10.5 Работа трансформатора под нагрузкой

Нагрузочным режимом трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута на какое-либо сопротивление (рис. 9).

а)

б)

Рис. 10.3 – Трансформатор однофазный: а) функциональная схема; б) принципиальная схема

При этом по второму закону Кирхгофа напряжение на первичной катушке имеет три слагаемых: падение напряжения, напряжение, уравновешивающее трансформаторную ЭДС, напряжение, уравновешивающее ЭДС рассеяния.

. (5)

При нагрузочном режиме во вторичной обмотке будет проходить ток I₂, который создает свой магнитный поток Ф₂, направленный навстречу Ф₁.

Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС E1 и E2 уменьшаются. Действующее значение напряжения U₁ остается неизменным. Уменьшение E₁, согласно (5), вызывает увеличение тока I₁.

При увеличении тока I₁ поток Ф₁ увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока Ф₂. Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.

В нагруженном трансформаторе, кроме основного магнитного потока, имеются потоки рассеяния Ф_1S и Ф_2S, замыкающиеся частично по воздуху. Эти потоки индуктируют в первичной и вторичной обмотках ЭДС рассеяния.

, ,

где X_1S и X_2S – индуктивное сопротивление рассеяния обмоток.

Для первичной обмотки справедливо уравнение (5).

Для вторичной обмотки

, (6)

где R₂ – активное сопротивление вторичной обмотки;

Z_Н – сопротивление нагрузки.

Основной магнитный поток трансформатора есть результат совместного действия магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток.

.

Трансформаторная ЭДС E₁, пропорциональная основному магнитному потоку, приблизительно равна напряжению на первичной катушке U₁. Действующее значение напряжения U₁ постоянно. Поэтому основной магнитный поток трансформатора остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки от нуля до бесконечности.

Если Ф_m = const, то и сумма магнитодвижущих сил трансформатора

, (7)

где I₁W₁ = F₁ – магнитодвижущая сила первичной обмотки при нагрузке;

I₂W₂ = F₂ – магнитодвижущая сила вторичной обмотки при нагрузке;

I_1XW₁ = F_1X – магнитодвижущая сила первичной обмотки при холостом ходе (I_1X – ток холостого хода первичной обмотки).

Уравнение (7) называется уравнением равновесия магнитодвижущих сил. Уравнения (5), (6), (7) называются основными уравнениями трансформатора.

Поделив правую и левую части равенства (7) на W₁ и выразив ток I₁ получим

.

Обычно в трансформаторах большой и средней мощности ток I_1Х составляет несколько процентов от номинального значения тока I_ном. Поэтому при нагрузках, близких к номинальным, можно считать, что

,

откуда следует, что наличие тока I₂ во вторичной обмотке трансформатора вызывает автоматически увеличение тока I₁, в первичной обмотке.

10.6 Внешняя характеристика трансформатора

Зависимость U₂ = f(I₂) или U₂ = f(β) называют внешней характеристикой трансформатора. Коэффициент β называется коэффициентом загрузки трансформатора

,

где I₂ – ток вторичной обмотки трансформатора;

I_2H – номинальный ток вторичной обмотки.

Графически эта зависимость представлена на рис 1.3.

Рис. (1.3) 10.4 – Внешняя характеристика трансформатора

При колебаниях нагрузки от I₂ = 0 до I₂ = I_2H напряжение на выходе трансформатора изменяется лишь на несколько процентов

,

где ΔU – изменение напряжения на вторичной обмотке, которое определяется величиной и характером нагрузки;

U₂₀ – напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода;

U₂ – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме нагрузки.

Отклонение напряжения на приёмнике энергии от номинального неблагоприятно отражается на его работе. Стандартами допускается отклонение напряжения от номинального на ± 5%.

Паспортные данные трансформатора определяют его номинальный режим работы, позволяют рассчитывать характеристики, анализировать режимы его работы. В таблице 1 приведён перечень параметров трансформатора, составляющих его паспортные данные

Таблица 1 – Паспортные данные трансформатора

№ пп	Наименование	Обозначение	Ед.изм.
1	Номинальная мощность	SНОМ	кВА
2	Номинальное первичное напряжение	U1НОМ	кВ
3	Номинальное вторичное напряжение	U2НОМ	кВ
4	Мощность холостого хода	Р0	кВт
5	Ток холостого хода	i0	%
6	Мощность короткого замыкания	PK	кВт
7	Напряжение короткого замыкания	uK	%

Номинальная мощность трансформатора S_НОМ – электрическая полная мощность, определяемая произведением величин номинального первичного напряжения и номинального первичного тока, или произведением номинального вторичного напряжения и номинального вторичного тока:

.

Номинальное первичное напряжение U_1НОМ – напряжение источника, к которому подключается трансформатор.

Номинальное вторичное напряжение U_2НОМ – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода при номинальном первичном напряжении.

Соотношение номинальных первичного и вторичного напряжений определяет коэффициент трансформации:

.

Мощность холостого хода P₀ – активная мощность, потребляемая трансформатором от источника в режиме холостого хода.

Ток холостого хода i₀ – первичный ток трансформатора в режиме холостого хода, выраженный в процентах по отношению к номинальному первичному току.

Напряжение короткого замыкания u_K – напряжение на первичной обмотке трансформатора в опыте короткого замыкания, выраженное в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению.

Мощность короткого замыкания P_K – активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания.

паспортные данные трансформатора определяются при его проектировании и разработке, уточняются при контрольных испытаниях и указываются в техническом паспорте трансформатора. Для типовых трансформаторов серийного производства паспортные данные указываются в каталогах оборудования.