Внешняя характеристика трансформаторов

Внешней характеристикой трансформаторов называют зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянном коэффициенте мощности нагрузки. Эта важная характеристика трансформатора показывает, как изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки.

Внешнюю характеристику трансформатора теоретически получить достаточно просто. Ранее была получена формула для определения падения напряжения на сопротивлении короткого замыкания , приведенного к вторичной обмотке. Если из входного напряжения, приведенного к вторичной обмотке, вычесть падение напряжения , то мы получим выходное напряжение при изменении тока нагрузки и постоянном коэффициенте мощнос-
ти

.

Полученное уравнение является уравнением внешней характеристики трансформатора.

Внешнюю характеристику трансформатора можно построить графически. Рассмотрим векторную диаграмму, изображенную на рис. 5.22. Примем начальную фазу тока вторичной обмотки равной нулю. При неизменной величине входного напряжения падение напряжения на сопротивлении изменяется пропорционально току .

 

Рис. 5.22

 

Для удобства построения сначала строится векторная диаграмма для случая номинальной силы тока и какого-то выбранного значения фазового угла . Откладывается горизонтально вектор тока . Из той же точки строится вектор падения напряжения на сопротивлении . Оно равно произведению . Из конца полученного вектора перпендикулярно ему проводится вектор падения напряжения . Результатом проведенных построений является точка . Из точки под углом проводится прямая до пересечения с окружностью, проведенной из точ-
ки 0 радиусом, длина которого пропорциональна .

Вектор является вектором выходного напряжения при номинальной нагрузке и заданном коэффициенте мощно-
сти . Для получения значений выходного напряжения при других значениях тока вторичной обмотки на стороне ОС откладывается отрезок OD, пропорциональный току (например ). Из полученной точки D проводится прямая , параллельная СB ¢, до пересечения с дугой проведенной из точки 0 радиусом . Длина отрезка DB ¢ пропорциональна выходному напряжению . При токе вторичной обмотки, равном нулю, вектор выходного напряжения будет равен входному напряжению .

Рис. 5.23

Так как изменение выходного напряжения зависит от коэффициента мощности нагрузки, то при различных значениях получают различные внешние характеристики (рис. 5.23). Изменение выходного напряжения
+ . Из формулы следует, что при , т. е. при резистивно-индуктив­ном характере нагрузки имеет большее значение, чем при резистивном характере.

может иметь отрицательное значение при . Это объясняется тем, что, как правило, , а при емкостно-резистивной нагрузке вторая слагаемая изменения выходного напряжения имеет отрицательный знак. С другой стороны, при изменении в области отрицательных значений (от 0 до -30 °) синус растет быстрее, чем уменьшается косинус . Общий вид внешних характеристик трансформатора приведен на рис. 5.23.

У силовых трансформаторов при изменении тока от нуля
до номинального значения, выходное напряжение изменяется
на 5-10 процентов.

5.10. Трехфазные трансформаторы.
Принцип действия трехфазных
трансформаторов

До настоящего времени речь шла об однофазных трансформаторах. В промышленности очень широко используется трехфазная система напряжений, которая очень удобна для питания преобразователей электрической энергии в механическую энергию, т. е. для питания электрических двигателей. Кроме этого, трехфазная система удобна и как источник отличных друг от друга напряжений. Задача преобразования трехфазного напряжения при наличии однофазных трансформаторов не такая уж сложная. К фазным проводам и нулевому проводу подключаются три одинаковых трансформатора (рис. 5.24). Вторичные обмотки трансформаторов могут быть соединены «звездой».

 

 

Рис. 5.24

 

Рис. 5.25

Во вторичных обмотках трансформаторов будут иметь место три ЭДС, равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на треть периода. Векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмоток представлена на рис. 5.25. Коэффициент трансформации фазных напряжений будет равен коэффициенту трансформации одного из трансформаторов. Однако использование трех однофазных трансформаторов для преобразования энергии в трехфазных цепях неэффективно из-за большого расхода материала, поэтому конструируют специальные трехфазные трансформаторы.

