Внешняя характеристика трансформатора кратко

Обновлено: 04.07.2024

Под внешней характеристикой понимается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки с учетом его характера (активная - R , активно- емкостная - RC , активно – индуктивная - RL ). Схема замещения трансформатора принимает вид:

По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения трансформатора: U ₂ = U ₁ - I Z_k = U ₁ – I ( jX_k + R_k ).

Для объяснения закона внешних характеристик для различных видов нагрузок построим векторную диаграмму для фиксированного значения тока нагрузки I = const .

При построении векторной диаграммы принимается такая условность: по часовой стрелке отставание вектора тока от вектора напряжения. При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на угол j₁, поэтому вектор напряжения U ₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I ; при емкостной нагрузке напряжение U ₁ отстает от тока I ₁ на угол j₃ , поэтому вектор напряжения U ₁ повернут по часовой стрелки по отношению к вектору тока I .

При активной нагрузке вектор напряжения U ₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I на небольшой угол j₂ из- за малой величины индуктивности нагрузки.

Вектор ( - R_kI ) противоположен по направлению к вектору тока I . Так как X_k – индуктивность рассеяния трансформатора, то вектор (- jX_kI ) перпендикулярен по отношению к вектору (- R_kI ) и имеет поворот против часовой стрелки.

Каждый из векторов U ₂₍₁₎ , U ₂₍₂₎ , U ₂₍₃₎ получается в результате суммирования двух векторов U ₁ и ( - I Z_k ). Из векторной диаграммы видно, что при активной и индуктивной нагрузках происходит уменьшение напряжения во вторичной цепи трансформатора с увеличением тока I . Если нагрузка имеет емкостный характер, то напряжение увеличивается. При проектировании трансформатора необходимо учитывать характер нагрузки. Например, индуктивная нагрузка требует увеличивать количество витков во вторичной цепи с учетом понижения напряжения при работе под нагрузкой. Конденсаторы используются для компенсации реактивной составляющей в трансформаторах, они включаются в трехфазных трансформаторах параллельно в каждой фазе или между фазами, как показано на рисунке.

Энергетические показатели трансформатора

К энергетическим показателям трансформатора относятся: КПД трансформатора и коэффициент мощности.

КПД трансформатора – это отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности трансформатора, т.е.

где, P _маг = P _гист +Р_{вих.токи} - потери в магнитопроводе трансформатора. Они являются постоянными потерями, не зависящими от тока нагрузки, и включают в себя два вида потерь: потери на “гистерезис” (перемагничивание сердечника трансформатора) и потери на “вихревые” токи (круговые токи Фуко, перпендикулярные направлению основного магнитного потока).

Потери в магнитопроводе зависят от следующих параметров:

где s₁ - коэффициент, зависящий от типа ферромагнитного материала;

G - вес магнитопровода (в кг);

B_x – величина магнитной индукция (определяемая положением рабочей точки на кривой намагничивания трансформатора).

С увеличением частоты преобразования возрастают магнитные потери, поэтому используют материалы с малыми удельными потерями и понижают рабочее значение магнитной индукции Вх.

Потери на гистерезис определяются площадью петли гистерезиса:

Учитывая , что Р_ОБ= I 2 R _об – потери в обмотках.Получим соотношение для КПД в зависимости от коэффициента нагрузки b= I ₂ / I _2ном .

Потери в магнитопроводе определяются из опыта “холостого хода” и равны P _маг = P ₁₀ . Мощность в нагрузке P ₂ можно представить в виде

Потери в обмотках трансформатора равны:

где P _1К – потери определяемые из опыта “короткого замыкания”.

Таким образом выражение для КПД принимает вид:

КПД будет иметь максимальное значение при

При проектировании трансформатора необходимо добиваться равенства потерь в магнитопроводе потерям в обмотках для обеспечения эффективной работы трансформатора. При расчета трансформатора за критерии оптимизации выбираются: КПД, габаритные размеры, стоимость и температурный режим работы трансформатора. При P маг >P об ( b b опт) получим минимальную стоимость, большой вес и габариты трансформатора. Если же P маг

об, то имеем высокую стоимость, меньший вес и габариты.

