Что называется внешней характеристикой трансформатора

Основные характеристики трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора снимается при постоянном напряжении питания, когда с изменением нагрузки, по сути — с изменением тока нагрузки, изменяется и напряжение на выводах вторичной обмотки, т. е. вторичное напряжение трансформатора.

Это явление объясняется тем, что на сопротивлении вторичной обмотки, с изменением сопротивления нагрузки, изменяется и падение напряжения, и за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки, изменяется соответственно и ЭДС вторичной обмотки.

Поскольку уравнение равновесия ЭДС в первичной обмотке содержит векторные величины, напряжение на вторичной обмотке зависит и от тока нагрузки, и от характера этой нагрузки: активная ли она, индуктивная или емкостная.

О характере нагрузки свидетельствует величина угла сдвига фаз между током через нагрузку и напряжением на нагрузке. В целом, можно ввести коэффициент нагрузки, который покажет то, во сколько раз ток нагрузки отличается от номинального для данного трансформатора:

Для точного расчета внешней характеристики трансформатора можно прибегнуть к схеме замещения, в которой, изменяя сопротивление нагрузки, фиксировать напряжение и ток вторичной обмотки.

Тем не менее, для практики полезной оказывается следующая формула, в которую подставляются напряжение холостого хода и «изменение вторичного напряжения», которое измеряется в процентах, и вычисляется как арифметическая разность между напряжением холостого хода и напряжением при данной нагрузке в процентах от напряжения холостого хода:

Выражение для нахождения «изменения вторичного напряжения» получают с определенными допущениями из схемы замещения трансформатора:

Здесь введены величины реактивной и активной составляющей напряжения короткого замыкания. Данные составляющие напряжения (активная и реактивная) находятся через параметры схемы замещения, либо находятся экспериментальным путем в опыте короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания позволяет многое узнать о трансформаторе. Напряжение короткого замыкания находят как отношение напряжения короткого замыкания в эксперименте к номинальному первичному напряжению. Параметр «напряжение короткого замыкания» указывается в процентах.

В ходе эксперимента у трансформатора накоротко замыкают вторичную обмотку, при этом на первичную подают напряжение значительно ниже номинального, чтобы ток короткого замыкания оказался бы равным номиналу. Здесь напряжение питания уравновесится падениями напряжения на обмотках, и величину подводимого пониженного напряжения рассматривают как эквивалентное падение напряжения на обмотках при токе нагрузки равном номиналу.

Для маломощных трансформаторов питания и для силовых трансформаторов величина напряжения короткого замыкания лежит в пределах от 5% до 15%, и чем мощнее трансформатор — тем меньше эта величина. Точное значение напряжения короткого замыкания приводится в технической документации на конкретный трансформатор.

На рисунке приведены внешние характеристики, построенные в соответствии с приведенными выше формулами. Видим, что графики линейны, это потому, что вторичное напряжение не сильно зависит от коэффициента нагрузки в силу относительно малого сопротивления провода обмоток, а рабочий магнитный поток мало зависит от нагрузки.

На рисунке видно, что угол сдвига фаз в зависимости от характера нагрузки влияет на то, падающей или возрастающей получается характеристика. При нагрузке активной или активно-индуктивной — характеристика падающая, при активно-емкостной — может быть возрастающей, и тогда второй член в формуле для «изменения напряжения» становится отрицательным.

Для маломощных трансформаторов на активной составляющей обычно падает больше, чем на индуктивной, поэтому внешняя характеристика при активной нагрузке менее линейная, чем при нагрузке активно-индуктивного характера. Для более мощных трансформаторов — все наоборот, поэтому и характеристика для нагрузки активного характера окажется более жесткой.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение отдаваемой в нагрузку полезной электрической мощности к потребляемой трансформатором активной электрической мощности:

Потребляемая трансформатором мощность складывается из мощности потребляемой нагрузкой и мощности потерь непосредственно в трансформаторе. При том активная мощность соотносится с полной мощностью следующим образом:

Так как на выходе трансформатора напряжение в целом слабо зависит от нагрузки, то коэффициент нагрузки может быть связан с номинальной полной мощностью так:

И мощность, потребляемая нагрузкой во вторичной цепи:

Электрические потери в нагрузке произвольной величины могут быть выражены с учетом потерь при номинальной нагрузке через коэффициент нагрузки:

Потери при номинальной нагрузке достаточно точно определяются мощностью, которую трансформатор потребляет в эксперименте короткого замыкания, а потери магнитного характера равны мощности, потребляемой трансформатором на холостом ходу. Эти составляющие потерь приводятся в документации на трансформаторы. Так, если учесть приведенные факты, формула для КПД примет следующий вид:

На рисунке приведены зависимости КПД трансформатора от нагрузки. При нагрузке равной нулю — КПД равен нулю.

