Изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика трансформатора. Потери и КПД.

Если подключить первичную обмотку трансформатора к источнику номинального неизменного напряжения, а ток вторичной обмотки изменять от нуля до номинального значе­ния, то вторичное напряжение U₂ будет снижаться по мере увеличения тока нагрузки. Снижение это происходит, во-пер­вых, в силу очевидного увеличения падения напряжения на полном сопротивлении вторичной обмотки по мере увеличе­ния ее тока, во-вторых, из-за некоторого снижения ЭДС пер­вичной и вторичной обмотки при увеличении нагрузки. В са­мом деле, как следует из основных уравнений трансформатора, при увеличении нагрузки должен возрасти ток вторичной об­мотки, и, следовательно, ток первичной обмотки. А это про­изойдет при неизменном номинальном первичном напряжении лишь при уменьшении ЭДС Е₁.

Алгебраическая разность между вторичным напряжением холостого хода U₂₀ и вторичным напряжением U₂ при нагрузке будет представлять собой изменение вторичного напряже­ния при переходе от холостого хода к нагрузке.

∆U = U₂₀ - U₂.

Обычно определяют относительное значение изменения:

∆u% =100(U₂₀-U₂) /U₂₀.

В приведенном трансформаторе Ū₁= U_н =Ū΄₂₀ поэтому оно выражается обычно в процентах от первичного напря­жения и называется процентным изменением напряжения трансформатора

∆u% =100( - U΄₂)/ . (2.31)

Отношение текущих значений тока вторичной обмотки I₂ к его номинальному значению 1_гн называют коэффициентом загрузки трансформатора:

=I₂ / I_2H ≈ I₁ / I_1н. (2.32)

Для выражения изменения напряжения трансформатора через его параметры используем упрощенную схему замеще­ния без намагничивающего контура (рис. 2.15,а). В этой схе­ме активные сопротивления R₁ и R₂ первичной и вторичной обмоток соединены последовательно и образуют резуль­тирующее активное сопротивление R_K = R₁ + R΄₂.

Соответственно индуктивные сопротивления Х₁ и Х₂ образуют результирующее индуктивное сопротивление Х_K = X₁ + Х΄₂. Погрешность в определении первичного тока, вызванная таким упрощением, при нагрузках, близких к номинальной, составляет примерно 0,1%, что вполне допустимо.

Для упрощенной схемы замещения может быть построена векторная диаграмма (рис. 2.15,б). В этой диаграмме вектор I₁R_K представляет собой результирующее активное падение напря­жения в приведенном трансформаторе, вектор jI₁X_K — результирующее реактивное падение напряжения, а вектор jI₁Z_K — результирующее полное падение напряжения. При этом:

Ī₁Z_к=Ī₁R_K+jĪ₁X_K. (2.33)

На этой диаграмме активное, реактивное и полное падения напряжений образуют прямоугольный треугольник, а проекция вектора Ī₁Z_К на направ­ление вектора U΄₂, равная отрезку АВ, будет соот­ветствовать изменению напряжения ∆U.

Рис. 2.15. Упрощенная схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) для определения изменения напряжения трансформатора

В самом деле, поскольку разность φ₁- φ₂ невелика, то модуль вектора U₁ можно принять равным отрезку ОА. Тогда для отрезков, взятых по модулю:

∆U = U₁- U΄₂=AB.

Спроектировав векторы активного и реактивного падений напряжений на отрезок АВ и сложив их, получим:

∆U = ВС + СА или∆U = I₁R_K cosφ₂ + I₁ X_K sinφ₂,

или в %:

. (2.34)

Из выражения (2.34) следует, что изменение напряжения зависит от тока нагрузки и угла мощности φ₂

Обозначим: I₁RK = U_H /100 и I₁Х_К = /100, тогда выражение (2.34) примет вид:

. (2.35)

Зависимость изменения напряжения от коэффициента мощности cosφ₂ представлена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Зависимость изменения напряжения трансформатора от cosφ₂

Зависимость напряжения вторичной обмотки от тока на­грузки при неизменном номинальном напряжении первичной обмотки при неизменных значениях коэффициента мощности и частоты называется внешней характеристикой трансфор­матора. Эта зависимость может быть выражена формулой:

U΄₂ = U_н(1-∆u% / 100), (2.36)

Изменение напряжения существенно зависит от cosφ₂, по­этому внешние характеристики трансформатора зависят от характера нагрузки.

Рис. 2.17. Внешние характеристики трансформатора при различном характере нагрузки

На рис. 2.17 представлены внешние характеристики транс­форматора при данном u_к для различных характеров нагрузки.

При активно-индуктивной нагрузке (φ₂>0) напряжение U΄₂ снижается с ростом тока нагрузки в большей мере, чем при чисто активной нагрузке (φ₂ = 0). При активно-емкостной на­грузке (φ₂ < 0) напряжение может оставаться постоянным или даже увеличиваться с ростом тока нагрузки.

Для стабилизации выходного напряжения трансформато­ров малой мощности в цепи их вторичных обмоток иногда включают конденсаторы.

Внешние характеристики трансформаторов одинаковой мощности при одинаковых коэффициентах мощности с раз­личными u_K приведены на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Внешние характеристики трансформаторов при одинаковых коэффициентах мощности и разных значениях u_K

Чем больше u_K или больше внутреннее сопротивление об­моток, тем в большей мере снижается напряжение в трансфор­маторах. При одинаковом напряжении вторичной обмотки трансформатор, имеющий u_к работает с номинальной нагруз­кой (β=1), трансформатор с u_К1 существенно перегружен, а трансформатор с u_K3 существенно недогружен. Отсюда следует важный для практики вывод: параллельно можно включать два или более трансформаторов, имеющих одинаковые или весьма близкие внешние характеристики.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 допускается параллель­ное включение трансформаторов с u_K, отличающимися от сред­него значения не более чем на ±10%, и коэффициентами трансформации, отличающимися от среднего значения не бо­лее чем на ±0,5%. Это еще раз указывает на важность пара­метра и_к, который как указывалось выше, приводят в паспорте трансформатора в числе других номинальных параметров.

Изменение напряжения трансформатора при изменении нагрузки — нежелательное явление. Для его уменьшения стремятся уменьшить величину активного сопротивления об­моток. Заметим, что у мощных трансформаторов оно и без того пренебрежимо мало в сравнении с индуктивным сопро­тивлением рассеяния. Чтобы уменьшить потоки рассеяния, пер­вичные и вторичные обмотки располагают на одних и тех же стержнях, и по возможности приближают одну обмотку к дру­гой, что ведет к уменьшению потоков рассеяния. Однако ми­нимальное расстояние между обмотками зависит от элект­рической прочности изоляционного промежутка. По этой при­чине высоковольтные трансформаторы, в которых изоляцион­ный промежуток между обмотками и магнитопроводом больше, чем у низковольтных, имеют относительно большие потоки рассеяния и соответственно большие напряжения короткого замыкания, чем низковольтные трансформаторы.