузочном токе. Это падение напряжения называют напряжением короткого замыкания (к. з.), и его можно определить опытным путём, если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой пониженным напряжением Uк (опыт короткого замыкания). В этом случае напряжение Uк будет равно такому напряжению U1, при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи І1н и І2н.Напряжение к. з. является весьма важным эксплуатационным показателем, его выражают в процентах от U1н:

Uк% = (Uк/U1н)×100.

Для трансформаторов средней мощности Uк = (5÷7)%, для мощных трансформаторов Uк = (6÷12)%. Зависимость тока к. з. Ік, мощности к. з. Рк и коэффициента мощности cos fк от напряжения к. з. Uк называются характеристиками короткого замыкания (рис. 27).

Она показывает, что увеличение Uк приводит к резкому увеличению Ік и если к. з. происходит в процессе эксплуатации при номинальном напряжении, то в обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальные в 10-20 раз, при этом резко повышается температура обмоток (аварийный режим) и требуется специальная защита, быстро отключающая трансформатор

Рис. 27. Схема опыта к. з. (а) и характеристики к. з. (б) трансформатора.

2.2.5. Потери и кпд трансформатора

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:

1). Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Рэ1 и во вторичной обмотке Рэ2:

Рэ = Рэ1+Рэ2.

Электрические потери называют переменными, т. к. их величина зависит от нагрузки трансформатора. При номинальном токе для мощных трансформаторов они обычно составляют (0,5÷2)% номинальной мощности. Уменьшение электрических потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформатора (снижение электрических потерь в проводах).

2). Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь - систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Рм равна сумме потерь от гистерезиса Рг и от вихревых токов Рв. т.

Рм = Рг+Рв. т.

Магнитные потери для мощных трансформаторов составляют (0,3÷0,5)% номинальной мощности. С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготовляют из электротехнической стали (снижение потерь от перемагничивания) и делают его шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон (снижение потерь от вихревых токов).

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):

Ƞ = Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ+Рм).

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нём по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высок и достигает в трансформаторах большой мощности (0,98÷0,99). В трансформаторах малой мощности КПД достигает (0,5÷0,7). Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери Рэ равны магнитным потерям Рм. При проектировании трансформаторов стремятся, чтобы максимальное значение КПД достигалось при нагрузке (50÷75)% номинальной; это соответствует наиболее вероятной средней нагрузке работающего трансформатора, называемой экономической.