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.