Внешняя характеристика трансформатора, свойства

Трансформаторы широко используются в электроэнергетике и промышленности для преобразования электрической энергии. От их характеристик во многом зависит эффективность всей системы. Давайте разберемся, что представляет собой внешняя характеристика трансформатора и как она влияет на его работу.

Определение внешней характеристики трансформатора

Внешней характеристикой трансформатора называют зависимость напряжения U2 на выводах вторичной обмотки от величины тока I2, протекающего через нагрузку, подключенную к этим выводам, при постоянном значении напряжения U1 на входе трансформатора.

При изменении нагрузки вторичное напряжение трансформатора изменяется. Это происходит из-за того, что с изменением тока нагрузки I2 меняется падение напряжения на сопротивлении вторичной обмотки, а также изменяется ЭДС вторичной обмотки за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки.

Поскольку уравнения для электрических величин в трансформаторе являются векторными, то напряжение U2 зависит как от значения тока нагрузки I2, так и от характера этой нагрузки - активной, индуктивной или емкостной.

Факторы, влияющие на внешнюю характеристику

На вид внешней характеристики трансформатора влияют следующие факторы:

• величина нагрузки;
• характер нагрузки - активный, индуктивный или емкостный;
• параметры трансформатора - сопротивления обмоток, индуктивности рассеяния;
• величина начального напряжения U1.

Рассмотрим несколько примеров того, как меняется внешняя характеристика при варьировании этих параметров:

• При активно-емкостной нагрузке (φ2 < 0) зависимость U2(I2) может быть возрастающей, в то время как при других видах нагрузок она всегда убывающая.
• Чем выше сопротивления обмоток трансформатора, тем быстрее падает U2 с ростом I2.
• При меньшем значении U1 характеристика круче и быстрее снижается U2.

Определение параметров внешней характеристики

Параметры внешней характеристики трансформатора можно определить несколькими способами:

1. Экспериментально в опытах холостого хода и короткого замыкания трансформатора;
2. Расчетом через параметры схемы замещения трансформатора;
3. Используя упрощенные инженерные формулы.

Рассмотрим последний способ подробнее. Для приближенных инженерных расчетов используется следующая формула:

ΔU = (U_2н / 100) · (P₂/P_2н) · [u_кр·sinφ₂ + u_ка·cosφ₂]

Здесь ΔU - относительное изменение вторичного напряжения в % от U2хх, P2/P2н - коэффициент нагрузки, ука и укр - параметры режима короткого замыкания, φ2 - угол сдвига фаз тока и напряжения нагрузки.

Для примера рассчитаем внешнюю характеристику трансформатора мощностью 1000 кВА с параметрами: U1 = 10 кВ, U2хх = 400 В, ука = 6%, укр = 8%, cosφ2 = 0,8. Результаты сведем в таблицу:

Видим, что с ростом коэффициента нагрузки напряжение U2 падает. Таким образом можно рассчитать всю внешнюю характеристику.

Зависимость КПД трансформатора от нагрузки

Важной характеристикой любого трансформатора является его коэффициент полезного действия (КПД). Он показывает, какая часть подводимой к трансформатору мощности преобразуется в полезную мощность, отдаваемую нагрузке.

Потери мощности в трансформаторе состоят из:

• Потерь в обмотках (электрические потери) - пропорциональны квадрату тока;
• Потерь в стали магнитопровода (магнитные потери) - зависят от частоты и индукции.

С увеличением нагрузки трансформатора электрические потери растут, а магнитные остаются постоянными. Поэтому зависимость КПД от величины нагрузки имеет сложный немонотонный характер с максимумом в некоторой точке.

Выбор трансформатора по требуемой характеристике

При выборе трансформатора для конкретных целей нужно учитывать требования к его внешней характеристике со стороны нагрузки:

• Для систем с переменной нагрузкой нужен пологий спад характеристики.
• В сварочных установках при резких бросках тока требуется жесткая внешняя характеристика.
• При питании чувствительной электроники не должно быть падений напряжения.

Кроме того, нужно выбирать трансформатор с запасом по мощности, особенно если характеристика крутая. Для сварочного трансформатора запас обычно составляет 30-50%.

Измерение характеристик трансформатора

Для экспериментального определения параметров внешней характеристики и графика КПД(P2) трансформатора используется следующее оборудование:

• Источник регулируемого напряжения для питания первичной обмотки;
• Набор эталонных активных и реактивных нагрузок;
• Приборы для измерения токов, напряжений, мощностей.

Сначала проводят испытание трансформатора на холостом ходу, затем - опыты при различных нагрузках. По результатам строят график зависимости U2(I2).

Особенности внешней характеристики однофазных трансформаторов

У однофазных трансформаторов отсутствует эффект взаимной индукции обмоток, имеющий место в трехфазных трансформаторах. Поэтому при равных габаритах однофазные трансформаторы имеют:

• бóльшие индуктивные сопротивления рассеяния;
• меньший коэффициент связи обмоток и, как следствие, более крутую внешнюю характеристику.

Это необходимо учитывать при выборе однофазного трансформатора для конкретных целей.

Влияние внешней характеристики на работу системы

Внешняя характеристика трансформатора оказывает существенное влияние на работу всей электрической системы, в состав которой он входит. Рассмотрим на примерах.

Системы электроснабжения производства

В производственных цехах часто используется группа трансформаторов или трансформаторная подстанция для понижения напряжения до рабочего уровня. При включении или отключении крупных станков и механизмов нагрузка и, соответственно, ток I2 может существенно меняться.

Если характеристика трансформатора крутая, то будут возникать недопустимо большие провалы напряжения U2, что приведет к нарушениям в работе оборудования. Поэтому здесь нужен трансформатор с пологой внешней характеристикой и запасом по мощности.

Системы возбуждения генераторов

Возбудители синхронных генераторов часто выполняются на базе возбуждающего трансформатора. От стабильности его вторичного напряжения U2 зависит стабильность тока возбуждения обмотки ротора и выходных параметров всего генератора.

Здесь очень важно обеспечить жесткость внешней характеристики возбуждающего трансформатора - небольшое изменение тока I2 при переходных процессах не должно приводить к заметному падению U2.

Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

Во многих устройствах радиоэлектроники для формирования стабильных опорных напряжений питания используются маломощные трансформаторы. Они должны иметь очень жесткую внешнюю характеристику, чтобы при любых незначительных изменениях нагрузки выходное напряжение U2 оставалось практически неизменным.

Рекомендации по учету характеристик в проектировании

Итак, при проектировании систем с трансформаторами крайне важно учитывать их внешние характеристики. Можно дать следующие рекомендации:

• Анализировать возможный разброс нагрузок по току I2;
• Выбирать трансформатор с запасом мощности и подходящей крутизной характеристики;
• При необходимости стабилизировать U2 дополнительными устройствами.

Учет этих факторов позволит создавать надежные и эффективные системы электроснабжения.