Вопрос 4. Внешняя характеристика трансформатора.

Характеристиками трансформатора наряду с характеристиками холостого хода и короткого замыкания являются внешние характеристики и зависимость КПД от нагрузки.

Внешней характеристикой транс­форматора называется зависимость напряжения на вторичной обмотке от нагрузки U₂= f(I₂) или U₂=f(β), где Р=I₂/I_2ном при различных значениях cosφ₂ и неизменных первичном напря­жении и частоте сети (рис. 2.56).

B силовых трансформаторах ток холостого хода невелик, поэтому при определении изменения вторичного напряжения пользуются упрощенной схе­мой замещения трансформатора, считая, что его внутреннее сопротивление определяется сопротивлением коротко- го замыкания z_K=r_K+jxк. следует обратиться к упрощенной схе­ме замещения (рис. 2.57,a) и векторной диаграмме (рис. 2.57,6).

 

Чтобы определить Δu%, проведем некоторые простые перестроения и часть векторной диаграммы рис. 2,57,6 изобразим в увеличенном масштабе (рис. 2.58). Из рис. 2.58

 

Треугольник ACB на векторной диаграмме — треугольник короткого замыкания. Его катет BC характеризует реактивную составляющую напряжения короткого замыкания u_р,_х, а катет AB — активную составляющую u_а,к.

Обычно в (2.87) пренебрегают вторым членом и определяют процентное изменение вторичного напряжения от коэффициента нагрузки p или от отношения текущего значения мощности к номинальной P₂/P_2ном, по формуле 

Как следует из (2.88), Ди опреде­ляется значением p и характером нагрузки (Cos φ₂), а также напряжением короткого замыкания — его активной u_а,к и реактивной и_р,_к составляющими. При активно-емкостной нагрузке из-за увеличения реактивной мощности при увеличении тока I₂ напряжение на вторичной обмотке растет. Из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении z_к напряжение U₂ падает при активной и активно-индуктивной нагрузках.

Ha рис. 2.59 представлена зависимость Δu от Cosφ₂ при неизменном то­ке нагрузки, равном I_ном. Для создания поля в трансформаторе необходи­ма реактивная мощность. Эта мощ­ность по упрощенной схеме замещения определяется реактивным сопротивле­нием рассеяния трансформатора х_к. При активно-емкостной нагрузке реак­тивная мощность для создания поля трансформатора может забираться от нагрузки. При увеличении емкости в нагрузке реактивная мощность расхо­дуется на создание поля в трансформаторе и избыток ее отдается в первич­ную сеть. При этом растет ЭДС E₁=Е'₂, что приводит к перевозбуждению трансформатора, т. е. к возрастанию потока и увеличению напряжения и.

Коэффициент полезного действия трансформатора показывает соотношение между мощностью, которая пере­дается из первичной обмотки во вторичную и обратно, и мощностью, которая преобразуется в тепло. Коэффициент полезного действия определяется по формуле

   

где Рх.ном — потери холостого хода при номинальном напряжении и частоте; Рк.ном — потери короткого замыкания при номинальном токе.

Потери короткого замыкания со­стоят из основных потерь в металле об­моток (потерь в меди), потерь в токоведущих частях (отводах), а также из добавочных потерь, вызванных полем рассеяния в металле обмоток и ферромагнитных частях конструкции транс­форматора — стенках бака, прессующих болтах и других конструктивных частях трансформатора. Эти добавочные потери в сумме могут дости­гать у трансформаторов мощностью 100000 кВ-А и более 20—25 % полных потерь короткого замыкания.

Зависимость КПД от нагрузки представлена на рис. 2.60. Как видно из зависимости η=f(β), эта кривая имеет максимум, который можно определить, приравняв dη/dβ нулю.

Коэффициент полезного действия имеет максимум, когда потери холостого хода равны потерям в меди:

Рх,ном=β²Рк.ном, т-е. при равенстве постоянных потерь P_x,ном. не зависящих от нагрузки, — переменным потерям — потерям в меди в трансформаторе β²Рк.ном.

Из равенства потерь холостого хо­да (потерь в стали) и потерь в меди следует, что 

При проектировании трансформато­ров можно изменять соотношение между потерями в меди и стали, т. е. соотношение между массами меди и стали.

Силовые масляные трансформаторы рассчитываются таким образом, чтобы

Поэтому КПД имеет максимум при нагрузке 0,5—0,7. номинальной (рис. 2.60). Таким образом, выбор максиму­ма в кривой КПД зависит от расчетчика. Обычно трансформаторы в энерго­системе работают с некоторой недогрузкой— в области максимального значения КПД.

 

 

Чтобы сдвинуть максимум КПД в область номинальной нагрузки или иметь максимум КПД при перегрузках, надо заложить больше меди в его обмотки, т. е. уменьшить плотность тока в обмотках. Такой трансформатор, естественно, будет более дорогим.

При передаче реактивной мощности — уменьшении cos ф₂ — уменьшается КПД (рис. 2.60), что следует из (2.91).

Как правило, трансформаторы неравномерно загружены в течение суток и в течение года, так как потребление электрической энергии значительно изменяется вечером и ночью, а также в летнее время и в период осенне-зимнего максимума. Поэтому для оценки использования трансформаторов в энергосистемах иногда говорят о годовом КПД, который определяется отношением отданной во вторичную сеть энер­гии в течение года к энергии, полученной из сети.