Внешняя характеристика трансформатора при различном характере нагрузки

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

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8846 — | 7556 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

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 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.

Внешняя характеристика трансформатора — это зависимость ?/₂ от тока /₂. Если пренебречь током холостого хода, то эквивалентная схема трансформатора (рис. 2.20) принимает вит, показанный на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Эквивалентная схема трансформатора для построения внешней характеристики

Поскольку Z K3 — ^кз + jX_ю, напряжение

Построим векторную диаграмму относительно вектора тока 1₂, как показано на рис. 2.24.

Рис. 2.24. Пояснения к постросшио внешней характеристики

Рис. 2.25. Внешняя харакгериешка транс

При изменении угла 11 (2-30) принимает вид

Потери в сердечнике Лчаг не зависят от коэффициента загрузки р (т. е. от тока h, это потери холостого хода).

Если исследовать (2.31) на экстремум по р, то КПД будет иметь максимум (Л = Лтах) при Дог

Дом»что соответствует Ро_ПТ = 0,5. 0,6. На рис. 2.28 показаны зависимость этих потерь и КПД от р .

Потери в обмотках пропорциональны квадрату коэффициента загрузки. При неизменной нагрузке устанавлшзают р = 1, что выполняется в маломощных трансформаторах. В мощных трансформаторах при изменяющейся нагрузке выбирают р

р_отт, что соответствует наименьшим потерям. Крутизна этой зависимости невысокая, максимум выражен слабо, и поэтому условие P_Niar

До_М нс является строгим. Дтя примера приведем практические значсния КПД и коэффициента мощности (i) для маломощных транс(|юрматоров при частою 50 Гц. Они представлены на рис. 2.29 [31 ].

Рис. 2.2Н. Зависимость КПД от коэффюцтеита загрузки

Рис. 2.29. Зависимость КПД и коэффициента мощности от выходной мощности трансформатора

На рис. 2.29 буквой Р обозначена активная мощность нагрузки трансформатора. Видно, что с увеличением выходной мощности растут и энергетические показатели трансформатора.

При проектировании трансформаторов исходной является мощность, которая связывает габариты трансформатора с полной мощностью нагрузки:

Полная (полезная) мощность многообмоточного трансформатора есть сумма полных мощностей всех его вторичных обмоток:

При активной нагрузке мощность активна и равнаРъ Типовой (габаритной) мощностью трансформатора называют полусумму мощностей всех его обмоток:

Найдем типовую мощность /ия /щухоб моточного трансформатора.

Полная мощность первичной обмотки S, = ?/,/, (U_tI- действующие значения), эта мощность определяет габариты обмоток: число витков — входным напряжением, а сечения проводов — действующими токами. Габаритная мощность транс(1юрштора определяет сечение сердечника и равна

Учитывая, что ?/, = 4k^V_lfsB_m, где s — теоретическая площадь поперечного

сечения магнитопровода (стали). Геометрическая площадь сечения s_c обычно больше и зависит от толщины пластин (ленты), поэтому ввалят так называемый коэффициент заполнения сердечника — отношение площади сечения к

геометрической •, которую легко измерить. Величина к_с= 1 . 0,5 (зависит от тол ицшы ленты). Для прессованных сердечников к_с = 1. Таким образом, s = k_cs_c и выражение для напряжения первичной обмотки принимает вид

Аналогичное выражение можно записать и для вторичной обмотки, а мощности первичной обмотки и типовая соогветсгвешю будут:

Отношение тока в обмотке к сечешио проводшпеа называется плотностью тока, и для всех обмоток трансформатора она одинакова.

где *обм2 — площади сечения проводшжов обмоток.

Заменим токи I_x = и /₂ = Лэбм2»тогда сумма в скобках в (2.38) равна

где % — сечение всех проводншеов (меди) в окис мапштопровода, как показано на рис. 2.30.

Рис. 2.30. К выводу формулы габаритной мощности трансформатора

Введем коэффициент заполнения окна медью . Его величина находится в предатах к_м =0,15. 0,5 и зависит от толщины изоляции проводов, каркаса, межслойной изоляции, способа намотки и пр. Тогда js_M = jk^s^ и выражеше для типовой монщосги принимает окончательный вит

Из выражения (2.40) следует, что типовая мощность определяется произведением s_cs_0K. При увеличении линейного размера транс^юрматора в т раз

его объем (масса) увеличится в т раз, а мощность возрастет в т раз. Поэтому удельные массообъемные показатели трана1юрматоров улучшаются с увеличением габаритной мощности. С этой точки зрения предпочтительны многообмоточные транс(юрматоры но сравнению с несколькими двухобмо- точными.

При конструировании трансформаторов следует стремиться к увеличению коэффициента заполнения окна магнитопровода обмотками , так как повышается Snm- Для этого используют провода прямоугольного ссчашя.

Выражение (2.40) является основой для расчета трансформатора. Его преобразуют к виду

По заданной выходной мощности Snm находят произведение s_cs_0K и по справочнику выбиро]от Tim и размер магнитопровода, у которого произведение (Vok)w бо-тыне найденного из (2.41) или равно ему. Такой сердечник обеспечит требуемую мощность в нагрузке.