Изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика трансформатора

Если источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление, то напряжение на нем изменяется при изменении тока. Причина этого – падение напряжения на внутреннем сопротивлении.

AB – зажимы источника питания, к которому подключаются приемники электроэнергии. U – разность потенциалов между точками А и В и это напряжение приложено к приемнику.

Чем больше внутреннее сопротивление, тем больше падение напряжения.

Потребляемый ток зависит от включенных в данный момент приемников. Обычно трансформаторы работают с изменяющимся током нагрузки. Изменение тока зависит от числа и мощности потребителей.

Построим для данной схемы векторную диаграмму:

Заданными будет считаться ток и напряжение в нагрузке и сдвиг фаз φ₂ между током и напряжением нагрузки. Так как. z_к << z_н, то φ₁ ≈ φ_2.

На практике интересуются арифметической разницей между U₁ и U'₂, которая называется изменением напряжения в трансформаторе.

Обычно при анализе изменения напряжения первичное напряжение принимается равным номинальному и изменение напряжения определяют в относительных единицах по отношению к номинальному первичному напряжению:

.

Эта формула справедлива для приведенного трансформатора. Применим ее для реального трансформатора с коэффициентом трансформации n:

.

Изменение вторичного напряжения зависит от внутреннего сопротивления трансформатора и от характера нагрузки φ₂:

;

.

Зависимость напряжения вторичной обмотке трансформатора (на нагрузке) от тока вторичной обмотки (тока нагрузки) при заданных значениях первичного напряжения и частоты тока называется внешней характеристикой трансформатора.

1: φ₂ = 0 (активная нагрузка);

2: φ₂ > 0 (активно-индуктивная нагрузка);

3: φ₂ < 0 (активно-емкостная нагрузка).

Чем ниже коэффициент мощности нагрузки, тем больше изменение напряжения.

Уменьшение напряжения U₂ при изменении вторичного тока или тока нагрузки отрицательно сказывается на приемниках, они не разовьют расчетную мощность, а это приводит к нарушению технологического процесса.

При повышенном напряжении увеличивается мощность приемника и соответственно его нагрев. Это может вывести приемник из строя или приведет к уменьшению срока его службы.

Изменение напряжения нормируется и не должно превышать 5%.

КПД трансформатора

При работе трансформатора возникают потери энергии. Эти потери превращаются в тепло и нагревают трансформатор.

P₁ – мощность первичной катушки (мощность потребляемая трансформатором от источника питания);

∆P_э1 – потери мощности в активном сопротивлении первичной обмотки;

∆P_м – магнитные потери (потери в магнитопроводе, связанные с гистерезисом и вихревыми токами):

P_эм – элеткромагнитная мощность, которая с помощью переменного магнитного поля передается из первичной катушки во вторичную;

∆P_э2 – потери мощности во вторичной обмотке;

P₂ – активная мощность отдаваемая трансформатором в нагрузку. Мощность вторичной катушки.

Эффективность процесса преобразования энергии оценивается КПД (отношение полезной мощности к затраченной):

,

где ∆P – потери мощности внутри трансформатора.

КПД зависит от тока нагрузки:

.

Потери в магнитопроводе от тока нагрузки на зависят. Они зависят от магнитного потока, а магнитный поток зависит от первичного напряжения. Потери в магнитопроводе еще называют постоянными потерями. Они существуют всегда, когда подано напряжение на первичную катушку.

Потери в активном сопротивлении первичной и вторичной катушек зависят от квадрата тока нагрузки и называются переменными.

Где I_2опт – ток при котором переменные потери равны постоянным.

Выразим КПД трансформатора через коэффициент нагрузки:

.

При уменьшении коэффициента мощности нагрузки КПД уменьшается. С ростом коэффициента нагрузки КПД быстро увеличивается, достигая максимального значения, а затем сравнительно медленно уменьшается.

Коэффициент нагрузки трансформатора, при котором КПД достигает максимального значения β_опт:

;

.

Па практике обычно выбирается β_опт < 1. Это объясняется тем, что значительная часть времени трансформатор работает с недогрузкой и при таком выборе номинального режима при недогрузке сохраняется высокий КПД.

Трехфазные трансформаторы

Трехфазный ток можно трансформировать с помощью группы из трех однофазных трансформаторов. Однако, экономичнее использовать один трехфазный трансформатор с магнитопроводом общим для всех трех фаз.

Группу из трех однофазных трансформаторов применяют только при очень больших мощностях (десятки тысяч кВ·А). При такой мощности трансформатор трудно транспортировать.

Магнитопровод трехфазного трансформатора состоит из трех одинаковых стержней. На каждом стержне располагаются первичная и вторичная катушки данной фазы.

Потоки Ф в стержнях не совпадают по фазе (отличаются на угол 120°) и их сумма в любой момент времени равна нулю.

Трехфазные трансформаторы характеризуются двумя коэффициентами трансформации: по фазным напряжениям и по линейным напряжениям.

.

Первичные и вторичные катушки соединяются звездой или треугольником. Вторичные катушки цеховых трансформаторов имеют соединение «звезда с нейтральным проводом». В общем случае первичные и вторичные катушки могут иметь разные схемы соединения.

На табличке трансформатора указываются схемы соединения обмоток в виде условных обозначений:

· pвезда, У, ,

Треугольник, Д,

Звезда с нудевой точкой, Ун, , _о.

Если схема соединения первичной и вторичной обмоток одинаковы, то n_ф = n_л.

В опыте холостого хода трехфазного трансформатора измеряются токи во всех трех фазах и в качестве тока холостого хода принимают средний ток. Мощность холостого хода измеряют методом двух ваттметров.

В опыте короткого замыкания измеряют напряжение короткого замыкания в каждой фазе и определяют среднее значение. Мощность определяется методом двух ваттметров.

Автотрансформатор

Автотрансформатор выполняет те же функции, что и трансформатор. В отличие от трансформатора в автотрансформаторе первичные и вторичные катушки имеют не только магнитную, но и электрическую связь. При той же мощности нагрузки автотрансформатор имеет меньшие габариты. Чем меньше  тем выгоднее использовать автотрансформатор.

Недостаток – возможность попадания высшего напряжения в цепь низшего напряжения. Обычно в силовых цепях автотрансформатор применяют при n < 2.

Схема понижающего автотрансформатора.

Напряжение U₁ равномерно распределяется между витками W₁. На один виток приходиться , тогда с витков W₂ будет снято напряжение:

.

Автотрансформаторы широко используются для ручного регулирования напряжения. Катушка наматывается в один слой, на ее поверхности делается неизолированная дорожка. По этой дорожке скользит щетка. Перемещая щетку мы меняем число витков W₂ и изменяем величину U₂.

Номинальные величины

В паспорте трансформатора задаются следующие величины:

U_1н – номинальное первичное напряжение, кВ;

U_2н – номинальное вторичное напряжение, кВ;

S_н – номинальная мощность, кВА;

i_х% – ток холостого хода трансформатора, %;

u_к% – напряжение короткого замыкания, %;

P_х – мощность холостого хода (потери холостого хода), кВт;

P_к – мощность короткого замыкания (потери короткого замыкания), кВт.

Номинальное первичное напряжение соответствует номинальному напряжению сети, к которой подключается трансформатор. В качестве U_2н принимается напряжение на вторичной катушке в режиме холостого хода (I₂ = 0). Номинальное вторичное напряжение на 5% выше номинального напряжения вторичной цепи. 220В (U_2н = 230 В), 380 В (U_2н = 400 В).

По напряжению и мощности можно определить номинальный ток:

· однофазный трансформатор:

;

· трехфазный трансформатор:

.