Основні характеристики трансформатора - Школа для електрика все про електротехніку та електроніку
Зовнішня характеристика трансформатора
Відомо, що напруга на висновках вторинної обмотки трансформатора залежить від струму навантаження, підключеного до цієї обмотки. Ця залежність називається зовнішньою характеристикою трансформатора.
Зовнішня характеристика трансформатора знімається при постійній напрузі живлення, коли зі зміною навантаження, по суті - зі зміною струму навантаження, змінюється напруга на висновках вторинної обмотки, тобто вторинна напруга трансформатора.
Це пояснюється тим, що на опорі вторинної обмотки, зі зміною опору навантаження, змінюється падіння напруги, і за рахунок зміни падіння напруги на опорі первинної обмотки, змінюється відповідно і ЕРС вторинної обмотки.
Оскільки рівняння рівноваги ЕРС у первинній обмотці містить векторні величини, напруга на вторинній обмотці залежить і від струму навантаження, і від характеру цього навантаження: чи вона активна, індуктивна або ємнісна.
Про характер навантаження свідчить величина кута зсуву фаз між струмом через навантаження та напругою на навантаженні. Загалом можна ввести коефіцієнт навантаження, який покаже те, у скільки разів струм навантаження відрізняється від номінального для даного трансформатора:
Для точного розрахунку зовнішньої характеристики трансформатора можна вдатися до схеми заміщення, в якій, змінюючи опір навантаження, фіксувати напругу та струм вторинної обмотки.
Тим не менш, для практики корисною виявляється наступна формула, в яку підставляються напруга холостого ходу та «зміна вторинної напруги», яка вимірюється у відсотках, і обчислюється як арифметична різниця між напругоюхолостого ходу та напругою при даному навантаженні у відсотках від напруги холостого ходу:
Вираз для знаходження «зміни вторинної напруги» одержують із певними припущеннями зі схеми заміщення трансформатора:
Тут введені величини реактивної та активної складової напруги короткого замикання. Дані складові напруги (активна та реактивна) знаходяться через параметри схеми заміщення, або перебувають експериментальним шляхом у досвіді короткого замикання.
Досвід короткого замикання дозволяє багато дізнатися про трансформатор. Напруга короткого замикання знаходять як відношення напруги короткого замикання в експерименті до номінальної первинної напруги. Параметр "напруга короткого замикання" вказується у відсотках.
У ході експерименту у трансформатора коротко замикають вторинну обмотку, при цьому на первинну подають напругу значно нижче номінального, щоб струм короткого замикання виявився б рівним номіналу. Тут напруга живлення врівноважується падіннями напруги на обмотках, і величину зниженої напруги, що підводиться розглядають як еквівалентне падіння напруги на обмотках при струмі навантаження рівному номіналу.
Для малопотужних трансформаторів живлення та для силових трансформаторів величина напруги короткого замикання лежить у межах від 5% до 15%, і чим потужніший трансформатор — тим менша ця величина. Точне значення напруги короткого замикання наводиться у технічній документації на конкретний трансформатор.
На малюнку наведено зовнішні характеристики, побудовані відповідно до наведених вище формул. Бачимо, що графіки лінійні, це тому, що вторинна напруга не сильно залежить від коефіцієнта навантаження через малого.опору дроту обмоток, а робочий магнітний потік мало залежить від навантаження.
На малюнку видно, що кут зсуву фаз залежно від характеру навантаження впливає на те, що падає або зростає виходить характеристика. При навантаженні активної чи активно-індуктивної - характеристика падаюча, при активно-ємнісній - може бути зростаючою, і тоді другий член у формулі для "зміни напруги" стає негативним.
Для малопотужних трансформаторів активної складової зазвичай падає більше, ніж індуктивної, тому зовнішня характеристика при активному навантаженні менш лінійна, ніж при навантаженні активно-індуктивного характеру. Для потужніших трансформаторів — все навпаки, тому й характеристика навантаження активного характеру виявиться жорсткішою.
Коефіцієнтом корисної дії трансформатора називається відношення корисної електричної потужності, що віддається в навантаження, до споживаної трансформатором активної електричної потужності:
Потужність, що споживається трансформатором, складається з потужності споживаного навантаженням і потужності втрат безпосередньо в трансформаторі. При цьому активна потужність співвідноситься з повною потужністю таким чином:
Так як на виході трансформатора напруга в цілому слабко залежить від навантаження, коефіцієнт навантаження може бути пов'язаний з номінальною повною потужністю так:
І потужність, що споживається навантаженням у вторинному ланцюзі:
Електричні втрати у навантаженні довільної величини можуть бути виражені з урахуванням втрат при номінальному навантаженні через коефіцієнт навантаження:
Втрати при номінальному навантаженні досить точно визначаються потужністю, яку трансформатор споживає в експерименті короткого замикання, а втрати магнітного характеру рівні потужності, що споживаєтьсятрансформатором на неодруженому ходу. Ці складові втрат наводяться у документації на трансформатори. Так, якщо врахувати наведені факти, формула для ККД набуде наступного вигляду:
На малюнку наведено залежність ККД трансформатора від навантаження. При навантаженні рівному нулю - ККД дорівнює нулю.
Зі зростанням коефіцієнта навантаження зростає і потужність, що віддається в навантаження, причому магнітні втрати незмінні, і ККД, легко бачити, лінійно зростає. Далі настає оптимальне значення коефіцієнта навантаження, при якому ККД досягає своєї межі, у цій точці виходить максимальний ККД.
Після проходження оптимального коефіцієнта навантаження ККД починає поступово знижуватися. Це тому, що зростають електричні втрати, вони пропорційні квадрату струму і, квадрату коефіцієнта навантаження. Максимум ККД для потужних трансформаторів (потужність вимірюється в одиницях і більше КВА) лежить у межах від 98% до 99%, у малопотужних (менше 10 ВА) - ККД може бути близько 60%.
Як правило, трансформатори ще на стадії проектування намагаються зробити такими, щоб ККД досягав максимального значення при оптимальному коефіцієнті навантаження від 0,5 до 0,7, тоді при реальному коефіцієнті навантаження від 0,5 до 1 ККД виявиться близьким до свого максимуму. З зменшенням коефіцієнта потужності (косинусу фі) навантаження, приєднаної до вторинної обмотці, зменшується і потужність, що віддається, причому електричні і магнітні втрати залишаються незмінними, отже ККД в цьому випадку падає.
Оптимальний режим роботи трансформатора, тобто його номінальний режим зазвичай встановлюють за умовами безаварійної роботи і за рівнем допустимого нагріву за час певного експлуатаційного періоду. Це украй важлива умова, щоб трансформатор віддаючиномінальну потужність, працюючи в номінальному режимі, не перегрівався надміру.