С ростом коэффициента нагрузки возрастает и отдаваемая в нагрузку мощность, причем магнитные потери неизменны, и КПД, легко видеть, линейно растет. Далее наступает оптимальное значение коэффициента нагрузки, при котором КПД достигает своего предела, в этой точке получается максимальный КПД.

После прохождения оптимального коэффициента нагрузки КПД начинает постепенно снижаться. Это происходит потому, что растут электрические потери, они пропорциональны квадрату тока и, соответственно, квадрату коэффициента нагрузки. Максимум КПД для мощных трансформаторов (мощность измеряется в единицах и более КВА) лежит в пределах от 98% до 99%, у маломощных (менее 10 ВА) — КПД может быть около 60%.

Как правило, трансформаторы еще на стадии проектирования стараются сделать такими, чтобы КПД достигал максимального значения при оптимальном коэффициенте нагрузки от 0,5 до 0,7, тогда при реальном коэффициенте нагрузки от 0,5 до 1, КПД окажется близок к своему максимуму. С уменьшением коэффициента мощности (косинуса фи) нагрузки, присоединенной ко вторичной обмотке, уменьшается и отдаваемая мощность, причем электрические и магнитные потери остаются неизменными, следовательно КПД в этом случае падает.

Оптимальный режим работы трансформатора, т. е. его номинальный режим, обычно устанавливают по условиям безаварийной работы и по уровню допустимого нагрева за время определенного эксплуатационного периода. Это крайне важное условие, чтобы трансформатор отдавая номинальную мощность, работая в номинальном режиме, не перегревался бы сверх меры.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Внешняя характеристика трансформатора

Свойства трансформатора в рабочем режиме характеризуется зависимостью вторичного напряжения от нагрузки и коэффициентом полезного действия (КПД).

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от его нагрузки при постоянном номинальном напряжении первичной обмотки называется внешней (нагрузочной) характеристикой.

При изменении нагрузки изменяется ток и мощность, отдаваемая нагрузке, . Такое изменение удобно оценивать, введя понятие коэффициента нагрузки

Тогда внешняя характеристика это зависимость вторичного напряжения трансформатора от коэффициента нагрузки, то есть,

Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки, то есть от коэффициента нагрузки ( ) и знака угла нагрузки ( ). При активной или активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение уменьшается с ростом нагрузки, а при активно-емкостной – увеличивается (рис. 10). Отметим, что вторичное напряжение при отсутствии нагрузки соответствует режиму холостого хода, то есть, является номинальным напряжением вторичной обмотки.

Рис. 10. Внешняя характеристика трансформатора

Характеристика 1 – соответствует емкостной нагрузке трансформатора ( ).

Характеристика 2 – соответствует активной нагрузке трансформатора ( ).

Характеристика 3 – соответствует индуктивной нагрузке трансформатора ( ).

Обычно вторичное напряжение оценивают не по значению напряжения, а по отклонению напряжения от номинального значения . Оно называется изменением вторичного напряжения и выражается в % от номинального.

– текущее значение напряжения на вторичной обмотке.

Можно доказать, что изменение напряжения может быть выражено:

Проведем несложные преобразования, учитывая, что

Получаем выражение для определения процентного отклонения вторичного напряжения:

где – угол нагрузки, равный

Тогда, зная изменение напряжения и номинальные данные трансформатора, можно всегда рассчитать значение вторичного напряжения:

Из выражений (31) и (32) вытекает линейная зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки, а также и становится понятным, почему так выглядит внешняя характеристика трансформатора при разной нагрузке (рис. 10).

Внешняя характеристика трансформатора играет важную роль при выборе режима работы трансформатора в конкретных условиях, а также для выбора самого трансформатора.

Обычно при неизменном первичном напряжении U₁ колебания нагрузки трансформатора вызывают сравнительно малое изменение вторичного напряжения U₂. Однако в условиях эксплуатации электроустановок часто возникает необходимость поддерживать постоянным вторичное напряжение или изменять его в определенных пределах. Для решения этой задачи изменяют ЭДС вторичной обмотки, действующее значение которой

ЭДС обмотки можно изменить путем изменения числа ее витков или магнитного потока. Наибольшее распространение получило регулирование напряжения посредством изменения числа витков. Для этого обмотки выполняют с несколькими ответвлениями, каждое из которых соответствует определенному числу витков. При переключении обмоток напряжение изменяется ступенями. Обмотки ВН трансформаторов обычно имеют пять ответвлений, которые позволяют изменять вторичное напряжение на ±2,5% и 5% от номинального. При изменении числа витков первичной обмотки магнитный поток в магнитопроводе будет изменяться.

