Навантажувальна здатність трансформатора

Номінальні параметри трансформатора

Робота трансформатора супроводжується втратами енергії, що виділяється у вигляді тепла в обмотках і магнітопроводі. Втрати потужності в обмотках D Р _е (електричні втрати або втрати в міді) пропорційні квадрату струму. Для трифазного трансформатора:

D Р _е = 3(І ₁² R ₁ + I ₂² R ₂) = 3(I ₁² R ₁ + I¢ ₂² R¢ ₂)» 3 I ₁² R _к.

Ці втрати залежать від величини навантаження трансформатора.

Втрати потужності в сталі магнітопроводу D Р _м (магнітні втрати) пропорційні квадрату магнітного потоку і, отже, квадрату напруги U ₁, оскільки U ₁» E ₁ = 4,44 × f × w ₁ × Ф _m.

Змінний магнітний потік Ф індукує в сталевому осерді вихрові струми (струми Фуко), що замикаються в площині, перпендикулярній до осі потоку. Ці струми викликають нагрів сталі і призводять до втрат потужності. Крім того виникають втрати, що обумовлені явищем гістерезису при періодичному перемагнічуванні сталі. Сумарні втрати називають магнітними втратами або втратами в сталі. Величина цих втрат визначається за емпіричною формулою D Р _м = [s_в f 2 B _m2 + s_г fB _m2] G, де f – частота перемагнічування, s_в, s_г – емпіричні коефіцієнти; B _m – максимальна магнітна індукція; G – вага магнітопроводу.

Загальні втрати із збільшенням навантаження збільшуються, а відповідно збільшується температура нагріву трансформатора і може досягти найбільшого допустимого значення. Величина цих втрат визначається максимально допустимим довготривалим навантаженням трансформатора, тобто його номінальною потужністю .

Номінальні U _1н, U _2н, І _1н, І _2н вказуються в паспорті на спеціальному щитку трансформатора. Номінальна потужність трансформатора вказується в кіловольт–амперах [кВА].

Дослід короткого замикання

Треба розрізняти поняття «дослід короткого замикання», який проводиться при зниженій напрузі і номінальних струмах в обмотках, і аварійний «режим короткого замикання».

Електричні втрати (втрати в міді) в трансформаторі, що відповідають його номінальному струму, визначаються з досліду короткого замикання (а).

Вторинна обмотка трансформатора замикається на коротко, а до первинної підводиться така напруга U _к, при якій струми в обмотках рівні номінальним значенням. Величина U _к називається напругою короткого замикання і у стандартних силових трансформаторів складає 5,5 % від номінальної напруги.

Потужність Р _к, яку в цьому досліді показують ватметри, що включені в коло первинної обмотки, рівна електричним втратам при номінальному навантаженому режимі трансформатора

Р _к = D Р _е.н = 3 І _1н² R _к

Магнітні втрати в цьому досліді дуже малі (з огляду того, що підведена напруга мала) і ними можна нехтувати.

Виходячи з даних досліду короткого замикання (U _к, І _1н, Р _к) і користуючись схемою заміщення для цього досліду (б), визначаються опори трансформатора:

Дослід холостого ходу

Магнітні втрати (втрати в сталі) в трансформаторі, що обумовлені гістерезисом і вихровими струмами в магнітопроводі, визначають при досліді холостого ходу.

Оскільки магнітний потік трансформатора Ф при всіх навантаженнях і холостому ході залишається практично постійним, то втрати D Р _м не залежать від навантаження. Потужність Р ₀, що споживається трансформатором при холостому ході, дорівнює магнітним втратам

D Р _м = Р ₀.

Це можна прийняти на тій підставі, що втрати в первинній обмотці при холостому ході І ₀² R ₁ незначні, оскільки струм холостого ходу малий (І ₀ = 0,025 ¸ 0,1 І _н), а втрати у вторинній обмотці відсутні.

Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) трансформатора.

Коефіцієнт корисної дії трансформатора h визначається як відношення корисної потужності Р ₂, що віддається трансформатором, до потужності Р ₁, що споживається ним з мережі живлення при даному навантаженні.

h = Р ₂ / Р ₁

Коефіцієнт корисної дії силових трансформаторів має значення близько 95–99 %.

На практиці для визначення к.к.д. трансформатора користуються формулою

Враховуючи коефіцієнт завантаженості трифазного трансформатора

і те, що

попередню формулу можна представити в такому вигляді:

Цією формулою можна користуватись і для визначення к.к.д. однофазних трансформаторів.

Автотрансформатори

В тих випадках, коли вторинна напруга мало відрізняється від первинної, тобто коли коефіцієнт трансформації близький до одиниці, більш економічним є використання так званого автотрансформатора.

Автотрансформатор відрізняється від звичайного трансформатора тим, що у нього первинна і вторинна обмотка з’єднані в одне спільне електричне коло. При цьому обмотка нижчої напруги є частиною обмотки вищої напруги.

Розглянемо схему автотрансформатора, що знижує напругу U ₁ до напруги U ₂.

Якщо знехтувати падінням напруги в обмотці, то індуковані в витках w ₁ і w ₂ ЕРС Е ₁ і Е ₂ будуть відповідно дорівнювати напругам U ₁ і U ₂.

Коефіцієнт трансформації автотрансформатора

k _АТ = U ₁/ U ₂ = E ₁/ E ₂ = w ₁/ w ₂.

Через витки w ₁ – w ₂ протікає струм , а через витки w ₂ – струм ().

Нехтуючи струмом холостого ходу і враховуючи напрямок струмів в обмотках, запишемо рівняння намагнічуючих сил:

Звідки

Сумарна потужність обмоток трансформатора не залежить від коефіцієнта трансформації

U ₁ І ₁ + U ₂ І ₂» 2× U ₂ І ₂.

Загальна же потужність обмоток автотрансформатора залежить від коефіцієнта трансформації

І ₁ (U ₁ – U ₂) + (І ₂ – І ₁) U ₂» 2× U ₂ І ₂(1– 1/ k _АТ).

Порівнюючи отримані вирази, можна побачити, що чим ближче коефіцієнт трансформації k _АТ до 1, тим менша сумарна потужність обмоток і тим вигідніше використання автотрансформатора.

В багатьох випадках автотрансформатори виготовляють з пристроями, що дозволяють змінювати коефіцієнт трансформації в умовах експлуатації.

Приклад – ЛАТР (лабораторний автотрансформатор). Одна з клем вторинного кола є ковзаючим щітковим контактом. Його за допомогою рукоятки можна переміщувати по витках обмотки, очищеної в місцях дотику від ізоляції. Таким чином відбувається плавне регулювання вторинної напруги.

Автотрансформатор не можна використовувати для живлення установок низької напруги (наприклад 220 в) від високовольтної мережі (наприклад 1000 в), оскільки в цьому випадку приєднані низьковольтні споживачі є пов’язані безпосередньо з мережею високовольтної напруги. Це неприпустимо за умов безпеки обслуговування установок і цілісності ізоляції струмоводних частин.

Автотрансформатори можуть бути однофазними і трифазними. В останніх обмотки з’єднуються “зіркою”.