Электромагнитная мощность трансформатора

Электромагнитная мощность – это полусумма электромагнитных мощностей всех обмоток трансформатора. Так как на первичную цепь приходится половина мощности, то при расчете электромагнитной мощности берут либо сумму мощностей всех вторичных цепей, либо мощность первичной цепи. При проектировании трансформатора вводят понятие габаритной мощности трансформатора – это связь электромагнитной мощности с параметрами трансформатора.

Для получения выражения для габаритной мощности трансформатора, воспользуемся следующими уравнениями :

уравнением ЭДС трансформатора -

понятием плотности тока j –

где S_пр – сечение проводника обмотки трансформатора;

определением количества витков через сечение окна S _ОК -

где, Kok – коэффициент, учитывающий заполнение окна магнитопровода обмотками, его низкое значение гарантирует попадание обмоток в окно при выборе сердечника

Площадь окна равна: S ок = c_*h [ см 2 ] .

Подставим (1), (2), (3) в выражение для электромагнитной мощности и получим выражение для габаритной мощности:

При заданной мощности трансформатора определяют типоразмеры трансформатора, затем по уравнению ЭДС рассчитывается количество витков первичной и вторичной цепей.

Трехфазные трансформаторы

Это система, объединяющая три источника переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на 120 ° .Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов : ” звезда ” , “ треугольник ” , “ зигзаг ” .

На рисунке изображены временные зависимости для фазных и линейных ЭДС трехфазного трансформатора.

Рассмотрим способ соединения “зв езда ” .

На рисунке изображена векторная диаграмма напряжений и условное обозначение схемы соединения обмоток трансформатора.

Точка на схеме трансформатора обозначает конец вектора ЭДС или начало обмотки.

При соединении звездой линейные ( I_л ) и фазные токи ( I ф ) одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода. Линейные напряжения ( U_л ) больше фазных (U ф ) в раза.

Соединение в звезду выполняется с нулевым выводом или без него, что является достоинством схемы соединения

Соединение в “ треугольник ” :

При соединении треугольником U_л = U ф, потому что каждые два линейных провода присоединены к началу и концу одной из фазных обмоток, а все фазные обмотки одинаковы. Линейные токи I_л = I ф.

Мощности при соединениях звездой и треугольником определяются выражениями:

где j - угол сдвига фаз между напряжением и током.

Группа соединения трехфазного трансформатора.

При определении группы соединения обмоток трансформатора пользуются циферблатом часов. Линейный вектор обмотки высшего напряжения (ВН) соответствует минутной стрелке циферблата часов и устанавливается на цифру 12, часовая стрелка соответствует линейному вектору ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) и ее поворот по отношению к обмотке ВН определяет номер группы и угол поворота a = n_*30 0 , г де n – группа.

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения “ звезда-звезда ” . Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (с) и вторичной (С) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен

n = 180 ° / 30 ° = 6 .

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения “ звезда-треугольник ” . Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (а) и вторичной (А) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен n = j / 30 ° =30 ° / 30 ° = 1 .

Соединение вторичных обмоток трансформатора в зигзаг

Соединение зигзагом применяют чтобы нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети , а также для расщепления фаз при создании многопульсных выпрямителей и в других случаях.

Для соединения зигзагом вторичная обмотка каждой фазы составляется из двух половин: одна половина расположена на одном стержне, другая – на другом. Конец полуобмотк, например х ₁ соединен с концом y ₂ и т.д. Начала полуобмоток а ₂ , в ₂ и с ₂ соединены и образуют нейтраль. К началам а ₁ , в ₁ , с ₁ присоединяют линейные провода вторичной сети. При таком соединении э.д.с. обмоток, расположенных на разных стержнях, сдвинуты на угол 120 0 _.

Вектор E₃ является суммой двух векторов e ’’₃ и e ’’₁ . Вектор e ’’₁ параллелен e ’₁ и противоположен по направлению. Вектор e ’₃ совпадает с направлением фазы с. Угол поворота j вектора ЭДС вторичной цепи по отношению к первичной зависит от соотношения витков W₂₁/W₂₂ .

