При работе трансформаторов различают три критических режима работы: режим холостого хода, режим короткого замыкания и рабочий режим. Как мы знаем, что мощность потребляемая трансформатором равна P1=Pпр1+Pс+Pпр2+P2. В этой формуле присутствуют: мощность потребляемая трансформатора P1 от источника питания, мощность отдаваемая в нагрузку с вторичной обмотки трансформатора P2, мощности потерь на нагревание проводов (потери на активных сопротивлениях проводов) первичной и вторичной обмоток Pпр1 и Pпр2, и мощность потерь в сердечнике Pс на вихревые токи, и перемагничивание сердечника (потери на гистерезис). При рассмотрении режимов работы трансформатора будем анализировать, как изменяются величины P1, Pпр1, Pс, Pпр2, P2. Для нашей работы воспользуемся рис. 73.
Рис. 73 Схема включения трансформатора
На рис. 73 показано схематическое устройство трансформатора. Стальной сердечник, состоящий из большого количества пластин. Пластины, как правило, изолируются друг от друга лаком. На сердечник надевается каркас из изоляционного материала (на рис. не показан), на который наматываются две (в данном случае) обмотки: первичная и вторичная, имеющие число витков w1 и w2. Обмоток может быть больше, одна всегда первичная, а остальные вторичные. Первичная обмотка подключается к источнику питания e. Согласно ранее приведённым уравнениям
Ů1=-Ė1+Rвн1·İ1+jXрас1·İ1
Ů2=-Ė2-Rвн2·İ2 -jXрас2·İ2
на первичной обмотке образуется падение напряжения u1, и через неё будет протекать ток i1. На вторичной обмотке аналогично u2 и i2. К вторичной обмотке подключено сопротивление нагрузки Rн. Это может быть резистор как на схеме, это может быть любое устройство потребляющее для своей работы электрическую энергию.
Режим холостого хода.
В этом случае нагрузка отключена (цепи нагрузки разорвана). Ток во вторичной цепи равен, Pпр2, P2 и тогда Ů2 = Ė2, то есть u2 = e2. В первичной обмотке ток течь будет, но его величина мала, так как он обеспечивает только расходование мощностей. Вследствие малой величины i1 =0,02÷0,08 ·i1ном, где i1ном – номинальный ток в рабочем режиме трансформатора. Поэтому потерями Pпр1 можно пренебречь и остаются потери в стали Pс. То есть в режиме холостого хода можно измерить потери в стали. Так как потери в этом режиме очень малы. То этот режим позволяет определить коэффициент трансформации n=w2/w1=E2/E1=U2/U1. Если n<1, трансформатор считается понижающим, а если n>1, то – повышающим.
На рис. 74 приведена схема измерений в режиме холостого хода.
Рис. 74 Схема включения и векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода.
На схеме в цепи первичной обмотки установлены вольтметр, ваттметр, и амперметр. В цепи вторичной обмотки только вольтметр. На диаграмме напряжения и ЭДС самоиндукции и индукции направлены в противоположные стороны, так как ЭДС возникают для противодействия изменению токов, а следовательно и напряжений, так как они всегда направлены в одну сторону. В данном рассуждении углы между напряжением и током не учитываются. Обратите внимание, что ток первичной обмотки образуется из треугольника токов активной и реактивной составляющей. Так как обмотки обладают индуктивностью, то реактивная составляющая тока направлена параллельно магнитному потоку, а активная составляющая перпендикулярно ему. И ещё здесь следует отметить, что величина активной составляющей тока первичной обмотки значительно меньше реактивной составляющей, так как активное сопротивление провода r, которым наматываются обмотки значительно меньше, чем индуктивное XL=2·π·f·L (L зависит от количества витков обмотки w). Наверху диаграммы мы видим треугольник падений напряжений характеризующих потери на активном Rвн1 и реактивном сопротивлениях Xрас1. Не нагруженные рансформаторы могут очень долгое время не отключаться от источника питания.