Зовнішня характеристика трансформатора
Зовнішньою характеристикою трансформатора називається залежність вторинного напруги від коефіцієнта навантаження, тобто . Зовнішні характеристики для різного характеру навантаження наведені на рис. 2.26.
У процесі трансформування електричної енергії з первинної обмотки трансформатора у вторинну частина енергії втрачається в самому трансформаторі на покриття втрат.
Втрати в трансформаторі поділяють на електричні та магнітні:
де - сумарні втрати; - електричні і магнітні трансформатора відповідно.
Електричні втрати трансформатора обумовлені нагріванням обмоток при проходженні по них електричного струму і рівні:
Тут - електричні втрати в первинній та вторинній обмотках відповідно; m - число фаз трансформатора; m = 1 - для однофазного трансформатора, m = 3 - для трифазного трансформатора.
Втрати в обмотках можна визначити з досвіду короткого замикання як
де - потужність, що підводиться до первинної обмотці в режимі короткого замикання при номінальних токах в обмотках. При цьому вважається, що вся що підводиться активна потужність витрачається тільки на покриття електричних втрат в обмотках, а магнітними втратами нехтують, оскільки магнітний потік в режимі короткого замикання малий і, отже, магнітні втрати також малі, і ними можна знехтувати.
Електричні втрати залежать від величини навантаження трансформатора і тому їх називають змінними.
Магнітні втрати відбуваються головним чином в муздрамтеатрі трансформатора. Причина появи цих втрат - систематичне перемагнічування магнітопроводу змінним магнітним полем.
де - втрати на гістерезис, тобто втрати, пов'язані з перемагнічуванням муздрамтеатру змінним магнітним полем; - втрати на вихрові струми. Втрати в стали залежать від властивостей матеріалу, величини індукції, частоти перемагнічування. Втрати на вихрові струми також залежать і від товщини сталевих листів.
Питомі втрати на гістерезис можна визначити як:
де - постійна, що залежить від марки сталі; f - частота перемагнічування;
В - величина магнітної індукції.
Питомі втрати на вихрові струми можна визначити як
де - постійна, що залежить від марки стали.
Так як магнітний потік пропорційний величині підведений напруги, то можна вважати, що магнітні втрати пропорційні квадрату напруги.
Для зниження втрат на вихрові струми зменшують товщину листів стали і ізолюють їх один від одного.
Магнітні втрати визначають з досвіду холостого ходу (як підведену активну потужність в режимі холостого ходу при номінальній напрузі, при цьому нехтується електричними втратами в первинній обмотці, оскільки струм холостого ходу малий):
Магнітні втрати не залежать від навантаження, і тому називаються постійними.
Таким чином, активна потужність Р1. що надходить з мережі в первинну обмотку, частково витрачається на електричні втрати в первинній обмотці рел1. Змінюється в часі магнітний потік викликає магнітні втрати РМГ. Частина, що залишилася потужності - електромагнітна потужність Рем - передається електромагнітним шляхом у вторинну обмотку, де витрачається на електричні втрати у вторинній обмотці рел2:
В результаті на виході вторинної обмотки маємо активну потужність Р2:
Всі види втрат і процес перетворення втрат показані на енергетичній діаграмі (рис. 2.26).
Коефіцієнт корисної дії трансформатора - це відношення активної потужності на виході вторинної обмотці до активної потужності на вході первинної обмотки:
де - повна номінальна потужність.
Знайдемо, при якому навантаженні ККД досягає максимального значення. Для цього потрібно взяти першу похідну і прирівняти до нуля:
Ця умова отримання максимуму ККД. Іншими словами, значення ККД максимально, якщо виконується рівність:
Останні три твердження рівноцінні і справедливі.
Інакше, з виразу (2.95), ККД досягає максимуму при такому навантаженні, що
Для серійних силових трансформаторів,, при цьому максимум ККД. У трансформаторах невеликої потужності (десятки ВА) максимальне ККД може знижуватися до. Слід також зазначити, що в трансформаторах максимум ККД виражений досить слабко, тобто ККД зберігає досить високе значення в широкому діапазоні навантаження (). При великих навантаженнях зростають електричні втрати в обмотках, внаслідок чого ККД знижується. Залежність η = f (КНГ) приведена на рис. 2.27.
трифазні трансформатори
Магнітні системи трифазних трансформаторів
Основні типи магнітних систем трифазних трансформаторів, залежно від конструктивного пристрою муздрамтеатру:
- Стрижнева магнітна система;
- Броньовий магнітна система;
- Бронестержневая магнітна система.
Також (в залежності від взаємозв'язку потоків різних фаз) магнітні системи поділяють як:
- Пов'язана магнітна система.
Покажемо найбільш поширені типи трифазних трансформаторів.
1. Незалежна магнітна система.
Трифазна трансформаторна група.
Даний тип представлений на рис. 2.28. Трифазна трансформаторна група виходить з трьох однофазних трансформаторів, обмотки яких з'єднані
певним чином. Схема з'єднання обмоток на малюнку - зірка / зірка (U / U).
Застосовують тільки при дуже великих потужностях (більше 10 МВА в фазі). Даний тип має деякі переваги при транспортуванні і монтажі. Так, при виході з ладу одного однофазного трансформатора, ремонту або заміні підлягає тільки один однофазний трансформатор.
До недоліків можна віднести громіздкість всієї конструкції, підвищені габарити і вага, звідси підвищена вартість.
Застосовуються, наприклад, в металургії для забезпечення роботи потужних електродугових печей.
2. Трифазний броньовий трансформатор.
Трифазний броньовий трансформатор можна розглядати як три однофазних броньових трансформатора, поставлених один на одного. Трифазний броньовий трансформатор представлений на рис. 2.29.
Середня фаза має зворотне включення в порівнянні з крайніми фазами, для того, щоб потоки в ярмах підсумовувалися. Векторна діаграма потоків в ярмі приведена на рис. 2.30. Застосовуються досить рідко через відносну складність конструкції.
3. Бронестержневой трансформатор.
З метою зменшення висоти конструкції муздрамтеатру виконуються трансформатори бронестержневого типу (рис. 2.31).
Трехстержневой трансформатор
Якщо на первинну обмотку подається симетрична система трифазних напруг, то по обмоткам протікають симетричні системи струмів, отже, потоки трьох фаз також утворюють симетричну систему, тоді
Тоді цей об'єднаний стержень можна прибрати (рис. 2.32, б). Отриманий таким чином трансформатор можна зробити більш компактним, помістивши все три стержня в одну площину (рис. 2.32, в). Одержаний трансформатор називають трифазним стрижневим трансформатором, або трёхстержневим. Внаслідок зменшення довжини магнітного ланцюга, по якій замикається потік фази В. виникає деяка магнітна несиметрія фаз, яка зазвичай невелика і буде позначатися тільки на режимі холостого ходу, зокрема, на струмі холостого ходу, який буде менше в середній фазі, ніж в крайніх.
Однак, як було показано раніше (розділи 2.4, 2.5), при навантаженні струм холостого ходу надає мале вплив на величини струмів первинної і вторинної обмоток. Таким чином, можна вважати, що при симетричному напрузі і навантаженні все фази трифазного трансформатора знаходяться в однакових умовах. Тому для кожної фази справедливі комплексні рівняння, векторні діаграми і схеми заміщення, виведені раніше. Виняток становить тільки режим холостого ходу, на якому позначається схема з'єднання обмоток. Конструктивну будову трифазного стрижневого трансформатора представлено на рис. 2.33.