Конструкция трехфазных трансформаторов

Трехфазные трансформаторы изготавливаются в виде отдельных однофазных трансформаторов, объединенных в группу при повышенной мощности (свыше 60000 кВА). Такой тип получил название - трансформатор с раздельной магнитной системой. Трансформатор, у которого обмотки расположены на трех стержнях, называется трансформатором с объединенной магнитной системой.

В трехстержневом трансформаторе вследствие магнитной несимметрии магнитопровода, намагничивающие токи отдельных фазных обмоток не равны : намагничивающие токи крайних фаз ( I _ОА и I _ОС ) больше тока средней фазы ( I _ОВ ) .

Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение ярма делают больше.

Параллельная работа трансформаторов

Для увеличения мощности трансформаторы включают параллельно. Существуют условия параллельного включения трансформаторов:

1) Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения “ холостого хода ” или коэффициенты трансформации. При несоблюдении этого условия возникает уравнительный ток ( I _УР ), обусловленный разностью вторичных напряжений D U ,

где R _вн1 , R _вн2 – внутренние сопротивления трансформатора. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением “ холостого хода ” оказывается перегруженным.

2) Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. Если это условие не выполняется, то появляется уравнительный ток, обусловленный разностной ЭДС трансформатора :

3) Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения короткого замыкания.Трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания перегружается.

Специальные трансформаторы

Трансформаторы напряжения

Измерительный трансформатор напряжения (ТН) применяется при измерениях в сетях переменного тока напряжением свыше 220 В. ТН представляет собой понижающий трансформатор с таким соотношением витков в первичной и вторичной обмотках, чтобы при номинальном первичном напряжении вторичное напряжение составляло 100В.

Так как U₁ = -E ₁ , U ₂ = E _2НОМ , то напряжение в первичнолй обмотке определяется выражением :

Трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока (ТТ) применяется для включения амперметров и обмоток тока ваттметров, счетчиков энергии и фазометоров в цепях переменного тока, чаще всего в сильно точных (с большим значением тока).

ТТ работает в режиме, близком к “ короткому замыканию ” . Первичная обмотка ТТ выполняется из провода большого сечения и включается в сеть последовательно (количество витков первичной цепи равно1). Вторичная обмотка - многовитковая.

Точность тока измерительной цепи определяется выбором точки на петле гистерезиса (Bm=0,1…0,2 Тл, I ₀ =0 ) . Количество витков во вторичной цепи подбирается таким образом, чтобы во вторичной цепи пр о текал ток 5 А, откуда

Данный трансформатор является опасным при эксплуатации, так как нельзя размыкать вторичную цепь под нагрузкой. При размыкании цепи произойдет рост потерь в магнитопроводе в квадратичной зависимоти (В 2 ), что приведет к пробою изоляции и обслуживающий персонал может попасть под высокое напряжение.

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 (1.27) векторные, U₂ зависит как от значения нагрузки, так и ее характера: активного, индуктивного или емкостного. Значение нагрузки в трансформаторах определяют коэффициентом нагрузки:

характер нагрузки – углом 2 сдвига по фазе вторичных напряжения и тока.

Точный расчет внешней характеристики можно выполнить по схеме замещения (рис. 1), изменяя z_н и определяя U₂ и I₂.

Однако на практике часто пользуются формулой

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:

Внешние характеристики, построенные по (1.31) и (1.32), представлены на рис. 2,a. Как видно, характеристики линейные и жесткие. Жесткость характеристик, т.е. слабая зависимость функции (U₂) от аргумента (K_н), объясняется тем, что сопротивление обмоток невелико (u_к≈5-15%), а основной магнитный поток мало зависит от нагрузки. При активной (φ₂=0) и активно-индуктивной (φ₂>0) нагрузке характеристики всегда падающие, при активно-емкостной (φ₂ 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.

характер нагрузки – углом 2 сдвига по фазе вторичных напряжения и тока.

Однако на практике часто пользуются формулой

где U₂₀ - вторичное напряжение при холостом ходе;

U₂ -вторичное напряжение при данной нагрузке;

Вопрос-ответ

Одной из самых важных характеристик любого трансформатора является внешняя характеристика. Так называют зависимость напряжения вторичной обмотки от нагрузки при неизменном вольтаже на первичной. Любое оборудование подключается к выходам преобразователя, качество его работы зависит от стабильности номинального напряжения на вторичной намотке. При определении внешней характеристики требуются значения параметров, характеризующих не только физические процессы, но и режимы работы преобразователя.

