Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на выводах трансформатора от тока, протекающего через нагрузку, подключенную к этим выводам, т.е. зависимость U₂=f(I₂) при U₁=const. При изменении нагрузки (тока I₂) вторичное напряжение трансформатора изменяется. Это объясняется изменением падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки I₂'z₂ и изменением ЭДС E₂'=E₁ за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки.

Причем, поскольку уравнения (1.27) векторные, U₂ зависит как от значения нагрузки, так и ее характера: активного, индуктивного или емкостного. Значение нагрузки в трансформаторах определяют коэффициентом нагрузки:

K_н=I₂/I_2ном ≈ I₁/I_1ном, (1.30)

характер нагрузки – углом 2 сдвига по фазе вторичных напряжения и тока.

Точный расчет внешней характеристики можно выполнить по схеме замещения (рис. 1), изменяя z_н и определяя U₂ и I₂.

Однако на практике часто пользуются формулой

U₂= U₂₀(1 - Δu/100), (1.31)

где U₂₀ - вторичное напряжение при холостом ходе;

U₂ -вторичное напряжение при данной нагрузке;

a Δu - изменение вторичного напряжения, т.е. арифметическая разность между напряжением х.х. и напряжением при данной нагрузке в процентах от напряжения х.х.

Значение Δu рассчитывают по упрощенному выражению, которое можно получить из схемы замещения трансформатора при определенных допущениях:

Δu=K_н(u_каcosφ₂ + u_крsinφ₂) (1.32)

Входящие в выражение (1.32) величины uка и uкр - это активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания (к.з.) u_к. Напряжение u_к определяется как отношение напряжения U_к, при котором проводится опыт к.з., к номинальному напряжению U_1ном в процентах. В опыте к.з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (z_н=0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение U_к, при котором по обмоткам токи протекают номинальные. В опыте к.з. напряжение питания уравновешивается в основном падением напряжения в обмотках, и величину U_к можно рассматривать как эквивалентное падение напряжения в обмотках при номинальном токе нагрузки. В силовых трансформаторах и трансформаторах питания малой мощности значение u_к составляет 5-15%, причем большие значения относятся к трансформаторам меньшей мощности. Конкретные значения uк приводятся в соответствующих каталогах. Значения u_ка и u_кр либо определяются экспериментально в опыте к.з., либо рассчитываются через параметры схемы замещения.

u_ка= 100% I_1ном (R₁ - R₂')/U_1ном (1.33)

u_ка= 100% I_1ном (X₁ - X₂')/U_1ном (1.34)

Рис. 2

Внешние характеристики, построенные по (1.31) и (1.32), представлены на рис. 2,a. Как видно, характеристики линейные и жесткие. Жесткость характеристик, т.е. слабая зависимость функции (U₂) от аргумента (K_н), объясняется тем, что сопротивление обмоток невелико (u_к≈5-15%), а основной магнитный поток мало зависит от нагрузки. При активной (φ₂=0) и активно-индуктивной (φ₂>0) нагрузке характеристики всегда падающие, при активно-емкостной (φ₂<0) нагрузке могут быть возрастающими (в формуле (1.32) член u_крsinφ₂ становится отрицательным). В трансформаторах небольшой мощности активное падение напряжения обычно больше, чем индуктивное, и характеристика при активной нагрузке менее жесткая, чем при активно-индуктивной (рис. 2, а). В трансформаторах большой мощности соотношение падений напряжения противоположное и характеристика при активной нагрузке будет более жесткой.