14. Внешние характеристики трансформатора
Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на выводах трансформатора от тока, протекающего через нагрузку, подключенную к этим выводам, т.е. зависимость U2=f(I2) при U1=const. При изменении нагрузки (тока I2) вторичное напряжение трансформатора изменяется. Это объясняется изменением падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки I2'z2 и изменением ЭДС E2'=E1 за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки.
Причем, поскольку уравнения векторные, U2 зависит как от значения нагрузки, так и ее характера: активного, индуктивного или емкостного. Значение нагрузки в трансформаторах определяют коэффициентом нагрузки:
Kн=I2/I2ном ≈ I1/I1ном,
характер нагрузки – углом 2 сдвига по фазе вторичных напряжения и тока.
Точный расчет внешней характеристики можно выполнить по схеме замещения, изменяя zн и определяя U2 и I2. Однако на практике часто пользуются формулой
U2= U20(1 - Δu/100),
где U20 - вторичное напряжение при холостом ходе; U2 -вторичное напряжение при данной нагрузке; a Δu - изменение вторичного напряжения, т.е. арифметическая разность между напряжением х.х. и напряжением при данной нагрузке в процентах от напряжения х.х.
Значение Δu рассчитывают по упрощенному выражению, которое можно получить из схемы замещения трансформатора при определенных допущениях:
Δu=Kн(uкаcosφ2 + uкрsinφ2)
Входящие в выражение величины uка и uкр - это активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания (к.з.) uк. Напряжение uк определяется как отношение напряжения Uк, при котором проводится опыт к.з., к номинальному напряжению U1ном в процентах. В опыте к.з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (zн=0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение Uк, при котором по обмоткам токи протекают номинальные. В опыте к.з. напряжение питания уравновешивается в основном падением напряжения в обмотках, и величину Uк можно рассматривать как эквивалентное падение напряжения в обмотках при номинальном токе нагрузки. В силовых трансформаторах и трансформаторах питания малой мощности значение uк составляет 5-15%, причем большие значения относятся к трансформаторам меньшей мощности. Конкретные значения uк приводятся в соответствующих каталогах. Значения uка и uкр либо определяются экспериментально в опыте к.з., либо рассчитываются через параметры схемы замещения.
uка= 100% I1ном (R1 - R2')/U1ном
uка= 100% I1ном (X1 - X2')/U1ном
Рис.
В трансформаторах небольшой мощности активное падение напряжения обычно больше, чем индуктивное, и характеристика при активной нагрузке менее жесткая, чем при активно-индуктивной (рис. а). В трансформаторах большой мощности соотношение падений напряжения противоположное и характеристика при активной нагрузке будет более жесткой.
15. Потери и кпд трансформатора
В процессе работы трансформатора под нагрузкой часть активной мощности Р1, поступает в первичную обмотку из сети, рассеивается в трансформаторе на покрытие потерь. В результате активная мощность Р2, поступающей в нагрузку, оказывается меньше мощности Р1 на величину суммарных потерь в трансформаторе
В трансформаторе существует два вида потерь — магнитные и электрические.
Магнитные потери прямо пропорциональны массе магнитопровода и квадрату магнитной индукции в нем. Они также зависят от свойств стали, из которой изготовлен магнитопровод. Уменьшению потерь способствует изготовления магнитопровода из ферромагнитных материалов (электротехнической стали). Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготавливают шихтованной (из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки) или витым из стальной ленты. Магнитные потери зависят также и от частоты переменного тока с повышением частоты f магнитные потери повышаются.
Электрические потери — это потери в обмотках трансформатора обусловлены нагревом обмоток токами, проходящими по ним.
Электрические потери являются переменными, так как их величина пропорциональна квадрату тока в обмотках.
КПД трансформатора находится по следующей формуле:
где
P0 — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении
PL — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе
P2 — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку
n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1).
Номинальное значение КПД тем выше, чем больше номинальная мощность трансформатора.
В более мощных трансформаторов КПД может достигать 0,98 ¸ 0.99.