Определение

Напряжение на вторичной намотке зависит от вольтажа на первичной и коэффициента трансформации, оно меняется в каких-то пределах при изменении режима работы, зависящего от загрузки. Если меняется режим работы при неизменном вольтаже на первичной намотке, вместе с напряжением на вторичной меняется электроток. Эта закономерность называется внешней характеристикой.

Основной фактор, влияющий на этот показатель – нагрузочная величина электротока, потребляемого подключенным оборудованием. При повышении мощности подключенного оборудования тока требуется больше, на вторичной намотке преобразователя он повышается, вольтаж снижается. Одновременно с увеличением тока на вторичке увеличивается электроток на первичке, что теоретически должно снизить первичное напряжение. Но оно неизменно, поэтому снижается ЭДС (электродвижущая сила) и электромагнитный поток.

Допустимые нормы колебаний вторичного напряжения при номинальной нагрузке определены ГОСТом. В некоторых преобразователях предусмотрена возможность увеличение или снижение вольтажа на вторичке коррекцией количества витков на одной из намоток, оснащенных дополнительными выводами.

Зависимость от различного характера нагрузки

Режим трансформатора с замкнутой на сопротивление (оборудование, принимающее электроэнергию) вторичкой называется нагрузкой, ток создает магнитный поток. Это значит, что в преобразователе действуют магнитные силы обеих обмоток, создающие магнитный поток в сердечнике. Нагрузка – мощность подключенного к вторичке оборудования, равная напряжению, умноженному на электроток и коэффициент мощности:

Параметры внешней характеристики (в том числе изменение вольтажа во вторичке) зависят от вида загрузки.

Числовое значение определяет коэффициент:

Характеристики загрузки – угол сдвига по фазе напряжения по отношению к току вторички.

Загрузка трансформатора бывает:

активно-емкостная;
активная (только теоретически);
активно-индуктивная.

Вектор тока при любом виде загрузки отстает от электродвижущей силы на вторичный угол φ₂.

Емкостная

Для емкостной загрузки характерно повышение тока до повышения вольтажа. Если загрузка преобразователя этого типа, при ее повышении происходит дополнительное намагничивание трансформатора, вольтаж на выходе растет, абсолютное значение тока превышает цифровое значение электродвижущей силы на φ₂, причем φ₂ 0.

Как рассчитать параметры

Расчет внешней характеристики выполняется с использованием схемы замещения (определения изменений вторичного напряжения и тока при изменениях нагрузки).

На практике используется более простой вариант – расчет по формуле:

где U₂₀ – вольты холостого хода во вторичной обмотке;

U₂ – вольты конкретной нагрузки во вторичной обмотке;

Δu –колебания напряжения на вторичке.

Δu рассчитывается по формуле:

Δu=Kн (uкаcosφ2 + uкрsinφ2),

где Кн – коэффициент загрузки;

где Uк – вольтаж, при котором проводится опыт короткого замыкания;

U₁ном – номинальное напряжение.

Точные значения uк можно найти в специальных каталогах, uка и uкр рассчитываются или определяются в процессе экспериментов короткого замыкания.

При работе в режиме холостого хода ток на вторичке и коэффициент нагрузки равны нулю. Чтобы преобразователь перешел от холостого хода в рабочий режим, коэффициент должен повыситься до единицы. В процессе перехода вольтаж на вторичке снижается.

Напряжение короткого замыкания равно соотношению вольтажа во время эксперимента к вольтажу при нагрузке, сопротивление принимается за нулевое. По этим причинам электроток на вторичке гораздо больше номинального.

Для проведения эксперимента короткого замыкания вторичка замыкается накоротко, первичка присоединяется к напряжению, которое на много ниже номинального, чтобы вольтаж питания мог уравновеситься с падением на намотках.

Условно поданное пониженное напряжение принимается равным падению вольтажа при номинальной нагрузке. Точное значение можно узнать из технической документации конкретного преобразователя.

