§ 85. Внешняя характеристика. Потери и к.п.д. трансформатора

Увеличение нагрузки трансформатора сопровождается увеличением токов I₂ и I₁, что приводит к увеличению падения напряжения в обмотках трансформатора. Поэтому с увеличением нагрузки вторичное напряжение изменяется. В зависимости от характера нагрузки трансформатора изменение вторичного напряжения может быть различным. Если принять напряжение U₁ неизменным, то зависимость вторичного напряжения U₂ от величины нагрузки I₂, т. е.

называется внешней характеристикой трансформатора.

Внешняя характеристика для случая с активно-индуктивной нагрузкой дана на рис. 196.

Рис. 196. Внешняя характеристика трансформатора

При испытаниях трансформаторов проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. На рис. 197 дана схема опыта холостого хода. В этом случае вольтметры показывают напряжения первичной и вторичной обмотки U₁ и U₂. Амперметр, включенный в цепь первичной обмотки, измеряет ток холостого хода - I₀. Ваттметр измеряет мощность потерь холостого хода - Р₀. По данным опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации k, коэффициент мощности cos φ₀ и другие данные.

Рис. 197. Схема опыта холостого хода трансформатора

Мощность, подводимая к трансформатору при холостом ходе, идет на покрытие потерь холостого хода. Так как ток холостого хода /0 мал, то потерями мощности на нагрев первичной обмотки, равными I²₀r₁, можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, идет на покрытие потерь в стали сердечника (потери на гистерезис и вихревые токи).

Если подключить первичную обмотку трансформатора к напряжению сети, а зажимы его вторичной обмотки замкнуть накоротко, то это приведет к опасному явлению короткого замыкания трансформатора. Токи короткого замыкания выделяют большое количество тепла в обмотках, что может привести к повреждению изоляции обмоток. Механические усилия, возникающие в обмотках трансформатора при коротких замыканиях, могут иногда привести к разрушению обмоток.

Если же зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко, а первичную обмотку подключить к пониженному напряжению, чтобы ток короткого замыкания I_2к был бы равен номинальному току I_2н, то при этом с трансформатором ничего опасного не произойдет. Этот опыт называется опытом короткого замыкания. Напряжение, под которое включается первичная обмотка трансформатора при опыте короткого замыкания, составляет несколько процентов от номинального напряжения этой обмотки и называется напряжением короткого замыкания; обозначается U_к.

Силовые трансформаторы, изготовляемые в СССР, имеют напряжение короткого замыкания, равное 5-10%.

На рис. 198 дана схема опыта короткого замыкания. Вольтметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает напряжение короткого замыкания U_к. Амперметры измеряют номинальные токи первичной и вторичной обмоток I_1н и I_2н. Ваттметр измеряет мощность потерь при коротком замыкании Р_к.

Рис. 198. Схема опыта короткого замыкания трансформатора

Выше было сказано, что магнитный поток трансформатора пропорционален величине напряжения первичной обмотки трансформатора.

При опыте короткого замыкания магнитный поток в сердечнике мал, так как напряжение короткого замыкания во много раз меньше номинального напряжения. Поэтому потерями в стали в этом случае можно пренебречь и считать, что мощность при этом опыте идет на покрытие потерь в обмотках трансформатора (I²₁r₁ + I²₂r₂).

По данным опыта короткого замыкания определяют коэффициент мощности при коротком замыкании cos φ_к, активные и реактивные сопротивления обмоток - r₁, x₁, r¹₂ и х¹₂.

В трансформаторе имеют место потери. Они слагаются из потерь в обмотках и потерь в стали сердечника.

Потери в обмотках трансформатора называются также электрическими потерями Р_э. Они пропорциональны квадрату тока. Электрические потери определяют по показаниям ваттметра из опыта короткого замыкания. Потери в стали, называемые также магнитными потерями Р_м, зависят от частоты сети и величины магнитной индукции. Магнитные потери определяют по показаниям ваттметра из опыта холостого хода трансформатора.

Общие потери ΔР равны сумме электрических Р_э и магнитных Р_м потерь:

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности вторичной обмотки Р₂ к активной мощности первичной обмотки Р₁:

к.п.д. трансформатора высок и может достигать 98-99%.