Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

2.6. Изменение вторичного напряжения трансформатора от величины и характера нагрузки

При холостом ходе трансформатора на зажимах вторичной обмотки номинальное напряжение равно U 20 . При увеличении его на-

грузки, т.е. тока I 2 , вторичное напряжение U 2 , по сравнению с напряжением U 20 , начинает снижаться из-за падения напряжения в

трансформаторе. Изменение напряжения при переходе от холостого хода к нагрузке можно выразить в процентах от напряжения U 20 , т.е.

ние на вторичной обмотке при номинальном вторичном токе.

Если использовать приведенные значения величин, то

U 20 U1 / k

Подставляя U 2 , и U 20 в (2.40), получим изменение напряжения в процентах номинального первичного напряжения.

Рис. 2.12. Упрощенная схема замещения (а)

53

и векторная диаграмма (б) трансформатора при нагрузке и пренебрежении током холостого хода

пренебрежении током холостого хода. На основании упрощенной схемы построим векторную диаграмму, рис. 2.12, б.

Изменение напряжения U U1 U 2 определится отрезком вг. Опустим перпендикуляр из точки в на продолжение вектора U 2 . Тогда изменение напряжения приближенно будет равно

U I1 rk cos 2 I1 xk sin 2 I1 (rk cos 2 xk sin 2 ) (2.42)

или, согласно (2.41),

Введем в уравнение активное и индуктивное падения напряжения короткого замыкания, согласно (2.37) и (2.38). Тогда выражение (2.43) запишется

Выражение (2.44) справедливо как для активно-индуктивной, так и для активно-емкостной нагрузки. Для активно-емкостной нагрузки необходимо в формуле (2.44) поменять знак « + » на знак «-».

Если ввести коэффициент нагрузки

Рис. 2.13. Внешние характеристики трансформатора:

Зависимость U 2 от тока I 2 при постоянном первичном напряжении U1 и угле нагрузки 2 называется внешней характеристикой трансформатора.

На рис. 2.13 изображены внешние характеристики трансформатора при различном характере нагрузки. При активной и активноиндуктивной нагрузке с увеличением тока I 2 вторичное напряжение снижается, а при активно-емкостной нагрузке – увеличивается.

Пример 7. Трансформатор имеет следующие данные: первичное напряжение U1 =5000 В, вторичное напряжение U 2 = 400 В, первичный ток I1 = 20 А, напряжение короткого замыкания uk % = 7,95,

2.7. Коэффициент полезного действия трансформатора

Под коэффициентом полезного действия понимается отноше-

ние отдаваемой трансформатором с вторичной обмотки активной

55

мощности P2 к потребляемой первичной обмоткой активной мощно-

сти P1 , т.е.

Величина в мощных трансформаторах достигает 0,96 – 0,99, в трансформаторах малой мощности 0,6 – 0,75. Эти высокие значения не позволяют непосредственно использовать выражение (2.47) изза возможных ошибок. Поэтому определение производят косвенным методом, пользуясь формулой

терь в магнитопроводе Pc , потерь в меди первичной и вторичной об-

моток P м .

Потери в магнитопроводе в крупных трансформаторах можно принять равными потерям холостого хода, а потери в меди – потерям короткого замыкания.

Как отмечалось выше, потери в магнитопроводе не зависят от тока нагрузки, потери в обмотках трансформатора пропорциональны квадрату этого тока и, следовательно, являются переменными.

производную нулю. Проделав эту операцию, получим

Pc

max Pkн

Зависимость КПД от тока нагрузки показана на рис. 2.14. Максимальное значение коэффициента полезного действия

трансформатора получается при нагрузках, соответствующих

= 0,5 – 0,8.

Пример 8. Трансформатор мощностью Sн = 630 кВА имеет потери холостого хода 1420 Вт, потери короткого замыкания 7600 Вт, коэффициент мощности активно-индуктивной нагрузки cos 2 = 0,8. Определить максимальное значение КПД.

Решение:

Максимальный коэффициент нагрузки

Из (2.49) вытекает, что если трансформатор эксплуатируется с изменяющейся нагрузкой, то коэффициент полезного действия будет также изменяться. Для оценки экономичности эксплуатации с изменяющейся нагрузкой правильный результат дает учет энергии потерь за определенный период времени, например за год. В этом случае коэффициент полезного действия можно определить как отношение отдаваемой электрической энергии к потребляемой.

Вопросы для самоконтроля

1.Объясните, почему КПД при постоянном коэффициенте мощности имеет максимальное значение?

2.Почему трансформаторы изготовляются с различными отношениями потерь холостого хода и короткого замыкания?

3.Дайте пояснение, зачем в трансформаторах вводится коэффициент нагрузки?

57

2.8. Автотрансформаторы

Под автотрансформатором понимается трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого гальванически соединены и представляют одну обмотку, имеющую несколько выводов для подключения к источнику переменного тока и нагрузке.

Автотрансформаторы небольшой мощности применяются в стабилизаторах, бытовой технике; для электропитания приборов, аппаратуры и устройств с нестандартным питающим напряжением.

Автотрансформаторы мощностью несколько десятков и сотен киловольт-ампер предназначаются для питания технологических установок, требующих плавного регулирования и стабилизации напряжения.

В установках высокого напряжения используются мощные автотрансформаторы. Они предназначаются для соединения электрических сетей с близкими значениями напряжений.

Автотрансформаторы могут служить как для понижения напряжения, рис. 2.15, а, так и для повышения напряжения, рис. 2.15, б. Они выполняются с небольшими коэффициентами трансформации, экономичнее в работе и имеют меньшую массу по сравнению с трансформаторами такой же мощности.

Рассмотрим понижающий автотрансформатор. На рис. 2.15, а стрелками обозначены выбранные положительные направления напряжений и токов. Общее число витков в обмотке А-Х обозначим через W1 , а в обмотке а-х – через W2 . ЭДС в обмотке А-Х обозначим через E1 , а в обмотке а –х – E2 .

58

Рис. 2.15. Схемы однофазных автотрансформаторов: а–понижающего,б–повышающего

Коэффициент трансформации автотрансформатора, как и коэффициент трансформации трансформатора, равен

rП , r2 , xП , x2 – активные и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток.

Пренебрегая током холостого хода, из уравнения (2.49, а) следует:

I2 I1W1 /W2 .

В понижающем автотрансформаторе I2 I1 Подставляя I 2 в (2.49, б) получим ток в общей части а-х

Iax I1 (1 W1 /W2 ) I1 (1 ka )

Умножим обе части полученного уравнения на число витков W2

59