Что называют внешней характеристикой трансформатора, расчеты и формулы

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.

Характеристики, определяющие поведение электрической машины

Так называют совокупность параметров, определяющих поведение электрической машины при различных режимах работы. Таковыми являются: пусковой момент, режим короткого замыкания и холостого хода.

Напряжение при коротком замыкании

При измерениях значения закорачивают выводы, а на первичную катушку подается напряжение U_к.  Сила тока на ней не превышает номинала (I_к < I_1ном), а U_к составляет 5–12% от номинальной величины.

Напряжение при холостом ходе

Это значение ненагруженного (I₂=0) трансформатора при поданной номинальной величине U₁ на вход аппарата. При разомкнутой  нагрузке вторичная катушка оказывается обмоткой высшего (ВН) напряжения от взаимоиндукциии, а первичная становится обмоткой низшего (НН) значения. Подобное происходит по причине самоиндукции на ней, направленной против приложенного напряжения.

Ток холостого хода

Он относится к параметрам первичной обмотки и измеряется при  номинальном значении I_1н с ненагруженной вторичной катушкой.

Пусковой ток

Он протекает через первичную обмотку  аппарата после включения в питающую сеть. Пиковое значение в несколько десятков раз превышает I_1н. Способами борьбы с переходными процессами в электрической машине считаются:

• увеличение количества витков и эффективной площади сечения магнитопровода;
• подключение к питающей сети в момент максимальной амплитуды импульса (φ = π/2).

Испытательное пробойное напряжение рабочей частоты

Этот параметр трансформатора характеризует электрическую прочность изделия – способность выдерживать повышенное напряжение. Величина испытательного напряжения зависит от класса используемой изоляции. Параметр измеряется подачей высокого U _исп рабочей частоты относительно земли на закороченные выводы обмотки ВВ. Выводы ВН закорачиваются и вместе с магнитопроводом (баком с маслом, металлическими деталями) заземляются.

Внешняя характеристика

Рабочий режим силовой машины задается не только U_1н и К_т, но и активно-реактивной нагрузкой электроприемника, подключенного к выводам вторичной обмотки. Изменяющийся ток в  нагрузке (при электропитании U_1н = const), соответственно, меняет и напряжение на выходе трансформатора. Эта зависимость отражается в коэффициенте нагрузки: Кн = I₂/I_2н.

Потери в режиме холостого хода

Потери мощности ненагруженного электромагнитного устройства состоят из потерь в сердечнике из трансформаторного железа. ЭДС расходуется на нагрев магнитопровода, вихревые токи и гистерезис.

Повышает КПД аппарата применение электротехнической стали с высоким удельным сопротивлением и качественная изоляция пластин магнитопровода лаком, жаростойким покрытием. Помимо «потерь в железе», всегда присутствуют «потери в меди», обусловленные омическим сопротивлением витков электромагнитного устройства.

Потери в режиме короткого замыкания

Короткое замыкание трансформатора при эксплуатации создает экстремальный режим, способный вывести из строя аппарат. При этом вторичный ток а, соответственно, первичный увеличиваются в десятки раз по сравнению с I_н. Поэтому в электрической цепи аппарата предусматривают защиту от сверхтока КЗ, которая автоматически размыкает цепь электропитания.

Мощность

Основным параметром трансформаторов является мощность, обозначаемая буквой S. Она определяет массогабаритные показатели электромагнитного аппарата. От значения мощности зависит тип используемого магнитопровода, количество/диаметр витков в обмотках. Измеряется мощность в единицах В∙А (вольт-ампер). На практике для удобства используются кратные вольт-амперам величины кВА (103∙ В∙А) и МВА (106∙ В∙А).

Электромагнитная

Представляет собой мощность в   выходной катушке, передаваемой с витков входной электромагнитным способом. Она определяется умножением действующего значения ЭДС на величину тока, протекающего в нагрузке электромагнитного преобразователя: S_эм = E₂∙ I_2.

Полезная

Это произведение действующего напряжения во вторичной обмотке на значение нагрузочного тока. Рассчитывается по формуле: S_{2 =} U_2∙I₂.

Расчетная

Расчётная мощность – произведение величин I₁ и U₁   входной обмотки аппарата S₁ = U₁  I₁. Этот параметр определяет габариты изделия: число витков и сечение проводов.

Габаритная (типовая)

Параметр S _габ определяет реальное сечение сердечника. Так называют полусумму мощностей всех обмоток электромагнитного устройства: S _габ = 0,5∙(S₁+S₂ +S₃+ …).

