Рабочий процесс трансформатора

Нагрузка – это режим работы при включении приемника электроэнергии во вторичную обмотку. При работе трансформатора под нагрузкой (рис. 104) в первичной и во вторичной его обмотке протекают токи, создающие потоки рассеяния Φ_s1 и Φ_s2. Потоки рассеяния сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Φ_o, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния проходят через немагнитную среду.

Основной магнитный поток Φ_o, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуктирует в них э. д. с., зависящие от числа витков обмотки, амплитуды магнитного потока и частоты его изменения. Действующие значения э. д. с. обмоток:

E ₁ = 4,44ω₁ f Φ _m и E ₂₁ = 4,44ω₂₁ f Φ _m,

где Е ₁ и Е ₂ — действующие значения э. д. с. первичной и вторичной обмоток;
ω₁ и ω₂ — числа витков этих обмоток;
f — частота тока;
Φ _m — амплитуда (наибольшее значение) магнитного потока в сердечнике, вб.

Так как потоки рассеяния и падения напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора очень малы, то приближенно можно считать, что напряжения на зажимах первичной U ₁ и вторичной U ₂ обмоток равны э. д. с. этих обмоток, т. е. U ₁ = E ₁ и U ₂ = E ₂.

Холостым ходом называют режим работы при подаче на первичную обмотку напряжения U ₁ и разомкнутой вторичной обмотке.
При холостом ходе трансформатора оба напряжения практически не отличаются по величине от соответствующих э. д. с. По этой причине отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой K, т. е.

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U ₁ на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U ₂, не равное напряжению U ₁. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной, то в той же мере напряжение на зажимах вторичной обмотки меньше напряжения первичной обмотки и трансформатор является понижающим. Если же число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной, то и напряжение вторичной обмотки больше напряжения первичной и трансформатор окажется повышающим.

Пример. Первичная обмотка трансформатора с числом витков ω₁ = 660 включена в сеть напряжением U ₁ = 220 в. Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки, если число ее витков ω₂ = 36.
Решение.

Напряжение и э. д. с. вторичной обмотки трансформатора зависит от числа витков. Поэтому наиболее простым способом регулирования напряжения трансформатора является изменение числа витков одной из обмоток, чаще обмотки высшего напряжения.
Число витков изменяется обычно в пределах ± 5% от номинального. Для этой цели от одного из концов обмотки делают отводы.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник электрической энергии, то во вторичной цепи будет протекать ток I ₂, а в первичной обмотке ток I ₁ который может быть представлен геометрической суммой тока холостого хода и нагрузочного тока.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены. Однако надо иметь в виду, что за счет магнитной связи между этими обмотками изменение тока во вторичной обмотке I ₂ будет вызывать соответствующее изменение тока первичной обмотки I ₁. Если увеличится ток во вторичной обмотке, то увеличится ток и в первичной обмотке. Наоборот, при уменьшении тока во вторичной обмотке уменьшится ток и в первичной обмотке. Если разомкнуть вторичную обмотку, то ток в ней станет равным нулю, а в первичной обмотке уменьшится до малой величины.
Ток I ₀, протекающий по первичной обмотке трансформатора, при разомкнутой вторичной цепи называется током холостого хода, который значительно меньше номинального тока трансформатора.
По первичной и вторичной обмоткам при нагрузке протекают численно неравные токи. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то можно записать, что мощность, отдаваемая трансформатором приемнику энергии U ₂ I ₂, равна мощности, потребляемой им из сети источника энергии U ₁ I ₁ т. е.

U ₂ I ₂ = U ₁ I ₁,

откуда

и

I ₂ = K I ₁. (105)

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки трансформатора, можно допустить, как это было показано выше, при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения U ₁ и уравновешивающей это напряжение э. д. с. первичной обмотки, т. е.

U ₁ = E ₁. (106)

На основании этого равенства можно сказать, что при неизменном по величине приложенном напряжении U ₁ будет приблизительно неизменной э. д. с. E ₁ индуктируемая в первичной обмотке трансформатора при любой его нагрузке, а
так как э. д. с. E ₁ зависит от магнитного потока φ _m, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным.
Таким образом, при неизменном приложенном напряжении магнитный поток в сердечнике трансформатора будет практически неизменным при любом изменении нагрузки.
Ток I ₂, протекающий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который, согласно закону Ленца, направлен встречно магнитному потоку в сердечнике, стремясь его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I₂ возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно повышается как ток первичной обмотки I₁ так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике поддерживается неизменным.
В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U₁ больше напряжения вторичной обмотки U₂ в K раз, следовательно, и сила тока вторичной обмотки I₂ больше силы тока первичной обмотки I₁ также в К раз. В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между силами токов в них.

Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U ₁ = 220 в, U ₂ = 24 в, то при номинальной силе тока первичной обмотки = 0,3 а сила тока во вторичной обмотке

Если напряжения первичной и вторичной обмоток соответственно равны U ₁ = 127 в, U ₂ = 510 в, то при силе тока во вторичной обмотке I ₂ = 0,2 а в первичной обмотке сила тока будет примерно равна:

Таким образом, обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и выполнена из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением, так как сила тока в обмотке более высокого напряжения меньше силы тока в обмотке с более низким напряжением.

В трансформаторе, как и во всяком преобразователе энергии, часть энергии теряется- переходит в тепло. Эта энергия называется потерями. Основные потери в трансформаторе составляют потери: в магнитопроводе (потери в стали) на вихревые токи и гистерезис (отставание уменьшения магнитной индукции от уменьшения напряженности магнитного поля) и в обмотках (потери в меди).

Потери в стали, пропорциональные магнитному потоку не зависят от нагрузки, поскольку магнитный поток остается примерно постоянным. Мощность потерь в стали можно определить из опыта холостого хода, при котором потерями в первичной обмотке можно пренебречь.

Мощность потерь в обмотках при номинальной нагрузке определяют из опыта короткого замыкания, т.е. вторичную обмотку замыкают накоротко. А на первичную подают такое напряжение, при котором в обмотках проходят номинальные токи. Это напряжение называют напряжением к.з. и обозначают ս_к.

Контрольные вопросы:

1. Изменится ли ток в первичной обмотке,если при изменении нагрузки увеличился ток во вторичной обмотке?

2. Что называется коэффициентом трансформации?