2.7. Внешняя характеристика трансформатора

В нешней характеристикой трансформатора (рис. 2.11) называется зависимость , полу­ченная при постоянном и номинальном напряжении сети , частоте напряжения сети , а также при неиз­менном характере нагрузки . Внешняя характеристика позволяет оценить работу трансформатора на известные виды нагрузки, определяет изменение напряжения на вторичной обмотке, а, как следствие, и у потребителей. Изменение напряжения трансформатора представляет арифметическую раз­ность между вторичным напряжением в режиме холо­стого хода , которое численно равно его эдс, и вторичным напряжением при номинальной нагрузке . На рис. 2.12 проиллюстрировано определение величины изменения напряжения трансформатора при работе на активно-индуктивную нагрузку. Следует считать, что при номинальной нагрузке трансформатора его вторичное напряжение имеет номинальное значение . Изменение напряжения трансформатора часто выражается в процентах:

. (2.67)

Изменение напряжения трансформатора можно также определить, зная составляющие напряжения короткого замыкания. При номинальной нагрузке трансформатора и номинальном первичном напряжении величина равна:

. (2.68)

При нагрузке трансформатора, которая отличается от номинальной , и номинальном первичном напряжении :

, (2.69)

где - коэффициент нагрузки трансформатора.

З ависимости (2.68) и (2.69) можно получить из векторной диаграммы трансформатора, которая строится на основе упрощенной схемы замещения, представленной на рис. 2.9,в. Чем мощнее трансформатор, тем меньше значение . Внешняя характеристика трансформатора также может быть представлена зависимостью [1].

2.8. Энергетические диаграммы, потери и кпд трансформатора

Энергетические диаграммы трансформатора с числом фаз представлены на рис. 2.13. Преобразование активной энергии в указанном направлении включает в следующие составляющие [1]:

- активная мощность, потребляемая из сети ;

- активные потери в первичной обмотке ;

- активные потери в стали магнитопровода ;

- активные потери во вторичной обмотке ;

- электромагнитная мощность , передаваемая во вторичную обмотку;

- полезная мощность трансформатора .

Электромагнитная мощность определяется выражением:

. (2.70)

Полезная мощность , передаваемая в на­грузку, запишется в виде:

. (2.71)

Преобразование реактивной энергии в указанном направлении включает в себя следующие составляющие:

- реактивная мощ­ность, потребляемая из сети ;

- потери рассеяния в первич­ной обмотке ;

- реактивные потери в стали магнитопровода ;

- потери рассеяния во вторичной обмотке ;

- реактивная мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку .

Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические, преимущественно в обмотках, и магнитные, в стали магнитопровода. Магнитные потери можно считать постоянными во всем диапазоне нагрузок и равными потерям холостого хода при U₁=const=U_1Н. Электрические потери являются переменными. В общем случае они равны . Суммарные потери определяются выражением

. (2.53)

Полезная мощность трансформатора и его кпд находятся:

; (2.54)

. (2.55)

П рактический интерес представляет нахождение нагрузки трансформатора, при которой достигается максимальное значение его кпд . Для этого следует взя­ть производную от (2.55) по коэффициенту нагрузки трансформатора и приравнять ее к нулю. Кпд достигает максимума при равенстве электрических и магнит­ных потерь:

(2.56)

Зависимость (2.56) позволяет по паспортным данным определить коэффициент нагрузки трансформатора:

. (2.57)

Кпд трансформатора достигает максимальной величины при 0,45…0,7. Значение можно получить путем подстановки (2.57) в (2.55). То есть

. (2.58)

В современных силовых масляных трансформаторах кпд достигает 99%, а в маломощных 40–50%. Для оценки экономич­ности используется понятие годового кпд трансформаторов, равного отношению энергии, отданной трансформатором во вторичную цепь за год, к энергии, полученной трансформатором за тот же период из пер­вичной сети. На рис. 2.15 представлены зависимости кпд от коэффициента нагрузки трансфор­матора при различных значениях коэффициентов мощности [4].