43)От каких факторов зависит вид внешних характеристик трансформатора? Почему?

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U₂ = f(I₂) при U₁ = const и cos φ₂ = const называется внешней характеристикой. Из уравнения (8.15) для упрощенной схемы замещения трансформатора следует, что с изменением тока во вторичной обмотке (тока нагрузки I₂) напряжение на вторичной обмотке изменяется. Значение напряжения на вторичной обмотке определяется не падением напряжения, а потерей напряжения в обмотках. Потеря напряжения есть арифметическая разность между первичным и приведенным вторичным напряжением:

ΔU'₂ = U₁ - U'₂.

При отсутствии нагрузки (I₂ = 0) напряжение на вторичной обмотке U'₂ = U'₂₀ = U₁, а поскольку напряжение U₁ не зависит от нагрузки, то ΔU'₂ есть изменение напряжения U'₂ по сравнению с его значением при холостом ходе U'₂₀, или

ΔU'₂ = U'₂₀ - U'₂;    ΔU₂ = U₂₀ - U₂,

откуда

U₂ = U₂₀ - ΔU₂.

Потеря напряжения определяется из векторной диаграммы упрощенной   схемы   замещения   трансформатора   (рис.   8.14):

ΔU'₂ - U₁ - U'₂ = OB' -ОА ≈ ОВ -ОА = АВ;

ΔU'₂ =I₁r_к cos φ₂ + I₁x_к sin φ₂ = I₁(r_к cos φ₂ + x_к sin φ₂);

(8.16)

ΔU₂ = ΔU'₂/n.

Рис   8.14    Векторная  диаграмма  (а)  упрощенной  схемы   замещения (б) трансформатора

Рис 8.15 Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощности

Рис. 8.16 Внешние характеристики трансформатора малой мощности

На рис. 8.15 изображены внешние характеристики трансформатора при различных значениях коэффициента мощности потребителей. Изменение напряжения U₂ во многом зависит, как это видно из выражения (8.16), не только от значений z_к, cos φ₂, но и от соотношения значений r_к их_к. Изображенные внешние характеристики (рис. 8.15) справедливы для трансформаторов средней и большой мощности, у которых z_к мало и х_к > r_к . У трансформаторов малой мощностиz_к относительно велико и r_к > х_к . Поэтому изменение напряжения у них более значительное и взаимное расположение внешних характеристик при различных значениях коэффициента мощности потребителей существенно отличается от трансформаторов большой мощности. Примерные внешние характеристики трансформаторов малой мощности при различных значениях cos φ₂ изображены на рис. 8.16.

44) Поясните работу автотрансформатора. Как происходит передача энергии из первичной сети во вторичную?

А́втотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам ω1 обмоткиавтотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки ω2.

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток,индуктирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков ω1, индуктируется электродвижущая сила E1, то в части этой обмотки, имеющей число витков ω2, индуктируется электродвижущая сила E2. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: E1E2=ω1ω2=k, где k — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства U1=E1 и U2=E2,

где U1 — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков ω1;

U2 — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков ω2.

Следовательно, U1U2=ω1ω2=k.

Напряжение U1, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам ω1 обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения U2, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков ω2, во сколько раз число витков ω1 больше числа витков ω2.

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения U2 в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как I2.

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как I1.

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков (ω1−ω2) будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков ω2. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток I1, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов I1 и I2. Дело в том, что согласно правилу Ленца индуктированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора ω2 направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи I1 и I2 в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи I1 и I2, как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением I1I2=ω2ω1=1k

или I2=ω1ω2×I1.

Так как в понижающем трансформаторе ω1>ω2, то I2>I1 и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен I2−I1.

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть I2−I1≪I2.

Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев её проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора ω2, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков ω1.

45) Почему cosf0 в режиме хх трансформатора значительно меньше чем в номинальном режиме? Объясните зависимость cosf0=f(U1).

Значение cosf0 с увеличением подводимого напряжения уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом насыщения стали значительно возрастает реактивная составляющая тока холостого хода:

46) Как и по какой причине при увеличении тока во вторичной обмотке изменится поток взаимоиндукции, поток рассеяния, индуктивные э.д.с.?

При включении во вторичную цепь какой-либо нагрузки (рабочий ход трансформатора) в ней начинает проходить ток нагрузки I₂ (переменный, такой же частоты). Ток I₂ создает в сердечнике магнитный поток, направленный по правилу Ленца навстречу потоку первичной обмотки. В результате суммарный поток магнитной индукции в первичной катушке уменьшается, уменьшается и ЭДС  ε1, а следовательно, сила тока увеличивается. Увеличение тока в первичной цепи приводит к увеличению магнитного потока, ЭДС индукции и силы тока во вторичной цепи. Но увеличение тока во вторичной цепи сопровождается увеличением тока самоиндукции и, следовательно, уменьшением магнитного потока (который только что возрастал). В конце концов при постоянной нагрузке устанавливаются определенные магнитный поток, ЭДС индукции во вторичной цепи, ток I₁ в первичной цепи (I₁ > I_x). Таким образом, увеличение тока I₂ во вторичной цепи автоматически приводит к увеличению тока I₁ в первичной цепи, т.е. трансформатор автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.