Правила построения графика

Исходя из формул, приведенных выше, строятся графики:

Они линейные, так как:

вольтаж вторички мало зависит от коэффициента загрузки благодаря низкому сопротивлению намоток;
магнитный ток почти не меняется с изменением вида загрузки.

По результатам испытаний при коротком замыкании получается:

Угол φ2 влияет на снижающий или возрастающий характер при изменении вида нагрузки. Если преобразователь маломощный, падение во время активной нагрузке менее линейное, чем при индуктивной. Ситуация противоположенная для мощных аппаратов.

Более наглядно внешняя характеристика характеризуется диаграммой для фиксированного значения тока:

Для построения необходимо принять, что по часовой стрелке будет отображаться отставание тока от напряжения. Если нагрузка индуктивная, напряжение поворачивается против часовой стрелки по отношению к току. При емкостной нагрузке напряжение отстает от тока на другой угол (вектор вольтажа повернут по часовой стрелке по сравнению с вектором тока).

Если нагрузка активная, вектор вольтажа так же поворачивается против часовой стрелки, но угол меньше, чем при индуктивной нагрузке.

Внешняя характеристика важна на этапе проектирования преобразователя. Если он предназначен для работы при индуктивной нагрузке, нужно увеличить количество витков во вторичке, чтобы компенсировать снижение вольтажа во время работы. При наличии реактивной нагрузки используются конденсаторы, соединенные параллельно с каждой фазой.

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость между вторичными током и напряжением при изменении нагрузки, неизменном значении первичного напряжения U₁ и заданном коэффициенте мощности cos φ₂ во вторичной цепи.

Рис. 6.3. Внешняя характеристика трансформатора

Вторичное напряжение U₂ при нагрузке отличается от напряжения холостого хода на величину изменения напряжения, которое зависит от величины нагрузки.

Внешняя характеристика может быть построена как по расчетным данным активного и индуктивного падений напряжения (расчетная внешняя характеристика), так и по опытным данным (внешняя характеристика конкретного трансформатора). Построение внешней характеристики показано на рис. 6.3. По оси ординат откладывается вторичное напряжение U₂, а по оси абсцисс — величина нагрузки α (в % или долях от номинальной мощности). Начальная точка внешней характеристики начинается от ординаты, равной U_2НОМ, а другой ее конец, против абсциссы α = 1 (т. е. при номинальной нагрузке), будет опущен против начала на величину ΔU — изменения напряжения.

Так как изменение напряжения пропорционально нагрузочному току I₂ (см. § 6.1), то внешняя характеристика практически представляет прямую линию. На рис. 6.3 построены две внешние характеристики — для cos φ₂=1 и cos φ₂= 0,8.

Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора и при малой мощности они могут поменяться местами (при активной и активно-индуктивной нагрузках).

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) трансформатора η, как и всякого другого преобразователя энергии, называется отношение отдаваемой (полезной) мощности к затраченной (подведенной), или отношение вторичной мощности Р₂ трансформатора к его первичной мощности P₁, выраженное в %, т. е.

Ввиду высоких значений к. п. д. трансформатора (от 95 до 99,5% в зависимости от мощности) значения P₁ и Р₂ мало отличаются друг от друга. Поэтому для более точного расчета к. п. д. целесообразно первичную мощность представить равной вторичной плюс потери трансформатора, т. е.

Сделав соответствующую подстановку в первоначальную формулу для к. п. д., получим

Полученная формула для к. п. д., во-первых, уменьшает погрешности при расчете, и, во-вторых, позволяет определить к. п. д. готового трансформатора по его известным, измеренным при опытах холостого хода и короткого замыкания, потерям, не измеряя его первичной и вторичной мощностей, что в большинстве случаев было бы совершенно невозможно.

Выбор правильного расчетного значения к. п. д. трансформатора при его проектировании представляет собой более сложный вопрос, чем это может первоначально показаться. При разработке конструкции трансформатора (или серии трансформаторов) неизбежно приходится идти на компромисс между двумя противоречиями: с одной стороны, уменьшение стоимости трансформатора требует минимального расхода активных материалов — обмоточного провода и электротехнической стали, с другой стороны, стремление получить более высокий к. п. д., чтобы сделать трансформатор более экономичным в эксплуатации, вызывает увеличение расхода этих материалов.

