Рабочие и энергетические характеристики трансформаторов

Внешние характеристики. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при изменении тока нагрузки изменяется. Причина заключается в изменении падения напряжения в активных и индуктивных сопротивлениях обмоток при изменении их токов. Величина изменения вторичного напряжения силового трансформатора при нагрузке зависит также от ее характера.

Внешние характеристики трансформатора, выражающие зависимость напряжения U ₂ на нагрузке от тока I ₂ в нагрузке при неизменных первичном напряжении U ₁, частоте f и коэффициенте мощности cosj₂ вторичной цепи, т.е. U ₂ = f (I ₂), при U ₁; f; cosj₂= const, являются важными эксплуатационными характеристиками. Они показывают степень стабильности выходного напряжения трансформатора при изменении нагрузки (тока I ₂).

Внешние характеристики для одного и того же трансформатора, работающего на различные по характеру нагрузки (активную j ₂ = 0, индуктивную j ₂ > 0 и емкостную j ₂ < 0), изображены на рис.8.4. Характеристики построены для приведенного трансформатора.

Рисунок 8.4 - Внешние характеристики приведенного трансформатора

С помощью внешних характеристик (рис.8.4) определяется процентное изменение вторичного напряжения при переходе от холостого хода к режиму нагрузки

. (8.12)

Здесь U ^¢ ₂₀» U _1Н - приведенное значение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе;

U ^¢ ₂ - приведенное напряжение на тех же зажимах при нагрузке.

Потери и КПД трансформатора. При преобразовании электрической энергии в трансформаторе в режиме нагрузки имеют место потери: электрические (потери в меди проводов обмоток) и магнитные (потери в стали магнитопровода).

Под КПД трансформатора понимают отношение отдаваемой (полезной) мощности трансформатора P ₂, выраженной в единицах активной мощности, т.е. в ваттах или киловаттах, к подведенной (затраченной) мощности P ₁, выраженной в тех же единицах

(8.13)

где S р = p _М+ p _ст - сумма потерь в трансформаторе.

Потери в стали p _ст зависят от материала магнитопровода, его объема или массы, индукции и частоты перемагничивания, они состоят из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис.

Потери в стали магнитопровода определяются в опыте холостого хода p _ст » P ₀, так как потери в меди первичной обмотки ввиду малости тока холостого хода I ₀ ничтожно малы.

При U ₁= const амплитуда основного магнитного потока Ф _m в магнитопроводе трансформатора при изменении нагрузки практически остается постоянной, следовательно, потери в стали p _ст можно считать не зависящими от нагрузки.

Потери в меди обмоток при номинальной нагрузке принимаются равными потерям в них при опыте короткого замыкания: p _М» P _к = I ²_1н r _к (где r _к= r ₁+ r ₂), так как потери в стали в этом опыте весьма малы ввиду малости основного магнитного потока.

На рис.8.5 изображены кривые потерь и КПД трансформатора. Величина КПД в мощных трансформаторах достигает значений 0, 98 - 0, 99, тогда как в микротрансформаторах его величина существенно ниже 0, 7 - 0, 9.

Максимум КПД соответствует такой нагрузке, при которой переменные потери - потери в меди обмоток - равны постоянным потерям - потерям в стали, т.е. p _М = p _ст (рис.8.5). Обычно трансформаторы проектируются так, что максимум КПД получается при токе нагрузки I ₂»0, 7 I _2н. Это объясняется тем, что трансформаторы, как и многие электрические машины, работают часто с недогрузкой.

КПД трансформаторов может быть определен путем непосредственного измерения мощностей P ₁ и P ₂ ваттметрами (в микротрансформаторах) и косвенным методом, используя потери, определяемые в опытах холостого хода и короткого замыкания.

Определение КПД трансформаторов на основе опытов холостого хода и короткого замыкания дает более точные результаты, так как в этих опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке, и, следовательно, его первичная мощность целиком расходуется на компенсацию необратимых тепловых потерь в обмотках и магнитопроводе.

Текст лекции составил доцент Н. Руденко