Основни характеристики на трансформатора

Външна характеристика на трансформатора

Известно е, че напрежението на клемите на вторичната намотка трансформатор зависи от тока на натоварване, свързан към тази намотка. Тази зависимост се нарича външна характеристика на трансформатора.

Външната характеристика на трансформатора се отстранява при постоянно захранващо напрежение, когато с промяна в товара, всъщност с промяна в тока на натоварване, напрежението на клемите на вторичната намотка, т.е. вторичното напрежение на трансформатор, също се променя.

Това явление се обяснява с факта, че върху съпротивлението на вторичната намотка, с промяна в съпротивлението на натоварването, спадът на напрежението също се променя, а поради промяната в спада на напрежението през съпротивлението на първичната намотка, EMF на вторичната намотка се променя съответно.

Тъй като уравнението на равновесието на ЕМП в първичната намотка съдържа векторни количества, напрежението на вторичната намотка зависи както от тока на натоварване, така и от характера на това натоварване: независимо дали е активно, индуктивно или капацитивно.

Характерът на товара се доказва от стойността на фазовия ъгъл между тока през товара и напрежението в товара. По принцип можете да въведете коефициент на натоварване, който ще покаже колко пъти токът на натоварване се различава от номиналния за даден трансформатор:

За точно изчисляване на външните характеристики на трансформатора може да се прибегне до еквивалентна верига, в която чрез промяна на съпротивлението на натоварването може да се фиксират напрежението и тока на вторичната намотка.

Независимо от това, следната формула се оказва полезна за практиката, в която напрежението на отворената верига и «промяната на вторичното напрежение», която се измерва като процент, се заместват и се изчисляват като аритметичната разлика между напрежението на отворената верига и напрежението при даден товар като процент от напрежението на отворената верига:

Изразът за намиране на «промяна на вторичното напрежение» се получава с определени предположения от еквивалентната верига на трансформатора:

Тук се въвеждат стойностите на реактивните и активните компоненти на напрежението на късо съединение. Тези компоненти на напрежението (активни и реактивни) се намират чрез параметрите на еквивалентната верига или се намират експериментално в опит в късо съединение.

Опитът с късо съединение разкрива много за трансформатора. Напрежението на късо съединение се намира като отношение на напрежението на късо съединение в експеримента към номиналното първично напрежение. Параметърът «напрежение на късо съединение» е посочен в проценти.

В хода на експеримента вторичната намотка се късо съединява към трансформатора, докато напрежението се прилага към първичната много по-ниска от номиналната, така че токът на късо съединение да бъде равен на номиналната стойност. Тук захранващото напрежение се балансира чрез спадане на напрежението в намотките, а стойността на приложеното намалено напрежение се счита за еквивалентен спад на напрежението върху намотките при ток на натоварване, равен на номиналната стойност.

За захранващи трансформатори с ниска мощност и за силови трансформатори стойността на напрежението на късо съединение е в диапазона от 5% до 15% и колкото по-мощен е трансформаторът, толкова по-малка е тази стойност. Точната стойност на напрежението на късо съединение е дадена в техническата документация за конкретен трансформатор.

Фигурата показва външните характеристики, изградени в съответствие с горните формули.Виждаме, че графиките са линейни, това е така, защото вторичното напрежение не зависи силно от коефициента на натоварване поради относително ниското съпротивление на намотката, а работният магнитен поток зависи малко от натоварването.

Фигурата показва, че фазовият ъгъл, в зависимост от характера на товара, влияе дали характеристиката пада или се увеличава. При активен или активно-индуктивен товар характеристиката пада, при активно-капацитивен товар може да се увеличава и тогава вторият член във формулата за «смяна на напрежението» става отрицателен.

За трансформатори с ниска мощност активният компонент обикновено пада повече от индуктивния, поради което външната характеристика с активен товар е по-малко линейна, отколкото с активно-индуктивен товар. За по -мощните трансформатори е обратното, следователно характеристиката за активно натоварване ще се окаже по -строга.

Ефективност на трансформатора

Ефективността на трансформатора е съотношението на полезната електрическа мощност, доставена към товара, към активната електрическа мощност, консумирана от трансформатора:

Консумираната от трансформатора мощност е сумата от консумираната мощност от товара и загубите на мощност директно в трансформатора. Освен това активната мощност е свързана с общата мощност, както следва:

Тъй като напрежението на изхода на трансформатора обикновено е слабо зависимо от натоварването, коефициентът на натоварване може да бъде свързан с номиналната видима мощност, както следва:

И мощността, консумирана от товара във вторичната верига:

Електрическите загуби в товара с произволна величина могат да бъдат изразени, като се вземат предвид загубите при номинално натоварване чрез коефициента на натоварване:

Загубите при номинално натоварване се определят много точно от мощността, която трансформаторът изразходва в експеримента за късо съединение, а загубите от магнитна природа са равни на консумираната от трансформатора мощност без товар. Тези компоненти за загуба са дадени в документацията на трансформатора. Така че, ако вземем предвид горните факти, формулата за ефективност ще приеме следната форма:

Фигурата показва зависимостта на ефективността на трансформатора от натоварването. Когато натоварването е равно на нула, ефективността е равна на нула.

С увеличаване на коефициента на натоварване, мощността, подавана към товара, също се увеличава, а магнитните загуби са непроменени, а ефективността, която е лесно да се види, нараства линейно. Тогава идва оптималната стойност на коефициента на натоварване, при която ефективността достига своята граница, в този момент се получава максималната ефективност.

След преминаване на оптималния коефициент на натоварване, ефективността започва да намалява постепенно. Това е така, защото електрическите загуби се увеличават, те са пропорционални на квадрата на тока и съответно на квадрата на коефициента на натоварване. Максималната ефективност за трансформатори с висока мощност (мощността се измерва в единици или повече kVA) е в диапазона от 98%до 99%, за трансформатори с ниска мощност (по-малко от 10 VA)-ефективността може да бъде около 60%.

Като правило, на етапа на проектиране те се опитват да направят трансформатори такива, че ефективността да достигне максималната си стойност при оптимален коефициент на натоварване от 0,5 до 0,7, след това с реален коефициент на натоварване от 0,5 до 1, ефективността ще бъде близка до нейната максимум. С намаляване коефициент на мощност (косинус фи) на товара, свързан към вторичната намотка, изходната мощност също намалява, докато електрическите и магнитните загуби остават непроменени, следователно ефективността в този случай намалява.

Оптималният режим на работа на трансформатора, т.е. номинален режим, обикновено се задават според условията на безпроблемна работа и според нивото на допустимото нагряване през определен период на работа. Това е изключително важно условие, така че трансформаторът, докато доставя номиналната мощност, докато работи в номинален режим, да не се прегрява прекалено много.