§ 14,4. Векторні діаграми напруги трансформатора
При включенні навантаження у вторинну обмотку силового трансформатора в ній з'явиться струм, що викличе автоматичне збільшення споживаного з мережі первинного струму, а напруга на затискачах вторинної обмотки зміниться. Причиною зміни цієї напруги є спадання напруги в активних і індуктивних опорах обмоток від відповідних струмів у них. Величина зміни вторинної напруги силового трансформатора при навантаженні залежить від характеру її. Навантаження трансформатора може бути активної, індуктивної, ємнісної або змішаної. У всіх випадках розгляд робочого процесу силового трансформатора при навантаженні зручно робити за допомогою векторних діаграм напруг, які будують на підставі рівнянь рівноваги напруг для первинного й вторинного ланцюгів трансформатора. На рис. 14.6 представлена принципова схема однофазного силового трансформатора при змішаному активно-індуктивному навантаженні. При цьому передбачається, що всі величини вторинного ланцюга його наведені до числа витків первинної обмотки.
Рівняння рівноваги е.р.с. або напруг для первинного й вторинного ланцюгів трансформатора, за законом Кірхгофа,
На підставі рівнянь (14.14) на рис. 14.7 дана побудова векторної діаграми напруг і струмів у часі однофазного силового трансформатора при змішаному активно-індуктивному навантаженні. Для її побудови відкладають по горизонталі вектор амплітуди магнітного потоку 0F = Фm. Убік відставання від нього на 90° відкладають вектор первинної й наведеної вторинної е.р.с. трансформатора 0С = E1 = Е'2
Тому що е.р.с. Е'2 урівноважує всі спадання напруги у вторинному ланцюзі трансформатора, то вона є гіпотенузою загального трикутника спадання напруги цього ланцюга. У зв’язку із цим описують на векторі 0С як на діаметрі півколо й відрізком Cf = I'2(х'2+X') роблять зарубку із точки С на окружності в крапці f. Тоді відрізок 0f = I2' (r2' + R') і вторинний струм I2' буде спрямований по цьому відрізку. Виділивши з відрізка Cf індуктивне спадання напруги у вторинній обмотці Сb = I2'x2, можна по другому рівнянню (14.14) побудувати трикутник Сbа внутрішнього спадання напруги в цій обмотці. З'єднавши точку а із крапкою 0, одержимо вектор наведеної вторинної напруги трансформатора при навантаженні 0а = Ua', що є гіпотенузою трикутника 0еа спадання напруги у зовнішньому колі U2' = І2'Z', де Z' = √(R'2 + X'2). При цьому в діаграмі вторинний струм I'2 відстає від напруги U'2 на кут φ2, тому що, за умовою, навантаження активно-індуктивне з коефіцієнтом потужності cosφ2 =R'/Z'.
Далі, для побудови діаграми напруги первинного ланцюга потрібно спочатку визначити величину й, напрямок первинного струму I1 відповідно до рівняння (14.2). Із цією метою на рис. 14.7 відкладають струм I0 холостого ходу трансформатора в сторону випередження магнітного поля Фm на кут магнітних втрат α [sinα = I0а/I0 = ΣPс/(U1I0), де ΣРс — магнітні втрати в сталі сердечника трансформатора, Вт].
Потім, відклавши із точки 0 зворотний вектор вторинного струму –І'2 і склавши його з вектором І0, одержимо шуканий первинний струм І1 = І0 – І'2. По першому рівнянню (14.14) будуємо діаграму напруги для первинного ланцюга. Отриману векторну діаграму напруг для первинного й вторинного ланцюгів силового трансформатора називають діаграмою в часі. Обертання її проти годинникової стрілки характеризує зміну в часі всіх змінних величин у трансформаторі при навантаженні: напруг, струмів і падінь напруг в обмотках. Однак більший практичний інтерес для оцінки робочих властивостей силових трансформаторів представляє так звана, потенційна діаграма напруг. Ця діаграма наочно ілюструє кількісну зміну потенціалу між затискачами первинної й вторинної обмоток трансформатора за рахунок внутрішнього спадання напруги в них при переході від холостого ходу до повного навантаження.
Робочі властивості силового трансформатора звичайно оцінюються так званою відносною зміною напруги, що представляє собою наступну величину (див. рис. 14.8):
У силових двохобмоткових трансформаторах малої потужності в діапазоні потужностей до декількох сотень вольт-ампер величину відносної зміни ΔU% можна визначити з достатньою точністю по формулі
де відносні активні й індуктивні спадання напруги в первинній і вторинній обмотках трансформатора будуть:
І1 і І'2; φ1 і φ2 — струми й кути зміщення між ними й відповідними напругами відповідно до діаграми рис. 14.8.
На рис. 14.9 зображені зовнішні характеристики трансформатора малої потужності для двох випадків навантаження – активного (cosφ2 = 1) і активно-індуктивного (cosφ2 < 1). Зовнішня характеристика трансформатора являє собою графічно зображену залежність вторинної напруги від струму навантаження U2 = f(I2) при постійних значеннях первинної напруги й коефіцієнту потужності. Як показують ці характеристики, вторинна напруга трансформатора при переході від режиму холостого ходу до повного навантаження у випадку активно-індуктивного характеру її (соsφ2 < 1) зменшується більше, чим при активному навантаженні (сosφ2 = 1).