Регулировочные ответвления могут быть сделаны как на первичной, так и на вторичной обмотках. Если трансформатор работает в условиях постоянства первичного напряжения, регулировочные ответвления целесообразно делать на вторичной обмотке. Если же первичное напряжение изменяется, регулировочные ответвления целесообразно делать на первичной обмотке, чтобы при изменениях первичного напряжения отношение оставалось бы неизменным. В этом случае магнитный поток в магнитопроводе трансформатора будет оставаться неизменным, не увеличивая потерь в стали и намагничивающего тока. При этом соотношение потерь в стали и меди остается неизменным и обеспечивается наиболее выгодный КПД трансформатора.

Понижающие силовые трансформаторы большей частью работают в условиях изменения первичного напряжения и регулировочные ответвления делаются у обмотки ВН. По конструктивным соображениям регулировочные ответвления целесообразно делать у обмотки ВН, так как в этом случае переключатели должны быть рассчитаны на меньший ток. Так как при регулировании напряжения отключается часть витков только одной обмотки, то при этом нарушается симметричное расположение действующих витков одной обмотки относительно другой. Это приводит к дополнительному магнитному рассеянию и потерям. При аварийных режимах (короткое замыкание) возникают механические усилия, которые могут достигать опасной для обмоток величины. Поэтому необходимо обеспечить достаточную механическую прочность обмоток. При отключении части витков в середине обмотки механическая прочность обмотки снижается в меньшей степени, чем при отключении части витков у конца обмотки, поэтому в обмотках трансформаторов ответвления располагают в средней части обмотки. Переключение с одного ответвления на другое производят только после отключения трансформатора от первичной и вторичной сетей, чтобы избежать возможных коротких замыканий регулировочных витков обмотки и разрыва цепи обмотки под нагрузкой. Переключение осуществляют поворотом рукоятки переключателя, расположенной на крышке бака трансформатора.

Существуют также схемы регулирования напряжения без отключения трансформатора от сети. В таких трансформаторах реагирование напряжения производится под нагрузкой (РПН). Для ограничения токов коротких замыканий в регулируемых витках в процессе переключения эти витки замыкаются на относительно большое индуктивное или активное сопротивление.

Внешняя характеристика трансформатора

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:

Входящие в выражение (1.32) величины uка и uкр — это активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания (к.з.) u_к. Напряжение u_к определяется как отношение напряжения U_к, при котором проводится опыт к.з., к номинальному напряжению U_1ном в процентах. В опыте к.з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (z_н=0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение U_к, при котором по обмоткам токи протекают номинальные. В опыте к.з. напряжение питания уравновешивается в основном падением напряжения в обмотках, и величину U_к можно рассматривать как эквивалентное падение напряжения в обмотках при номинальном токе нагрузки. В силовых трансформаторах и трансформаторах питания малой мощности значение u_к составляет 5-15%, причем большие значения относятся к трансформаторам меньшей мощности. Конкретные значения uк приводятся в соответствующих каталогах. Значения u_ка и u_кр либо определяются экспериментально в опыте к.з., либо рассчитываются через параметры схемы замещения.

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<0) нагрузке могут быть возрастающими (в формуле (1.32) член u_крsinφ₂ становится отрицательным). В трансформаторах небольшой мощности активное падение напряжения обычно больше, чем индуктивное, и характеристика при активной нагрузке менее жесткая, чем при активно-индуктивной (рис. 2, а). В трансформаторах большой мощности соотношение падений напряжения противоположное и характеристика при активной нагрузке будет более жесткой.

Что называют внешней характеристикой трансформатора, расчеты и формулы

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. Случается, что вторичное напряжение становится больше соответствующего первичного.

Активная

Загрузка при переменном токе считается активной, если закон Ома выполняется так же, как при подаче постоянного тока, вся электроэнергия используется по назначению (без потерь). Например, лампа выделяет луч света без выделения тепла. Это значит, что напряжение и ток колеблются на одной фазе (cos φ2=1). Активная загрузка – теоретическая модель, которая на практике не встречается. При увеличении этого вида нагрузки вольтаж на выходе из вторичной намотки снижается, φ₂ = 0.

Индуктивная

Для индуктивной загрузки характерно отставание тока от увеличения вольт, требующее использования реактивной мощности. Если увеличивается индуктивная нагрузка трансформатора, вторичное напряжение снижается из-за размагничивания намоток, его абсолютное значение меньше электродвижущей силы на φ₂, причем φ_2> 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;

«uка» и «uкр» – активное и реактивное напряжение холостого хода или короткого замыкания.

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.