§66. Мощность, к. П. Д. И коэффициент мощности трансформатора

Номинальная мощность. Номинальной мощностью трансформатора называется мощность, которую он может отдавать длительное время, не перегреваясь свыше допустимой температуры, определяемой теплостойкостью изоляции его обмоток. При этом срок службы силового трансформатора должен быть не менее 20 лет. Так как нагрев обмоток зависит от протекающего по ним тока, в паспорте трансформатора всегда указывают полную мощность S_ном в вольт-амперах или киловольт-амперах. В зависимости от коэффициента мощности cos?₂, при котором работают потребители, от трансформатора можно получить большую или меньшую активную мощность. При cos?₂= 1 мощность подключенных к нему потребителей может быть равна его номинальной мощности S_ном. При cos?2 < 1 мощность потребителей не должна превышать величины S_ном cos?₂.

В паспорте трансформаторов э. п. с. переменного тока, которые имеют несколько вторичных обмоток, указывают так называемую типовую мощность. Она равна полусумме номинальных мощностей всех обмоток трансформатора, т. е. полусумме произведений наибольшего длительно допустимого в каждой обмотке тока на допустимое напряжение.

Перегрузочная способность трансформатора определяется интенсивностью отвода тепла от его обмоток и надежностью их крепления. Силовые трансформаторы с масляным охлаждением и трансформаторы, используемые в выпрямительных установках, допускают перегрузки на 30 % выше номинальной в течение 2 ч и 60 % в течение 45 мин.

Коэффициент мощности. Коэффициент мощности cos?₂ трансформатора определяется характером нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. При уменьшении нагрузки начинает сильно сказываться индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, и коэффициент мощности его снижается. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе) трансформатор имеет очень низкий коэффициент мощности, что оказывает вредное влияние на работу источников переменного тока и электрических сетей (см. главу V). В этом случае трансформатор необходимо отключить от сети переменного тока.

Потери мощности и к. п. д. При передаче энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную возникают потери мощности (рис. 225,а) в проводах обмоток (электрические потери ?Р_эл1 и ?Р_эл2) и в стали магнитопровода (магнитные потери ?Р_М). При холостом ходе трансформатор не передает электрическую энергию потребителю и потребляемая им мощность тратится в основном на компенсацию магнитных потерь мощности в магни-топроводе (в результате вихревых токов и гистерезиса). Их часто называют потерями холостого хода. Чем меньше площадь поперечного сечения магнитопровода, тем больше в нем индукция, а сле-

Рис. 225. Диаграмма энергетического баланса в трансформаторе (о) и зависимость его к.п.д. от нагрузки (б)

довательно, и магнитные потери. Они значительно возрастают также при увеличении напряжения, подводимого к первичной обмотке, свыше номинального значения. При работе мощных трансформаторов магнитные потери составляют 0,3—0,5 % номинальной мощности. Тем не менее их стремятся максимально уменьшить. Объясняется это тем, что магнитные потери не зависят от того, работает трансформатор вхолостую или под нагрузкой. А так как общее время работы трансформатора обычно довольно велико, то суммарные годовые потери холостого хода значительны.

При нагрузке к потерям холостого хода добавляются электрические потери в обмотках. Эти потери при номинальном токе численно равны мощности, потребляемой трансформатором при коротком замыкании, когда на его первичную обмотку подано напряжение U_K. Для мощных трансформаторов они обычно составляют 0,5—2 % номинальной мощности.

Уменьшение суммарных потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформаторов (снижение электрических потерь в проводах), применением электротехнической стали для изготовления магнитопровода (снижение потерь от перемагничивания) и расслоением магнитопровода на ряд изолированных друг от друга листов (снижение потерь от вихревых токов).

К. п. д. трансформатора

? = P2 / P1 = P2 / (P2 +?Pэл + ?Pм)

где P1 и Р2 — потребляемая и отдаваемая мощности; ?Р_ЭЛ = ?Р_ЭЛ1+?Р_ЭЛ2.

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нем по сравнению с вращающимися машинами малы, а к. п. д. высок и достигает в трансформаторах большой мощности 0,98—0,99. В трансформаторах малой мощности к. п. д. составляет 0,5—0,7. При изменении нагрузки к. п. д. трансформатора изменяется, так как меняются полезная мощность Р₂ и электрические потери ?Р_ЭЛ в проводниках обмоток. Однако он сохраняет большое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (рис. 225,б). При значительных недогрузках к. п. д. понижается, так как полезная мощность уменьшается, а магнитные потери ?Р_м остаются неизменными. При перегрузках к. п. д. также снижается, так как резко возрастают электрические потери ?Р_ЭЛ (они пропорциональны квадрату тока нагрузки, в то время как полезная мощность — только току в первой степени).

Максимальное значение к. п. д. трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери ?Р_ЭЛ равны магнитным потерям ?Р_м (см. рис. 225,б). При проектировании трансформаторов стремятся, чтобы максимальное значение к. п. д. достигалось при нагрузке 50—75 % номинальной; это соответствует наиболее вероятной средней нагрузке работающего трансформатора, называемой экономической.