Основные технические характеристики и способы определения параметров

Основные технические характеристики указываются в техдокументации на изделие. Они определяются расчетным путем или посредством замеров на специальном стенде при определенных режимах работы аппарата.

Первичное напряжение номинального значения

Так называют U_1н, которое требуется подать на входную катушку аппарата, чтобы в режиме холостого хода получить номинальное вторичное напряжение. Параметр U_1н указывается в техпаспорте изделия.

Вторичное номинальное напряжение

Это значение U_2н, которое устанавливается на выводах выходной обмотки при ненагруженном трансформаторе. На вход  прикладывается номинальная величина параметра. Значение параметра зависит от величины U_1н и коэффициента трансформации К_т. При  активно-емкостной нагрузке (φ₂< 0)  U_2н может оказаться больше U_1н.

Номинальный первичный ток

Это ток I_1н, протекающий во входной обмотке, при котором возможна продолжительная работа аппарата. Значение I_1н  указывается в техпаспорте на трансформатор.

Номинальный вторичный ток

Параметр также можно встретить в таблице паспортных данных трансформатора, он протекает по выходной катушке при продолжительной работе аппарата. Обозначается  I_2н.

Соотношением номинального входного и выходного напряжений определяется коэффициент трансформации: К = U_1н/U_2н.

Номинальный коэффициент мощности (cos φ)

Сos φ (косинус фи) определяется отношением активной мощности трансформатора P к полной S: cos φ = P/S. Это величина, показывающая рациональность расходования электроэнергии с учетом реактивных потерь преобразователя.

Коэффициент полезного действия

КПД электромагнитного устройства представляет отношение активной мощности Р₂, отбираемой от аппарата, к подводимой P1: η = P2/P1. Величина КПД тем больше, чем выше cosφ₂ и коэффициент загрузки β= I₂/I_2н.

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:

Числовое значение определяет коэффициент:

Кн=I₂/I_2ном=I₁/I₁ном

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.

§ 85. Внешняя характеристика. Потери и к.п.д. трансформатора

Увеличение нагрузки трансформатора сопровождается увеличением токов I₂ и I₁, что приводит к увеличению падения напряжения в обмотках трансформатора. Поэтому с увеличением нагрузки вторичное напряжение изменяется. В зависимости от характера нагрузки трансформатора изменение вторичного напряжения может быть различным. Если принять напряжение U₁ неизменным, то зависимость вторичного напряжения U₂ от величины нагрузки I₂, т. е.

U₂ = f(I₂) при φ = const,

называется внешней характеристикой трансформатора.

Внешняя характеристика для случая с активно-индуктивной нагрузкой дана на рис. 196.

Рис. 196. Внешняя характеристика трансформатора

При испытаниях трансформаторов проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. На рис. 197 дана схема опыта холостого хода. В этом случае вольтметры показывают напряжения первичной и вторичной обмотки U₁ и U₂. Амперметр, включенный в цепь первичной обмотки, измеряет ток холостого хода — I. Ваттметр измеряет мощность потерь холостого хода — Р. По данным опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации k, коэффициент мощности cos φ и другие данные.

Рис. 197. Схема опыта холостого хода трансформатора

Мощность, подводимая к трансформатору при холостом ходе, идет на покрытие потерь холостого хода. Так как ток холостого хода /0 мал, то потерями мощности на нагрев первичной обмотки, равными I2r₁, можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, идет на покрытие потерь в стали сердечника (потери на гистерезис и вихревые токи).

Если подключить первичную обмотку трансформатора к напряжению сети, а зажимы его вторичной обмотки замкнуть накоротко, то это приведет к опасному явлению короткого замыкания трансформатора. Токи короткого замыкания выделяют большое количество тепла в обмотках, что может привести к повреждению изоляции обмоток. Механические усилия, возникающие в обмотках трансформатора при коротких замыканиях, могут иногда привести к разрушению обмоток.

Если же зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко, а первичную обмотку подключить к пониженному напряжению, чтобы ток короткого замыкания I_2к был бы равен номинальному току I_2н, то при этом с трансформатором ничего опасного не произойдет. Этот опыт называется опытом короткого замыкания. Напряжение, под которое включается первичная обмотка трансформатора при опыте короткого замыкания, составляет несколько процентов от номинального напряжения этой обмотки и называется напряжением короткого замыкания; обозначается U_к.

Силовые трансформаторы, изготовляемые в СССР, имеют напряжение короткого замыкания, равное 5-10%.

На рис. 198 дана схема опыта короткого замыкания. Вольтметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает напряжение короткого замыкания U_к. Амперметры измеряют номинальные токи первичной и вторичной обмоток I_1н и I_2н. Ваттметр измеряет мощность потерь при коротком замыкании Р_к.