Поэтому значения к. п. д. устанавливаются стандартами на трансформаторы, нормирующими потери последних. Значения к. п. д. устанавливаются с учетом общегосударственной экономики в зависимости от многих факторов, как-то: стоимости материалов, электроэнергии, линий электропередач и т. п., одновременно учитывая предшествующий опыт производства трансформаторов и их эксплуатации.

Кроме того, следует иметь в виду, что выбор того или иного значения к. п. д. еще не определяет полностью расхода активных материалов. Чтобы построить наиболее экономичный трансформатор при заданном к. п. д., необходимо еще учесть характер загрузки трансформатора, от которого зависит наиболее рациональное соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

Более подробно этот вопрос освещен в [Л.2].

Нагрузка трансформатора не является постоянной по величине, она меняется в течение суток, сезона и года, в зависимости от нужд потребителя электроэнергии. Так, например, существуют характерные суточные, сезонные и другие графики нагрузки трансформаторов.

На рис. В.2 показан один из таких графиков.

К. п. д. трансформатора меняется в зависимости от величины его нагрузки, поэтому трансформатор должен быть построен таким образом, чтобы наибольшее значение его к. п. д. получалось при наиболее часто повторяющейся величине нагрузки.

Нагрузку трансформатора, т. е. активную мощность Р₂, отдаваемую с его вторичной стороны, можно представить в виде следующего выражения:

где α — коэффициент загрузки трансформатора, выраженный в долях от номинальной мощности S;

cos φ₂ — коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки (индуктивной или емкостной).

Потери холостого хода Рх пропорциональны квадрату индукции В, но так как индукция пропорциональна э. д. с. Е₁ т. е. величине, относительно мало изменяющейся при изменении нагрузки (при расчете силового трансформатора обычно принимают E₁ ≈U₁ ), то потери холостого хода Рх при любой нагрузке практически можно считать по величине постоянными, т. е. Рх— const.

Потери короткого замыкания Рк, как основные (электрические), так и добавочные, пропорциональны квадрату нагрузочного тока I₂. Их иногда называют переменными потерями. Следовательно, для любого значения нагрузки а потери короткого замыкания могут быть выражены следующей формулой:

где P_К.НОМ — потери короткого замыкания при номинальной нагрузке.

В данном выражении, однако, пренебрегают током холостого хода в первичной обмотке и изменением сопротивления обмоточного провода в зависимости от температуры. Но эти факторы очень мало влияют на величину к. п. д., и поэтому они не учитываются.

Подставив полученные выражения для Р₂ и Р_К в основную формулу (6.6) к. п. д., получим формулу к. п. д. в общем виде для любого значения α

В этой формуле имеют место указанные выше допущения, которые принимаются с целью упрощения расчета, существенно не влияя на их точность. Эти допущения также учтены в стандартах на трансформаторы.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.004)

При колебаниях нагрузки трансформатора его вторичное напряжение меняется. В этом можно убедится, воспользовавшись упрощенной схемой замещения трансформатора (см. рис. 1.35.), из которой следует, что

Измерение вторичного напряжения трансформатора при увеличении нагрузки от х.х. до номинальной является важнейшей характеристикой трансформатора и определяется выражением

(1.67)

Рис. 1.37. К выводу формулы

Для определения воспользуемся упрощенной векторной диаграммой трансформатора, сделав на ней следующее дополнительное построение (рис. 1.37.). Из точки А отпустим перпендикуляр на продолжение вектора , получим точку D. С некоторым допущением будем считать, что отрезок представляет собой разность , где , тогда

(1.68.)

Измерение вторичного напряжения (1.67) с учетом (1.68) примет вид

(1.69)

(1.70)

Выражение (1.70) дает возможность определить изменение вторичного напряжения лишь при номинальной нагрузке трансформатора. При необходимости расчета измерение вторичного напряжения для любой нагрузки в выражение (1.70) следует ввести коэффициент нагрузки, представляющий собой относительное значение тока нагрузки b=I₂/I_2ном

(1.71)

из выражения (1.71) следует, что изменение вторичного напряжения зависит не только от величины нагрузки трансформатора (b), но и от характера этой нагрузки (j₂).

