Навантажувальна здатність трансформатора

Номінальні параметри трансформатора

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

DР_е = 3(І₁²R₁ + I₂²R₂) = 3(I₁²R₁ + I¢₂²R¢₂) » 3I₁²R_к.

Ці втрати залежать від величини навантаження трансформатора.

Втрати потужності в сталі магнітопроводу DР_м (магнітні втрати) пропорційні квадрату магнітного потоку і, отже, квадрату напруги U₁, оскільки U₁» E₁ = 4,44×f×w₁×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 DР_м = [s_вf2B_m2 + s_гfB_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).

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 = DР_е.н = 3 І_1н²R_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.

DР_м = Р₀.

Це можна прийняти на тій підставі, що втрати в первинній обмотці при холостому ході І₀²R₁ незначні, оскільки струм холостого ходу малий (І₀ = 0,025 ¸ 0,1І_н), а втрати у вторинній обмотці відсутні.

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

Коефіцієнт корисної дії трансформатора h визначається як відношення корисної потужності Р₂, що віддається трансформатором, до потужності Р₁, що споживається ним з мережі живлення при даному навантаженні.

h = Р₂ / Р₁

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 U₁ до напруги U₂.

Якщо знехтувати падінням напруги в обмотці, то індуковані в витках w₁ і w₂ ЕРС Е₁ і Е₂ будуть відповідно дорівнювати напругам U₁ і U₂.

Коефіцієнт трансформації автотрансформатора

k_АТ = U₁/U₂ = E₁/E₂ = w₁/w₂.

Через витки w₁ – w₂ протікає струм , а через витки w₂ – 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

U₁ І₁ + U₂ І₂ » 2× U₂ І₂.

Загальна же потужність обмоток автотрансформатора залежить від коефіцієнта трансформації

І₁ (U₁ – U₂) + (І₂ – І₁)U₂ » 2×U₂ І₂(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”.