Сведения из теории. Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, преобразующее переменное (синусоидальное) напряжение (ток) одного значения в напряжение (ток) другого

Различают три характерных режима, в которых может находиться трансформатор в зависимости от состояния его вторичной обмотки. Это холостой ход трансформатора, нагруженный режим и режим короткого замыкания.

При холостом ходе выводы вторичной обмотки разомкнуты, ток вторичной обмотки отсутствует, к первичной обмотке приложено номинальное напряжение источника питания. На практике холостой ход трансформатора имеет место до подключения нагрузки к его вторичной обмотке. В лабораторных условиях холостой ход используется для определения некоторых важных параметров трансформатора. В частности, коэффициента трансформации k_т, тока холостого хода I_o, мощности потерь в стали сердечника P_ст.

В режиме холостого хода, когда цепь вторичной обмотки разомкнута и ток в цепи вторичной обмотки отсутствует, U₂ = Е₂, а Е₁ практически равна приложенному напряжению U₁. Следовательно, отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток практически равно отношению напряжений на этих обмотках:

.

Это отношение, характеризующее возможность трансформатора изменять прило­женное к первичной обмотке напряжение, называется коэффициентом трансформации трансформатора. Обозначается коэффициент трансформации — k_т.

Из формул видно, что коэффициент трансформации также численно равен отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках:

.

На практике коэффициент трансформации может быть, определен при опыте холостого хода путем измерения напряжений U₁ и U₂ на первичной и вторичной обмотках. Схема опыта холостого хода приведена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 — Внешняя характеристика однофазного трансформатора

Включенный в цепь первичной обмотки ваттметр PW₁ измеряет мощность P₀, потребляемую трансформатором на холостом ходу. Из физических соображений ясно, что эта мощность расходуется:

1) в первичной обмотке трансформатора за счет ее нагрева первичным током;

2) в сердечнике трансформатора за счет образования вихревых токов и на перемагничивание стали сердечника, происходящее с частотой 50 Гц.

На холостом ходу ток в первичной обмотке I₀ сравнительно мал. При незначительном активном сопротивлении R₁ первичной обмотки вызываемые этим током потери мощности в меди первичной обмотки

будут незначительны, и в инженерных расчетах ими пренебрегают. Следовательно, показание ваттметра в опыте холостого хода можно принять соответствующим потерям мощности в стали сердечника Р_ст. В свою очередь, потери в стали трансформатора принято считать величиной постоянной: Р_ст = const, т.е. не зависящей от величины нагрузки трансформатора.

Если выводы вторичной обмотки трансформатора подключить сопротивлению нагрузки, то такой режим работы трансформатора называется нагруженным (см. рисунок 6.3). Важнейшей характеристикой возможностей трансформатора в нагруженном режиме является его внешняя характеристика U₂ = f(I₂) при U₁ = const (рекомендуется и cosφ = const).

Предельным случаем нагруженного режима трансформатора является режим кроткого замыкания (к.з.). В этом режиме величина сопротивления нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке, равна нулю (выводы вторичной обмотки закорочены между собой). Различают режим короткого замыкания, возникший в аварийном порядке и грозящий трансформатору выходом из строя, и лабораторный режим короткого замыкания, используемый для определения некоторых параметров трансформатора.

Схема лабораторного опыта короткого замыкания трансформатора приведена на рисунке 6.4.

При проведении опыта короткого замыкания питание на вход первичной обмотки трансформатора включаем только тогда, когда убедимся, что ручка ЛАТРа стоит в положении нулевого напряжения на выходе. В процессе опыта короткого замыкания при помощи ЛATPa устанавливается на первичной обмотке трансформатора такое пониженное напряжение, при котором во вторичной (нагруженной лишь амперметром) обмотке будет протекать ток, равный номинальному значению тока вторичной обмотки I_2н, при этом обычно величина напряжения на первичной обмотке не превышает 5–10 % номинального значения.

Ваттметр, включенный в первичную обмотку, в этом опыте учитывает потери мощности на проводниках обмоток и стали сердечника. При пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора оказывается незначительным магнитный поток сердечника. Следовательно, величиной потерь в стали сердечника на практике можно пренебречь, считая показание ваттметра равным потерям в меди обмоток.

Таким образом, в лаборатории при помощи опыта холостого хода определяется величина потерь в стали трансформатора, а в опыте короткого замыкания определяются потери в меди трансформатора при лабораторном коротком замыкании P_1к.

Как уже отмечалось, важную роль при оценке возможностей конкретного трансформатора играет его внешняя (нагрузочная) характеристика

U₂ = f(I₂) при U₁ = const и cosφ = const.

Для снятия внешней характеристики трансформатора используется схема, приведенная на рисунке 6.3. Как видно из схем на рисунках 6.4 и 6.5, с уменьшением сопротивления нагрузки R_н возрастает ток I₂ вторичной обмотки трансформатора, увеличивается падение напряжения ∆U в этой обмотке, уменьшается напряжение U₂ на выходе. Эти факты лежат в основе получения внешней характеристики трансформатора. По внешней характеристике определяется процентное изменение напряжения на выходе трансформатора при номинальной нагрузке по сравнению с его значением на холостом ходу:

,

где U₂₀ и U_2н — напряжение на выходе трансформатора соответственно при холостом ходе и при номинальной нагрузке.

С изменением сопротивления нагрузки кроме изменения величины выходного напряжения меняется также j— сдвиг по фазе между напряжением и током, потребляемым, трансформатором из сети. Следовательно, меняется характер нагрузки, которую трансформатор представляет для питающей сети. Для оценки угла сдвига j, а следовательно, коэффициента мощности трансформатора cosj может быть использовано соотношение:

,

где Р₁ — активная мощность, потребляемая, трансформатором; измеряется ваттметром в цепи первичной обмотки;

S₁ — полная, потребляемая трансформатором мощность; может быть определена по показаниям амперметра РА₁ и вольтметра РV₁.

На практике коэффициент мощности cosj трансформатора имеет минимальное значение при холостом ходе, увеличиваясь с ростом его активной нагрузки.

Коэффициент полезного действия трансформатора может быть оценен отношением:

.

Входящие в это отношение P₁ и P₂ — значения активной мощности на выходе и входе трансформатора, фактически различаются между собой лишь на величину потерьDР, имеющих место в трансформаторе, т.е.

P₂ = P₁ – ΔР.

Как было показано ранее, потери в трансформаторе равны сумме потерь в стали и в меди трансформатора:

ΔP = P_ст + Р_м.

Следовательно, .

Рисунок 6.3 — Зависимость КПД трансформатора от коэффициента загрузки

Коэффициент полезного действия трансформатора — величина не постоянная, а зависящая от величины и характера нагрузки. При активной нагрузке эту зависимость как функцию η = f(I₂) при U₂ = const, можно получить, используя схему, представленную на рисунке 6.5.