8.3 Работа трансформатора в режиме нагрузки

При подключении нагрузки во вторичной обмотке появляется ток I₂, который создает магнитный поток Ф₂, направленный встречно потоку Ф₁:

. (8.9) Основная часть этого потока Ф₂₀ замыкается по магнитопроводу трансформатора, а часть потока замыкается в пространстве вокруг вторичной обмотки, образуя поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2Р.

Магнитный поток, сцепленный с витками первичной обмотки в режиме нагрузки, определится разностью потока, созданного намагничивающей силой первичной обмотки (I_1Hw₁), и основной частью магнитного потока вторичной обмотки

Ф_1РЕЗ = Ф₁ +Ф_1Н – Ф₂₀ . (8.10)

Результирующий магнитный поток, сцепленный с первичной обмоткой индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, которая в основном уравновешивает подведенное к ней напряжение U₁ (см. формулы (8.3), (8.4)). Поэтому Ф_1РЕЗ остается почти неизменным при любых режимах работы трансформатора.

( Ф_1РЕЗ  Ф₁ ) ( 8 .11)

Следовательно, увеличение вторичного тока сопровождается соответствующим увеличением первичного тока

I_1Н  I₂ / n (8.12)

и мощности, потребляемой трансформатором от питающей сети.

С увеличением тока нагрузки возрастают и потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки Ф_1РН и Ф_2Р.

, ( 8.13 )

Магнитный поток рассеяния вторичной обмотки не сцеплен с витками первичной обмотки и, следовательно, не компенсируется соответствующим увеличением первичного тока. Результирующий магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, составит

Ф_2РЕЗ = Ф_1РЕЗ - Ф_1Р - Ф_1РН – Ф_2Р ( 8.14 )

С учетом ( 8.11 ) получаем

Ф_2РЕЗ = Ф₁ - Ф_1Р - Ф_1РН – Ф_2Р = Ф₁₀ - Ф_1РН – Ф_2Р ( 8.15 )

ЭДС индуктируемая во вторичной обмотке в режиме нагрузки:

Е₂=Cw₂Ф_2РЕЗ  Cw₂ Ф₁₀- Сw₂(Ф_1РН + Ф_2Р ). (8.16)

Первое слагаемое в выражении ( 8.16 ) определяет напряжение холостого хода трансформатора ( см. 8.2 ).С учетом этого получаем

Е₂ = U₂₀ - Cw₂ ( Ф_1РН +Ф_2Р ). ( 8.17 )

Магнитные потоки рассеяния возрастают с увеличением тока нагрузки ( см. 8.13 ). Следовательно, магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, будет уменьшаться при увеличении тока нагрузки. При этом будет уменьшаться ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке, то есть внешняя характеристика трансформатора будет падающей, и крутизну ее падения можно регулировать, изменяя потоки рассеяния.

В трансформаторах с совмещенными обмотками потоки рассеяния минимальны и их внешняя характеристика является пологопадающей, близкой к жесткой. В трансформаторах с разнесенными обмотками потоки рассеяния значительны и они имеют падающие внешние характеристики, крутизна наклона которых возрастает с увеличением степени разнесения обмоток.

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением

 = wФ и током в катушке определяет ее индуктивность

L = wФ/I. (8.18)

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

(8.19)

Учитывая, что магнитный поток определяется намагничивающей силой обмотки (см. формулы (8.1) и (8.9)) можно записать:

(8.20)

(8.21)

где R_MP1 и R_MP2 – сопротивления магнитных цепей, по которым замыкаются потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Уравнение для первичной цепи трансформатора в комплексной форме записи имеет вид:

(8.22)

где X₁ = L_1Р – индуктивная сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяние.

Уравнение для вторичной цепи

(8.23)

При анализе работы трансформатора принято использовать схему замещения, в которой магнитную связь между обмотками заменяют электрической. При использовании схемы замещения все электрические величины и параметры, относящиеся к одной из обмоток приводятся к другой по формулам приведения.

На рис.8.3 изображена Т-образная схема замещения сварочного трансформатора, в которой параметры первичной цепи приведены ко вторичной.

а б

а – Т-образная; б – упрощенная

Рисунок 8.3 - Схема замещения трансформатора

Приведенные электрические величины и параметры обозначаются теми же буквами, что и для реального трансформатора, но со штрихами.

Участок схемы замещения между точками т и п называют намагничивающим. Ток имеет активную составляющую и реактивную . Составляющая обусловлена потерями в магнитопроводе, а необходима для создания основного магнитного потока трансформатора. В режиме холостого хода I₂ = 0 и ток является током первичной обмотки в режиме холостого хода.

При приведении не должны изменится полная, активная и реактивная мощности трансформатора, а также сдвиг фаз между напряжением и током.

Коэффициент приведения для напряжений можно найти на основании того, что при W₁ = W₂ напряжение = U₂₀, а так как U₂₀ = U₁/n, получаем

(8.24)

Из условия равенства полной мощности получаем

. (8.25)