Рис. 1.38. Зависимость от величины нагрузки (а) и коэффициента мощности нагрузки (б) трехфазного трансформатора (100 кВ·А, 6,3/0,22 кВт, u_r=5,4%, cosj_r=0,4)

На рис. 1.38, а представлен график зависимости при cosj₂=const, а на рис. 1.38, б – график при b=const. На этих графиках отрицательные значения при работе трансформатора с емкостной нагрузкой соответствуют повышению напряжения при переходе от режима х.х. к нагрузке. Имея в виду, что получим еще одно выражение для расчета изменения вторичного напряжения при любой нагрузке:

(1.72)

Из (1.72) следует, что наибольшее значение изменения напряжения имеет место при равенстве углов фазового сдвига j₂=j_к, тогда cos(j_k-j₂)=1.

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки называют внешней характеристикой. Напомним, что в силовых трансформаторах за номинальное напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме х.х. при номинальном первичном напряжении (см. § 1.3.).

Рис. 1.39. Внешние характеристики трансфоматора.

Вид внешней характеристики (рис. 1.39) зависит от характера нагрузки трансформатора (cosj₂). Внешнюю характеристику трансформатора можно построить по (1.72) путем расчета для разных значений b и cosj₂.

Пример 1.6. Для трансформатора, данные которого приведены в примерах 1.4 и 1.5, (см. § 1.11.), определить изменение вторичного напряжения при номинальной нагрузке (b=1) с коэффициентом мощности cosj₂ = 1,8 для нагрузок двух характеров: активно-индуктивной и ативно-емкостной.

Решение. Из примера 1.4 имеем: u_k₇₅ =5,4%; cosφ_k₇₅=0,4; sinφ_k₇₅ =0,92 . По (1.72) при cosφ₂ = 0,8 и sinφ₂ = 0,6 получим:

для активно-индуктивной нагрузки ∆U=5,4(0,4•0,8+0,92•0,6)=4,65%;

для активно-емкостной нагрузки ∆U=5,4[0,4•0,8+0,92•(-0,6)]=-1,2%.

В результате аналогичных расчетов, проделанных при β=0÷1,2, для нагрузок с cosφ₂, равным 0,7; 0,8; 0,9 и 1,0, получены данные, по которым построены графики ∆U = f(β), представленные на рис 1 38, а.

Наибольшее изменение напряжения соответствует активно-индуктивной нагрузке с cosφ₂ = cosφ_k₇₅ = 0,40 и коэффициенту нагрузки β = 1 (перегрузка трансформатора недопустима) ∆U _т_ax = u_k₇₅= 5,4% (см рис. 1.38,6)

Потери и КПД трансформатора

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Электрические потери. Обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по этим обмоткам электрического тока. Мощность электрических потерь Р_Э пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной Р_Э1 и во вторичной Р_Э2 обмотках:

где т — число фаз трансформатора (для однофазного трансформатора т = 1, для трехфазного т = 3).

При проектировании трансформатора величину электрических потерь определяют по (1.73), а для изготовленного трансформатора эти потери определяют опытным путем, измерив мощность к.з. (см. § 1.11) при номинальных токах в обмотках Р_к._ном-

где Р — коэффициент нагрузки (см. § 1.13).

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора (рис. 1.40).

Магнитные потери. Происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание вызывает в магнитопроводе два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса Р_Г, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов Р_ВТ, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода:

С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала — тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин (полос), изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

Магнитные потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания магнитопровода, т. е. частоте переменного тока (Р_Г = f), а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты (P_ВТ ≡ f 2 ). Суммарные магнитные потери принято считать пропорциональными частоте тока степени 1,3, т. е. Р_М = f 1,3 . Величина магнитных потерь зависит также и от магнитной индукции в стержнях и ярмах магнитопровода (Р_м ≡ В 2 ) При неизменном первичном напряжении (U₁ = const) магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора (рис. 1.40, а).