 

Рассмотрим процесс перехода от трех однофазных к трехфазному трансформатору. Схема включения трех однофазных трансформаторов показана на рис. 5.26, а.

в

б

а

Рис. 5.26

На рисунке не представлены вторичные обмотки. Конструктивно трансформаторы должны быть одинаковыми. Вторичные обмотки должны быть расположены на тех же стержнях, что и первичные.

Соединим трансформаторы свободными от катушек стержнями сердечников, так как показано на рис. 5.26, б. Мы уже получили трехфазный трансформатор, однако рассмотрим магнитные потоки полученного трансформатора.

Первичные напряжения записываются в комплексной форме в следующем виде:

, , .

В сердечниках, на которых расположены катушки, под действием токов, протекающих по обмоткам, создаются магнитные потоки. Если пренебречь потерями в трансформаторе, то векторы токов обмоток будут отставать от напряжений на четверть периода. Векторы магнитных потоков соответствующих сердечников пропорциональны токам. Магнитные потоки будут совпадать с токами по фазе, поэтому могут быть представлены векторами в комплексной форме

, , .

Суммарный магнитный поток трех стержней, изображенных на рис. 5.26, а, может быть определен суммой всех трех магнитных потоков

.

Очевидно то, что такая сумма равна нулю и магнитный поток общей части трех трансформаторов в любой момент времени равен нулю. Удаляя общую часть трех магнитопроводов, получаем эквивалентную конструкцию трехфазного трансформатора, изображенного на рис. 5.26, б. Симметричный трехфазный трансформатор должен иметь одинаковую конструкцию магнитопровода для каждой фазы. Сердечники такой конструкции ранее использовались. Однако изготовление симметричного трехфазного трансформатора не совсем технологично, да и конструкция трансформатора получается недостаточно компактной, поэтому симметричную магнитную систему такого трансформатора заменяют несимметричной магнитной системой (рис. 5.26, в). Первичная и вторичная обмотки такого трансформатора располагаются на одном и том же стержне. Конструкция называется несимметричной потому, что магнитное сопротивление магнитопровода для магнитных потоков фаз различно.

Рис. 5.27

Конструкция магнитопровода с несимметричной магнитной системой представлена на рис. 5.27. Магнитопровод трансформатора 1 набирают из листов электротехнической стали. Поперечное сечение вертикальных колонн может быть различным в зависимости от мощности трансформатора. Каркасы обмоток мощ­ных трансформаторов имеют цилиндрическую форму, поэтому форма поперечного сечения выбирается таким образом, чтобы максимально заполнить магнитным материалом полости каркасов катушек. Магнитное сопротивление для намагничивающей силы катушки, расположенной на среднем стержне, меньше, чем для катушек, расположенных на крайних стержнях. Поэтому ток холостого хода средней катушки меньше, чем ток холостого хода катушек, расположенных на крайних стержнях.

Однако в случае несимметричной магнитной системы трехфазные напряжения создают симметричную систему выходных напряжений. Магнитные потоки сердечников не равны между собой и реактивные сопротивления обмоток не одинаковы, как не одинаковы намагничивающие токи фазных обмоток трансформаторов. Отличие намагничивающих токов , , не играет большой роли, поэтому таким отличием пренебрегают.

Условное обозначение трехфазных трансформаторов зависит от способа представления принципиальных схем. В энергетических установках широко используется однопроводный способ представления трехфазных цепей. Условное обозначение двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов представлено на рис. 5.28, а.

а б

Рис. 5.28

На схемах с трехпроводной системой трансформаторы представляются обычным способом (рис. 5.28, б). Выводы трансформатора обозначают определенным образом. Начала фазных первичных обмоток обозначают большими буквами , а концы этих обмоток обозначают большими буквами . Выводы вторичных обмоток обозначают соответствующими малыми буквами и (см. рис. 5.28, б).