6.2 Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис. 6.1).

При подаче от источника электрической энергии напряжения u₁ на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i₁, возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁, который, пронизывая витки первичной обмотки, создает в ней напряжение w₁ в результате явления самоиндукции.

Согласно закону электромагнитной индукции, это напряжение определяется по формуле

(6.1)

где – производная магнитного потока по времени.

Если ,то

Следовательно

(6.2)

где – амплитуда напряжения самоиндукции в первичной обмотке электрического трансформатора.

Действующее значение напряжения равно

(6.3)

Во вторичной обмотке в результате явления взаимной индукции магнитный поток создает напряжение , действующее значение которого равно

(6.4)

Если к концам вторичной обмотки присоединен приемник электрической энергии (рис. 6.1), то под действием напряжения во вторичной обмотке потечет ток i₂, который в свою очередь возбуждает магнитный поток, направленный, согласно закону Ленца, противоположно магнитному потоку.

В итоге результирующий магнитный поток в магнитопроводе

(6.5)

уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения _.

Однако напряжение не может быть меньше определенного значения, определяемого в соответствии со II законом Кирхгофа:

(6.6)

где – напряжения в первичной обмотке, возникающие в результате наличия резистивного сопротивления и магнитного потока рассеяния в этой обмотке.

Таким образом, ток в первичной обмотке возрастает до такого уровня, при котором результирующий магнитный поток индуцирует необходимое значение , соответствующее уравнению (6.6) и заданной на грузке_.

В установившемся режиме работы электрического трансформатора имеет место соотношение

, (6.7)

где – намагничивающая сила первичной обмотки;

– намагничивающая сила вторичной обмотки;

– ток холостого хода.

Ток также называют намагничивающим, так как он определяет значение результирующего магнитного потока .

В связи с вышеизложенным следует, что результирующий (суммарный) магнитный поток в магнитопроводе электрического трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

6.3 Работа трансформатора в режиме холостого хода

Режим холостого хода – такой режим работы электрического трансформатора, при котором его вторичная цепь разомкнута и ток в ней равен нулю (i₂ = 0).

Под действием приложенного напряжения u₁ по первичной обмотке протекает ток , возбуждающий в магнитопроводе магнитное поле .

Большая часть магнитного потока замыкается в магнитопроводе. Однако небольшая часть этого потока замыкается вокруг витков только первичной обмотки, образуя поток рассеяния, и не индуктирует напряжение взаимоиндукции во вторичной обмотке.

В первичной обмотке индуктирует напряжение

(6.8)

где – индуктивность рассеяния первичной обмотки электрического трансформатора;

– индуктивное сопротивление рассеяния этой обмотки.

Кроме того, первичная обмотка обладает резистивным сопротивлением r₁. На рисунке 6.2 представлена схема замещения электрического трансформатора с учетом резистивных сопротивлений r₁ и r₂ первичной и вторичной обмоток и их индуктивностей рассеяния и .

Рис.6.2. Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

Составим уравнение для первичной цепи по II закону Кирхгофа в комплексной форме

(6.9)

Рис. 6.3. Векторная диаграмма напряжений и тока трансформатора

в режиме холостого хода

На рисунке 6.3 представлена векторная диаграмма напряжений и токов, построенная в соответствии с (6.9).

Опытом холостого хода называется испытание электрического трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном приложенном к первичной обмотке напряжении .

Для проведения опыта холостого хода собирается электрическая цепь согласно схеме рисунка 6.4.

Рис. 6.4. Схема электрической цепи для проведения опыта холостого хода

трансформатора

При ток составляет 3...10 % от номинального первичного тока . Следовательно, в формуле (6.9) слагаемыми и можно пренебречь. Тогда имеем:

(6.10)

При разомкнутой цепи вторичной обмотки

(6.11)

поэтому, измерив вольтметром PV1 первичное напряжение и вольтметром PV2 – вторичное напряжение , определяют коэффициент трансформации по напряжению

(6.12)

Этот коэффициент указывается на щитках электрических трансформаторов как отношение высшего напряжения к низшему (например К = 6000/230).

При холостом ходе и мощность потерь в проводах первичной обмотки (потери в меди) мала по сравнению с потерями на вихревые токи (потери в стали) , поэтому в опыте холостого хода по показаниям ваттметра определяют мощность потерь в магнитопроводе.