Содержание
Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость между вторичными током и напряжением при изменении нагрузки, неизменном значении первичного напряжения U1 и заданном коэффициенте мощности cos φ2 во вторичной цепи.
Рис. 6.3. Внешняя характеристика трансформатора
Вторичное напряжение U2 при нагрузке отличается от напряжения холостого хода на величину изменения напряжения, которое зависит от величины нагрузки.
Внешняя характеристика может быть построена как по расчетным данным активного и индуктивного падений напряжения (расчетная внешняя характеристика), так и по опытным данным (внешняя характеристика конкретного трансформатора). Построение внешней характеристики показано на рис. 6.3. По оси ординат откладывается вторичное напряжение U2, а по оси абсцисс — величина нагрузки α (в % или долях от номинальной мощности). Начальная точка внешней характеристики начинается от ординаты, равной U2НОМ, а другой ее конец, против абсциссы α = 1 (т. е. при номинальной нагрузке), будет опущен против начала на величину ΔU — изменения напряжения.
Так как изменение напряжения пропорционально нагрузочному току I2 (см. § 6.1), то внешняя характеристика практически представляет прямую линию. На рис. 6.3 построены две внешние характеристики — для cos φ2=1 и cos φ2= 0,8.
Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора и при малой мощности они могут поменяться местами (при активной и активно-индуктивной нагрузках).
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) трансформатора η, как и всякого другого преобразователя энергии, называется отношение отдаваемой (полезной) мощности к затраченной (подведенной), или отношение вторичной мощности Р2 трансформатора к его первичной мощности P1, выраженное в %, т. е.
Ввиду высоких значений к. п. д. трансформатора (от 95 до 99,5% в зависимости от мощности) значения P1 и Р2 мало отличаются друг от друга. Поэтому для более точного расчета к. п. д. целесообразно первичную мощность представить равной вторичной плюс потери трансформатора, т. е.
Сделав соответствующую подстановку в первоначальную формулу для к. п. д., получим
Полученная формула для к. п. д., во-первых, уменьшает погрешности при расчете, и, во-вторых, позволяет определить к. п. д. готового трансформатора по его известным, измеренным при опытах холостого хода и короткого замыкания, потерям, не измеряя его первичной и вторичной мощностей, что в большинстве случаев было бы совершенно невозможно.
Выбор правильного расчетного значения к. п. д. трансформатора при его проектировании представляет собой более сложный вопрос, чем это может первоначально показаться. При разработке конструкции трансформатора (или серии трансформаторов) неизбежно приходится идти на компромисс между двумя противоречиями: с одной стороны, уменьшение стоимости трансформатора требует минимального расхода активных материалов — обмоточного провода и электротехнической стали, с другой стороны, стремление получить более высокий к. п. д., чтобы сделать трансформатор более экономичным в эксплуатации, вызывает увеличение расхода этих материалов.
Поэтому значения к. п. д. устанавливаются стандартами на трансформаторы, нормирующими потери последних. Значения к. п. д. устанавливаются с учетом общегосударственной экономики в зависимости от многих факторов, как-то: стоимости материалов, электроэнергии, линий электропередач и т. п., одновременно учитывая предшествующий опыт производства трансформаторов и их эксплуатации.
Кроме того, следует иметь в виду, что выбор того или иного значения к. п. д. еще не определяет полностью расхода активных материалов. Чтобы построить наиболее экономичный трансформатор при заданном к. п. д., необходимо еще учесть характер загрузки трансформатора, от которого зависит наиболее рациональное соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания трансформатора.
Более подробно этот вопрос освещен в [Л.2].
Нагрузка трансформатора не является постоянной по величине, она меняется в течение суток, сезона и года, в зависимости от нужд потребителя электроэнергии. Так, например, существуют характерные суточные, сезонные и другие графики нагрузки трансформаторов.
На рис. В.2 показан один из таких графиков.
К. п. д. трансформатора меняется в зависимости от величины его нагрузки, поэтому трансформатор должен быть построен таким образом, чтобы наибольшее значение его к. п. д. получалось при наиболее часто повторяющейся величине нагрузки.
Нагрузку трансформатора, т. е. активную мощность Р2, отдаваемую с его вторичной стороны, можно представить в виде следующего выражения:
где α — коэффициент загрузки трансформатора, выраженный в долях от номинальной мощности S;
cos φ2 — коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки (индуктивной или емкостной).
Потери холостого хода Рх пропорциональны квадрату индукции В, но так как индукция пропорциональна э. д. с. Е1 т. е. величине, относительно мало изменяющейся при изменении нагрузки (при расчете силового трансформатора обычно принимают E1 ≈U1 ), то потери холостого хода Рх при любой нагрузке практически можно считать по величине постоянными, т. е. Рх— const.
Потери короткого замыкания Рк, как основные (электрические), так и добавочные, пропорциональны квадрату нагрузочного тока I2. Их иногда называют переменными потерями. Следовательно, для любого значения нагрузки а потери короткого замыкания могут быть выражены следующей формулой:
где PК.НОМ — потери короткого замыкания при номинальной нагрузке.
В данном выражении, однако, пренебрегают током холостого хода в первичной обмотке и изменением сопротивления обмоточного провода в зависимости от температуры. Но эти факторы очень мало влияют на величину к. п. д., и поэтому они не учитываются.
Подставив полученные выражения для Р2 и РК в основную формулу (6.6) к. п. д., получим формулу к. п. д. в общем виде для любого значения α
В этой формуле имеют место указанные выше допущения, которые принимаются с целью упрощения расчета, существенно не влияя на их точность. Эти допущения также учтены в стандартах на трансформаторы.
Дата добавления: 2019-02-12 ; просмотров: 429 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ
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 zн 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.) uк. Напряжение uк определяется как отношение напряжения Uк, при котором проводится опыт к.з., к номинальному напряжению U1ном в процентах. В опыте к.з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (zн=0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение Uк, при котором по обмоткам токи протекают номинальные. В опыте к.з. напряжение питания уравновешивается в основном падением напряжения в обмотках, и величину Uк можно рассматривать как эквивалентное падение напряжения в обмотках при номинальном токе нагрузки. В силовых трансформаторах и трансформаторах питания малой мощности значение uк составляет 5-15%, причем большие значения относятся к трансформаторам меньшей мощности. Конкретные значения uк приводятся в соответствующих каталогах. Значения uка и uкр 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 (Kн), объясняется тем, что сопротивление обмоток невелико (uк≈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:
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 φ2> 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.