2. Связь параметров трансформатора с его технико-экономическими показателями

Используя уравнения и схемы замещения трансформатора, полученные в п. 2.1, оценим влияние параметров трансформатора на его важнейшие технические и экономические показатели, к числу которых следует отвести:

- изменение напряжения вторичной обмотки;

- намагничивающий ток;

- коэффициент полезного действия;

- нагревание.

2.2.1. Изменение напряжения вторичной обмотки

Изменение напряжения вторичной обмотки ΔU₂ в нагрузочном режиме трансформатора определяет его внешнюю характеристику U₂ ( I₂ ) и строго нормируется. Последнее связано с тем, что любое отклонение напряжения на вторичной обмотке от номинального значения отрицательно влияет на режим работы приемников энергии, подключенных к трансформатору.

Для анализа зависимости ΔU₂ от параметров трансформатора в режиме, близком к номинальному режиму, удобно использовать упрошенную схему замещения (рис. 2.7). Из схемы замещения следует

Ů₁ = R_k İ₁ + jX_K İ₁ – Ů'₂ = ΔŮ – Ů'₂ ,

здесь ΔŮ = Z_k ·İ₁ – падение напряжения в трансформаторе.

Заметим, что в диапазоне изменения тока нагрузки I₂ от 0 до номинального значения и cosφ₂ , близком к 1, напряжения Ů₁ и Ů'₂ находятся практически в противофазе (рис. 2.4), поэтому падение напряжения ΔŮ = Ů₁ + Ů'₂ относительно мало.

Под изменением напряжения вторичной обмотки или выходного напряжения трансформатора понимают величину, равную ΔU₂ = U₂₀ – U₂ , здесь U₂₀ – напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода.

П риведенное к первичной обмотке изменение выходного напряжения трансформатора выражается в виде:

ΔU'₂ ≈ U₁ – U'₂ .

Обычно изменение выходного напряжения оценивают в относительных единицах, т.е. в виде:

Соотношение для расчета относительного изменения выходного напряжения трансформатора Δu₂ нетрудно получить из анализа векторной диаграммы, соответствующей упрощенной схеме замещения (рис. 2.8).

На векторной диаграмме ΔU'₂ показано как разность модулей векторов Ů₁ и (– Ů'₂).

Из построения следует:

ΔU'₂ = ΔU·cos (φ_K – φ₂),

здесь

Таким образом,

При активной нагрузке трансформатора φ₂ = 0:

Полученный результат позволяет сделать вывод, что изменение выходного напряжения трансформатора обусловлено падением напряжения на сопротивлении короткого замыкания схемы замещения.

Таким образом, для снижения уровня Δu₂ и, следовательно, повышения стабильности выходного напряжения трансформатора при изменении нагрузки необходимо уменьшать активную R_К и реактивную Х_К , составляющие сопротивления короткого замыкания.

Уменьшение R_К = R₁ + R'₂ достигается путем выбора обмоточного провода большего диаметра и, следовательно, большей площади сечения. Заметим, что при этом уменьшается общая стоимость трансформатора, поскольку стоимость обмоточного провода тем меньше, чем больше его диаметр. Дополнительного снижения стоимости можно достигнуть, размещая обмотку с большим числом витков (обмотку высшего напряжения) на сердечнике трансформатора первой. В этом случае сокращается расход обмоточного провода. Однако следует иметь в виду, что с увеличением площади сечения обмоточных проводов растут габаритные размеры и масса трансформатора.

Уменьшение Х_К = Х₁ + Х'₂ связано с использованием такой технологии изготовления обмоток и сердечника трансформатора, которая позволяет уменьшить общий уровень магнитных полей рассеяния. В частности, для этой цели рекомендуется уменьшать толщину межслоевой и межобмоточной изоляции, а также использовать для изготовления каркасов (гильз) обмоток более тонкие материалы. Вместе с тем необходимо помнить, что выполнение указанных рекомендаций ведет к снижению запаса диэлектрической прочности изоляции обмоток. Уменьшения магнитных полей рассеяния можно также добиться уменьшением технологических воздушных зазоров (стыков) шихтованных и разрезных ленточных сердечников. По этой причине наименьший уровень магнитных полей рассеяния имеют тороидальные трансформаторы с кольцевым сердечником.

Между относительным изменением напряжения вторичной обмотки Δu₂ и коэффициентом трансформации k существует аналитическая связь.

Соотношение, связывающее Δu₂ и k, может быть весьма полезным при практических расчетах трансформаторов, так как позволяет оценить k по заданному или предварительно выбранному Δu₂. По определению

откуда