Режимы работы трансформатора: режим холостого хода и рабочий режим

Холостым ходом трансформатора называют такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено номинапьное напряжение источника питания, а вторичная цепь разомкнута (трансформатор не нагружен /₂ = 0).

Режим холостого хода трансформатора по существу ничем не отличается от работы катушки со стальным сердечником в цепи переменного тока. В соответствии с этим уравнение электрического состояния для первичной цепи будет иметь такой же вид, как и для катушки с сердечником:

где Z, = R_M] + jX_la =R_M] + j27rfL_Xa— полное комплексное сопротивление первичной обмотки; /₀— комплексная амплитуда тока холостого хода. Поэтому векторная диаграмма и эквивалентная схема трансформатора в режиме холостого хода (рис. 3.7.1,а, б) аналогичны векторной диаграмме и эквивалентной схеме катушки со стальным сердечником (см. рис. 3.3.6).

Рис. 3.7.1.

На векторной диаграмме добавляется лишь вектор Е₂, а в эквивалентной схеме — вторичная катушка с ЭДС Е₂.

Необходимую величину намагничивающей силы /₀ш, создающей рабочий поток трансформатора, экономически выгодно получить при очень малых токах (меньше потери на нагрев обмотки). Поэтому стремятся, чтобы ток холостого хода составлял 2… 10% от номинального тока нагрузки /,_н. По этой причине 4Z ничтожно мало по сравнению с U_v Поэтому 17, *-?. Следовательно, в опыте холостого хода можно определить коэффициент трансформации k согласно формуле (3.4.6).

Поскольку в режиме холостого хода ток /₀ очень мал по сравнению с номинальным рабочим током первичной обмотки /_н, а ток во вторичной обмотке /₂ = 0, потери на нагрев первичной обмотки (потери в меди) очень малы /?/?_И| —> 0. Напряжение, подведенное к трансформатору, максимально и равно номинальному рабочему напряжению 1/,". Вследствие этого потери на нагрев сердечника велики, так как они пропорциональны U,². Поэтому в режиме холостого хода определяют потери в сердечнике (потери в стали Рст)‘ Мощность потерь в стали может быть измерена ваттметром. На рисунке 3.7.2 представлена схема испытания трансформатора в режиме холостого хода.

Рис. 3.7.2.

На основании опыта холостого хода можно также определить параметры последовательной и параллельной схем замещения первичной обмотки трансформатора (см. рис. 3.7.1 и 3.3.6):

Р.

а также угол потерь в стали sin 8 = —Н- = cos (p_v

I<)U

В рабочем режиме трансформатора вторичная цепь замкнута на нагрузочное сопротивление Z_H и по ней проходит ток /₂(рис. 3.7.3), ЭДС е₂ создает ток во вторичной обмотке, и рабочий поток определяется совместным действием намагничивающих сил первичной.

Рис. 3.7.3.

(?_m, = /ш,) и вторичной обмоток (?"2= Iw₂), которые различаются по фазе:

Как уже отмечалось (см. § 3.5), в силу постоянства потока в сердечнике при неизменном действующем значении первичного напряжения и его частоты суммарная намагничивающая сила не зависит от нагрузки. Поэтому она одинакова как в режиме холостого хода (/₀и>,), так и в режиме нагрузки:

Уравнение (3.7.5), которое называется уравнением магнитного состояния, можно записать в виде:

г" г w₂ 1 j.

где /₂ = /₂—- =—/₂ — приведенный вторичный ток, или в виде: w, k

где /; = -/; — составляющая первичного тока, которая уравновешивает размагничивающее действие приведенного вторичного тока.

Влияние вторичной цепи на магнитный поток и соответствующую реакцию первичной цепи, которые количественно отражены соотношением (3.7.5), физически можно объяснить следующим образом. Ток во вторичной обмотке в соответствии с законом Ленца создает магнитный поток, ослабляющий магнитный поток сердечника, созданный первичной обмоткой. Поскольку амплитуда потока в сердечнике сохраняется постоянной (см. формулу 3.7.4), размагничивающее действие вторичного потока должно компенсироваться возрастанием потока первичной обмотки. Составляющая /" первичного тока /"создает рабочий поток, а другая составляющая первичного тока возрастает с ростом тока наг рузки и компенсирует размагничивающее действие вторичного тока на поток.

Эквивалентная схема трансформатора при нагрузке может быть получена из эквивалентной схемы холостого хода (см. рис. 3.7.1,6) дополнением вторичного контура сопротивлением рассеяния Х_2а, активным сопротивлением вторичной обмотки Л_М2 и сопротивлением нагрузки Z_H (рис. 3.7.4).

Рис. 3.7.4.

Составляем уравнение электрического равновесия первичного и вторичного контуров:

I.

Переходя в уравнении (3.7.6) от мгновенных значений к комплексным действующим значениям и заменяя Е_1а и Е_2<7 комплексными падениями напряжения на индуктивных сопротивлениях рассеяния, получим:

где.

где Z, и Z₂ — комплексные сопротивления обмоток.

Уравнения состояния трансформатора (3.7.7) и (3.7.8) позволяют построить полную векторную диаграмму и схему замещения трансформатора при нагрузке.