Характеристики и режимы работы трансформатора

Для нормальной работы потребителей электрической энергии, являющихся нагрузкой трансформатора, необходимо, чтобы действующее значение вторичного напряжения (7, (или U[) оставалось неизменным во всем диапазоне значений его нагрузки. Однако вторичное напряжение (7, изменяется с изменением тока нагрузки трансформатора /, (или /'), что непосредственно следует из уравнения (10.24):

Зависимости (7, =/(/,) при cosy-const, соответствующие (10.25), называются внешними характеристиками трансформатора.

Изменение вторичного напряжения U,, обозначаемое Д(7,, при переходе трансформатора от XX к нагрузке с учетом (10.21) будет равно

Полагая ток нагрузки трансформатора равным /'=/'(cos(p + j sin ф) и пользуясь (10.26), можно получить выражение для Л(7,:

'' 1

в котором исключены члены, мало влияющие на величину А(7, (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Векторная диаграмма однофазного трансформатора соответствующая упрощенной схеме замещения

Зависимости изменения вторичного напряжения A7/, от тока нагрузки 7,, которые отвечают нескольким фиксированным значениям коэффициента мощности coscp, показаны в процентах от напряжения 7/, в режиме холостого хода на рис. 10.9.

Изменение вторичного напряжения судовых силовых трансформаторов АС/,, имеющих мощность более 1 кВт, в диапазоне изменения нагрузки от нуля до номинального значения (при) не превышает 5% его номинального значения U_2Нои. Для маломощных трансформаторов изменения вторичного напряжения существенно большие.

Номинальным вторичным напряжением считается его значение в режиме XX (т.е. при).

Рис. 10.9. Зависимость изменения вторичного напряжения трансформатора от тока и коэффициента мощности нагрузки

КПД трансформатора г| равен отношению активной мощности Р,, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к активной мощности , потребляемой трансформатором от источника. Мощности 7J =(7,7, coscp, и Р, =77,7, coscp, отличаются на величину потерь мощности в трансформаторе:

и, следовательно,

Для двухобмоточного трансформатора при 7_м « 7, имеет место 7, =Г₂. Тогда согласно формуле (10.12)

поэтому

Потери мощности в магнитопроводе АР зависят от максимального значения магнитной индукции или соответствующей ему максимальной амплитуды потока Ф_т. Последняя мало изменяется в зависимости от режима нагрузки трансформатора, поэтому АР. при расчете КПД принимается величиной постоянной.

Таким образом, КПД согласно (10.28) оказывается следующей функцией тока /, и коэффициента мощности coscp нагрузки:

График зависимости КПД от тока нагрузки /, при costp = const представлен на рис. 10.10. КПД существенно зависит от величины нагрузки. При некоторой нагрузке КПД достигает максимума.

Рис. 10.10. Потери и КПД трансформатора в зависимости от тока нагрузки

Трансформаторы проектируются так, чтобы они работали с максимальным КПД при наиболее вероятной нагрузке, равной, как правило, 60-80% ее максимального значения. Номинальному току нагрузки отвечает номинальный КПД г_ном. Для силовых трансформаторов ц_ном =0,92-0,98.

Режим работы трансформаторов лимитируется предельными температурами их нагрева (из-за потерь в обмотках и магнитопроводе), механическими напряжениями (из-за электромагнитных сил взаимодействия токопроводов) и электрической прочностью изоляции обмоток (при воздействии повышенных напряжений). Нормальными для трансформаторов являются режимы в пределах от холостого хода до номинального. В качестве номинального принимается длительный режим нагрузки, не вызывающий повышения температуры обмоток выше значения, при котором начинается ускоренный износ (старение) изоляции. Для силовых трансформаторов в зависимости от материала изоляции предельными значениями температуры являются 135 или 180 °С.

Повышенный перегрев вызывают токи в обмотках, большие, чем их номинальные значения, устанавливаемые для каждого трансформатора. Повышенный нагрев возникает также, если трансформатор включается на источник с напряжением, превышающим номинальное. Последнее приводит к увеличению максимальных значений индукции В_т, а это связано с повышением потерь в обмотках и в магнитопроводе. Обычно максимальная индукция ограничивается значениями 1,1-1,6Тл.

Для трансформаторов опасно КЗ вторичной обмотки. В этом аварийном режиме возникают значительные токи, превышающие номинальные более чем на порядок. Они обусловливают большие электромагнитные усилия, которые могут привести к механическим разрушениям обмоток. Кроме того, большие токи КЗ сопровождаются значительными тепловыделениями и недопустимыми перегревами изоляции обмоток, ведущими к ее порче. Режим КЗ допустим при понижении напряжения питания до сотых долей номинального значения.