10.3.4. Внешняя характеристика трансформатора
Внешняя (вольт-амперная) характеристика трансформатора – это зависимость напряжения U2 на выходе трансформатора от тока вторичной обмотки I2 при постоянном напряжении на входе (U1 = const) и постоянном коэффициенте мощности нагрузки (cos нагр = const).
У реального трансформатора при обычной активно-индуктив-ной нагрузке напряжение U2 уменьшается с ростом тока I2 за счет имеющихся ЭДС рассеяния и падений напряжения на активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток. Однако для различного характера нагрузки ( > 0; < 0; = 0) падение напряжения на вторичной обмотке может быть различным.
Внешняя характеристика трансформатора представлена на рис. 80, а. На рис. 80, б представлена внешняя характеристика трансформатора для различного характера нагрузки 1 – для активной нагрузки ( = 0); 2 – для активно-индуктивной нагрузки (2 < 0); 3 – для активно-емкостной нагрузки (2 > 0).
Для обычных трансформаторов коэффициент загрузки К3 берется от 0 до 1,3, т. е. перегружать трансформатор более, чем на 30 не допускается.
.
Потери напряжения в трансформаторе U2 зависят как от величины нагрузки (I2) и ее характера (2), так и от сопротивлений обмоток трансформатора Rк и xк.
Потери напряжения удобнее определять в относительных единицах
,
где
и
активная и реактивная составляющие
напряжения короткого замыкания
трансформатора.
10. 3. 5. Коэффициент полезного действия трансформатора
Коэффициент полезного действия трансформатора – это отношение мощности, потребляемой приемником, к мощности, подводимой к трансформатору от источника электроэнергии
где P1 = U1I1 cos 1 – подводимая к трансформатору мощность; P2 = U2 I2 cos 2 – отдаваемая трансформатором мощность.
Обычно потери мощности в трансформаторе P1 – P2 = P составляют 1–5 % от номинальной мощности. Эти потери разделяются на два вида:
– потери в стали сердечника;
– потери в меди обмоток, затраченные на нагрев.
Потери в стали сердечника постоянны для данного типа трансформатора и не зависят от нагрузки. Они зависят от материала (частоты перемагничивания), формы и конструкции сердечника (величины вихревых токов). Для уменьшения потерь в стали сердечник делается шихтованным. У большинства трансформаторов Pст менее 1 % от номинальной мощности. Эти потери определяются в опыте холостого хода, и в паспорте трансформатора указывают их номинальное значение.
Потери в меди обмоток растут с увеличением тока нагрузки, они пропорциональны квадрату тока в обмотках, определяются в опыте короткого замыкания и также указываются в паспорте трансформатора.
Если учесть коэффициент загрузки трансформатора кз, то коэффициент полезного действия выражается следующей формулой
В отличие от других приемников трансформаторы нормируются не по активной, а по полной мощности (Sн = U1н I1н), так как размеры трансформатора при данной частоте определяются в основном номинальным напряжением и номинальным током.
Номинальный ток определяет сечение проводов обмоток, а от номинального напряжения зависит величина магнитного потока в сердечнике, следовательно, и размеры магнитопровода.
Кривая КПД трансформатора представлена на рис. 81, а, б.
Падение КПД трансформатора при нагрузке, большей, чем 0,7–0,8P2ном объясняется значительным увеличением потерь в меди обмоток, а максимум КПД трансформатора получается при равенстве потерь в меди обмоток и в стали сердечника трансформатора.
Из зависимости = f (кз) (рис. 81, б) видно, что КПД трансформатора мало меняется при 0,2 < кз < 1. У трансформаторов большой мощности КПД достигает 98–99 %.
При проектировании трансформатора приходится учитывать, что трансформатор значительную часть времени может быть не полностью загружен. Поэтому трансформаторы обычно рассчитывают так, чтобы максимум КПД соответствовал нагрузке 0,7P2ном.