Рис. 1.40. Зависимость потерь трансформатора от его нагрузки (а) и энергетическая диаграмма (б) трансформатора

При проектировании трансформатора магнитные потери определяют по значению удельных магнитных потерь Р_УД, происходящих в 1 кг тонколистовой электротехнической стали при значениях магнитной индукции 1,0; 1,5 или 1,7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц:

, (1.75)

где В — фактическое значение магнитной индукции в стержне или ярме магнитопровода трансформатора, Тл; В_х — магнитная индукция, соответствующая принятому значению удельных магнитных потерь, например В_х = 1,0 или 1,5 Тл; G — масса стержня или ярма магнитопровода, кг.

Значения удельных магнитных потерь указаны в ГОСТе на тонколистовую электротехническую сталь. Например, для стали марки 3411 толщиной 0,5 мм при В = 1,5 Тл и f= 50 Гц удельные магнитные потери P_1.5/50=2,45 Вт/кг.

Для изготовленного трансформатора магнитные потери определяют опытным путем, измерив мощность х.х. при номинальном первичном напряжении Р_0ном (см. § 1.11).

Таким образом, активная мощность Р₁, поступающая из сети в первичную обмотку трансформатора, частично расходуется на электрические потери в этой обмотке Р_э1. Переменный магнитный поток вызывает в магнитопроводе трансформатора магнитные потери Р_эм. Оставшаяся после этого мощность, называемая электромагнитной мощностью Р_эм = Р₁ - Р_э1 - Р_м , передается во вторичную обмотку, где частично расходуется на электрические потери в этой обмотке Р_э2. Активная мощность, поступающая в нагрузку трансформатора, Р₂ = Р₁ - ∑Р , где ∑Р=Р_э1+Р_м+Р_э2 — суммарные потери в трансформаторе. Все виды потерь, сопровождающие рабочий процесс трансформатора, показаны на энергетической диаграмме (рис. 1.40, б).

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р₂ (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р₁ (подводимая мощность):

Активная мощность на выходе вторичной обмотки трехфазного трансформатора (Вт)

где S_ном= √3U₂_HOM I₂_HOM — номинальная мощность трансформатора, В-А; I₂ и U₂ — линейные значения тока, А, и напряжения В.

Учитывая, что Р₁ = Р₂ + ∑Р, получаем выражение для расчета КПД трансформатора:

(1.79)

Рис.1.41. График зависимости КПД трансформатора от нагрузки

Анализ выражения (1.79) показывает, что КПД трансформатора зависит как от величины (β), так и от характера (cosφ₂) нагрузки. Эта зависимость иллюстрируется графиками (рис. 1.41). Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при которой магнитные потери равны электрическим: Р_0ном =β' 2 /Р_К.НОМ, отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствующее максимальному КПД,

(1.80)

Обычно КПД трансформатора имеет максимальное значение при β'=0,45÷0,65. Подставив в (1.79) вместо Р значение Р' по (1.80), получим выражение максимального КПД трансформатора:

(1.81)

Помимо рассмотренного КПД по мощности иногда пользуютсяпонятием КПД по энергии, который представляет собой отношение количества энергии, отданной трансформатором потребителю W₂ (кВт-ч) в течение года, к энергии W₁, полученной им от питающей электросети за это же время: η=W₂/W₁.

КПД трансформатора по энергии характеризует эффективность эксплуатации трансформации.

Пример1.7. Определить КПД и построить графики зависимости η = f(β) трехфазного трансформатора мощностью 100 кВ-А, напряжением 6,3/0,22 кВ по данным опытов х.х. (см. пример 1.4) и к.з. (см. пример 1.5): Р_0ном=605Вт, Р_k_.ном=2160Вт). Расчет выполнить для двух значений коэффициента мощности нагрузки: 0,8 и 1,0.

Решение. Для построения графиков л = /(Р) вычисляем КПД для ряда (шачений коэффициента нагрузки Р, равных ОД5; 0,50; 0,75 и 1,0. Результаты расчета приведены в табл. 1.3.

β	β 2 Р_kном, Вт	∑P, Вт	КПД, %, При cosφ₂
cosφ₂=0,8	cosφ₂=1
0,25 0,50 0,75 1,0	96,5 97,3 97,1 96,6	97,0 97,8 97,6 97,3

Примечания: 1) [см. (1.80)]; 2) Р_0ном = 605 Вт.

Максимальное значение КПД по (1.81):

, или 97,2%;

, или 97,8%.

Читайте также: