Работа трансформатора под нагрузкой

Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U₁, а к вторичной подключены потребители Z_Н (рис. 1), так  что I₂  > 0.

Рис. 1 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I₂ ≤ I_2Н , а коэффициент мощности cosφ₂ определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I₂ создает МДС F₂ = I₂W₂ и соответствующий магнитный поток Ф₂, действующие встречно по отношению к МДС F₁ и потоку Ф₀, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е₁₀, то поток Ф₀ не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:

Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I₀W₁ первичной обмотки увеличивается до такой величины I₁W₁, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I₂W₂. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:

Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:

которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора.

Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:

или

При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и уравнение второе уравнение упрощается:

откуда следует соотношение:

Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:

 

из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю.

Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I₁ (рис.2, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:

Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_рс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Е_рс2, или уравновешивающим ее па­дением напряжения I₂x₂, на индуктивном сопротивлении рассеяния

где  L₂ — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Рис. 2 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б)  обмоток трансформатора при нагрузке

Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рис.2, б, на которой r₂ — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:

Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е₂  на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е₂ и напряжением U₂  зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже.

Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:

 

Для вторичной обмотки (рис. 3, б) сдвиг по фазе между током I₂ и напряжением U₂ , (угол φ₂) определяется соотношением параметров нагрузки:

а угол ψ₂ — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

Рис. 3 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

На рис.3  векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки.На векторной диаграмме первичной обмотки (рис. 3, а) вектор тока получают, пристраивая к вектору тока холостого хода вектор тока измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор

Построение вектора первичного напряжения U₁  аналогично построе­нию для режима холостого хода, однако векторы падений напряжения

ориентируются по отношению к вектору тока .

Сдвиг по фазе между током I₁ и напряжением U₁ обозначают φ₁. Угол φ₁, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряже­ния, подводимую к трансформатору от сети активную P₁ = U₁I₁cosφ₁ и реактивную  Q₁ = U₁I₁sinφ₁ мощности. Чем больше угол φ₁, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности.