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

(28)

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

при .

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.

(29)

где

– текущее значение напряжения на вторичной обмотке.

Можно доказать, что изменение напряжения может быть выражено:

(30)

Проведем несложные преобразования, учитывая, что

Получаем выражение для определения процентного отклонения вторичного напряжения:

(31)

где – угол нагрузки, равный

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

(32)

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 U ₁ колебания нагрузки трансформатора вызывают сравнительно малое изменение вторичного напряжения U ₂. 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.