Рис. 198. Схема опыта короткого замыкания трансформатора

Выше было сказано, что магнитный поток трансформатора пропорционален величине напряжения первичной обмотки трансформатора.

При опыте короткого замыкания магнитный поток в сердечнике мал, так как напряжение короткого замыкания во много раз меньше номинального напряжения. Поэтому потерями в стали в этом случае можно пренебречь и считать, что мощность при этом опыте идет на покрытие потерь в обмотках трансформатора (I2₁r₁ + I2₂r₂).

По данным опыта короткого замыкания определяют коэффициент мощности при коротком замыкании cos φ_к, активные и реактивные сопротивления обмоток — r₁, x₁, r1₂ и х1₂.

В трансформаторе имеют место потери. Они слагаются из потерь в обмотках и потерь в стали сердечника.

Потери в обмотках трансформатора называются также электрическими потерями Р_э. Они пропорциональны квадрату тока. Электрические потери определяют по показаниям ваттметра из опыта короткого замыкания. Потери в стали, называемые также магнитными потерями Р_м, зависят от частоты сети и величины магнитной индукции. Магнитные потери определяют по показаниям ваттметра из опыта холостого хода трансформатора.

Общие потери ΔР равны сумме электрических Р_э и магнитных Р_м потерь:

ΔР = Р_э + Р_м.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности вторичной обмотки Р₂ к активной мощности первичной обмотки Р₁:

η =	P2	=	P2	.
P1	P2 + ΔP

к.п.д. трансформатора высок и может достигать 98-99%.

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).

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 — трансформатор

На рис. 6.17 представлены внешние характеристики трансформатора для различных по характеру нагрузок.
 

Упрощенная схе Внешние характеристики ма замещения трансформа — трансформатора.

На рис. 6.17 представлены внешние характеристики трансформатора для разных по характеру нагрузок.
 

Векторная диаграмма ( а упрощенной схемы замещения ( о трансформатора.| Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощности.| Внешние характеристики трансформатора малой мощности.

На рис. 8.15 изображены внешние характеристики трансформатора при различных значениях коэффициента мощности потребителей. Изображенные внешние характеристики ( рис. 8.15) справедливы для трансформаторов средней и большой мощности, у которых гк мало и х, гк. У трансформаторов малой мощности гк относительно велико и гк лк. Поэтому изменение напряжения у них более значительное и взаимное расположение внешних характеристик при различных значениях коэффициента мощности потребителей существенно отличается от трансформаторов большой мощности.
 

На рис. 2.7 показаны внешние характеристики трансформатора, из которых следует, что при индуктивном характере нагрузки вторичное напряжение понижается с увеличением нагрузки, а при емкостном характере нагрузки ( при достаточно больших фазовых сдвигах Ф2) с ростом нагрузки вторичное напряжение повышается.
 

На рис. 1 приведены внешние характеристики трансформатора при различных значениях коэффициента мощности cosrf2, из которых видно, что величина вторичного напряжения U2 зависит не только от величины нагрузочного тока / 2, но и от коэффициента мощности cos cp2 электроприемников.
 

Внешние характеристики трансформатора ТДФЖ-2002.

На рис. 5.13 приведены внешние характеристики трансформатора ТДФЖ-2002 для диапазонов больших и малых токов; штриховыми линиями обозначены предельные естественные внешние характеристики силового трансформатора для этих диапазонов. Жесткость внешних характеристик обеспечивает поддержание постоянного напряжения дуги. Значение сварочного тока определяется скоростью подачи электродной проволоки. Параллельность внешних характеристик трансформаторов ТДФЖ позволяет ориентировочно установить рабочее напряжение на холостом ходу трансформатора. При замыкании электродной проволоки на изделие в момент зажигания дуги напряжение на выходе трансформатора резко падает, тиристоры фазорегулятора полностью открываются. Это означает, что независимо от режима сварки зажигание дуги всегда происходит на максимальном токе установленного диапазона.
 

При расчете принять, что внешние характеристики трансформаторов имеют линейный характер и падения напряжения во вторичных обмотках трансформаторов равны потерям напряжения в них.
 

Внешние ( а в рабочие ( б нагрузочные характеристики трансформатора 112.

На рис. 6.17, б приведена внешняя характеристика трансформатора при активно-индуктивном характере нагрузки.
 

Внешние характеристики трансформатора.| Упрощенная диаграмма трансформатора при нагрузке.

На рис. 7 — 18 даны внешние характеристики трансформатора.
 

Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора.