1.3 Работа трансформатора в режиме нагрузки

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

. (1.13) 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 ( рис. 1.4)

Рисунок 1.4 - Магнитные потоки трансформатора в режиме нагрузки

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 (1.14)

Результирующий магнитный поток сцепленный с первичной обмоткой индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, которая в основном уравновешивает подведенное к ней напряжение U₁ (см. формулы (1.5 (1.6)). Поэтому Ф_1РЕЗ остается почти неизменным при любых режимах работы трансформатора.

Ф_1РЕЗ  Ф₁ (1.15)

Следовательно, увеличение вторичного тока сопровождается соответствующим увеличением первичного тока

I_1Н  I₂ / n (1.16)

и мощности, потребляемой трансформатором от питающей сети.

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

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

Магнитный поток рассеяния вторичной обмотки не сцеплен с витками первичной обмотки и, следовательно, не компенсируется соответствующим увеличением первичного тока. Следовательно результирующий магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой будет уменьшаться с увеличением тока нагрузки.

Ф_2РЕЗ = Ф₁ +Ф_1Н–Ф₂₀-(Ф_1Р +Ф_2Р)  Ф₁ – (Ф_1Р +Ф_2Р) (1.18)

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением  = wФ и током в катушке определяет ее индуктивность

L = wФ/I. (1.19)

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

(1.20)

Учитывая, что магнитный поток определяется намагничивающей силой обмотки (см. формулу (1.17)) можно записать (1.21)

В цепи синусоидального переменного тока индуктивностям рассеяния соответствуют индуктивные сопротивления

X_1p = L_1Р X_2p = L_2Р

Приводя параметры первичной обмотки ко вторичной цепи трансформатора можно определить эквивалентные активное и индуктивное сопротивление трансформатора

(1.22)

; . (1.23)

Уравнение трансформатора запишется в виде

( 1.24)

Или в векторной форме

(1.25)

Векторная диаграмма напряжений трансформатора при активной нагрузке R_Н приведена на рис.1.5

Рисунок 1.5 - Векторная диаграмма трансформатора

Обмотки трансформатора обладают малым активным сопротивлением. Падение напряжения на активном сопротивлении при номинальном для данного трансформатора токе составляет 1…3% от напряжения холостого хода:

I_2НОМR_T < 0,03 U₂₀ .

Если трансформатор выполнен с нормальным рассеянием, то есть его первичная и вторичная обмотка совмещены, то магнитный поток, создаваемый намагничивающей силой каждой из обмоток, практически полностью сцеплен с обеими обмотками, а потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки практически полностью компенсируют друг друга (рис.1.6). Магнитные потоки рассеяния и эквивалентные им индуктивности рассеяния при этом близки к нулю (потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки направлены встречно и практически полностью компенсируют друг друга).

L_1Р  0, L_2Р 0, X_T  0.

Рисунок 1.6 - Магнитные потоки в трансформаторе с совмещенными обмотками

Такой трансформатор в диапазоне рабочих токов при активной нагрузке имеет пологопадающую (близкую к жесткой) внешнюю характеристику, сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки близок к нулю, а коэффициент мощности cosφ , близок к единице.

Трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены, то есть размещены на разных стержнях или на разных участках одного стержня, обладают повышенной индуктивностью рассеяния и имеют падающие или крутопадающие внешние характеристики и крутизну наклона характеристики можно регулировать изменяя степень разнесения обмоток трансформатора. Сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки может быть значительным, а коэффициент мощности cosφ , значительно меньшим единицы.