1.3 Ненавантажений режим роботи трансформатора

Ненавантаженим називається режим роботи Трансформатора, коли його первинна обмотка під’єднана до мережі змінного струму, а вторинна розімкнута, тобто (рис. 1.3). По первинній обмотці трансформатора проходить струм І₀ в той час як у вторинній обмотці струму немає І₂=0. Струм І₀, який протікає по первинній обмотці, створює в магнітопроводі магнітний потік Ф₀, який теж змінюється синусоїдально і який із-за магнітних втрат відстає за фазою від струму І₀ на кут втрат δ.

Рис. 1.3.

Очевидно, що змінний магнітний потік Ф₀ перетинає обидві обмотки трансформатора. В кожній з них виникає е.р.с. в первинній обмотці – е.р.с. самоіндукції Е₁, у вторинній обмотці – е.р.с. самоіндукції Е₂.

Крім робочого магнітного потоку Ф₀ в трансформаторі виникає і магнітний потік розсіювання Ф_1р. Цей магнітний потік утворюється силовими лініями, які відгалужуються від основного потоку в осерді і замикаються через повітря навколо витків обмотки w₁. Його величина пропорційна струму холостого ходу І₀. Відповідно, потік розсіювання Ф_1р, як і струм І₀, змінний і перетинаючи витки первинної обмотки, створює в ній е.р.с. самоіндукції Е_1р.

В первинній обмотці трансформатора утворюється дві е.р.с. самоіндукції одна Е₁ – робочим магнітним потоком Ф₀, друга Е_1р – магнітним потоком розсіювання Ф_1р. Обидві вони, як відомо, направлені проти прикладеної напруги, таким чином можна сказати, що прикладена напруга розкладається на слідуючі три основні частини: е.р.с. самоіндукції Е₁ від потоку Ф₀, е.р.с. самоіндукції Е_1р від потоку Ф_1р, та падіння напруги І₀R₁ на активному опорі міді R₁ первинної обмотки трансформатора. У векторній формі це записується слідуючим чином:

(16)

Знак мінус в останніх доданках виразу означає, що е.р.с. самоіндукції направлені протилежно напрузі U₁. Побудуємо векторну діаграму для ненавантаженого режиму роботи трансформатора. Почнемо з відкладання на горизонтальній осі вектора магнітного потоку Ф₀ (рис. 1.3.б). Він утворюється струмом І₀, який завдяки магнітних втрат в сталі випереджає потік Ф₀ на кут δ. Потік Ф₀, перетинаючи витки обмоток w₁ і w₂, створює в них е.р.с. Е₁ і Е₂, які відстають від потоку на чверть періоду. Струм І₀ створює не тільки головний потік Ф₀, але і потік розсіювання Ф_1р, який пропорційний струму і співпадаючий за напрямком.

Прикладена напруга U₁ повинна компенсувати як е.р.с. Е₁ і Е_1р, так і активне падіння напруги І₀R₁. Відкладаємо на діаграмі відрізок Е₁, рівний і протилежно направлений е.р.с. Е₁. До кінця вектора (–Е₁) добудовуємо відрізок І₀R₁, який співпадає з струмом І₀ за напрямком. До кінця вектора І₀R₁ – відрізок рівний і протилежно направлений е.р.с. Е_1р. Прикладена напруга U₁ дорівнює геометричній сумі цих величин. На діаграмі її можна отримати шляхом сполучення точки 0 з кінцем відрізка Е_1р. Таким чином ми побудували повну векторну діаграму для ненавантаженого режиму трансформатора.

В ненавантаженому режимі первинна обмотка отримує від генератора не тільки намагнічуючу реактивну потужність, яка знову повертається в генератор, але і повну активну потужність. На перший погляд здається, що ця потужність втрачається в первинній обмотці при протіканні по ній струму І₀. Одначе виявляється, що виміряні при цьому втрати в багато разів більші. Це обумовлено тим, що тільки частина струму І₀ (її називають намагнічуючим струмом І_нам) створює магнітний потік Ф₀. Друга його частина (активна складова І_а) залежить від втрат в сталі магнітопроводу і характерезується величиною кута втрат δ.

Векторна діаграма струму х.х. та його складових показана на рис. 1.3.в. Між струмом х.х. І₀ його складовими існує взаємозв’язок.

причому І_ном, як правило, в багато разів більше І_а.

Сумарні втрати в ненавантаженому режимі називають втратами х.х. і позначають Р₀:

Особливості цих втрат є їх постійність від режиму навантаження трансформатора. В силу того,що на х.х. втрати в сталі Р_ст значно більші від втрат в міді І₀R₁, втратами в міді можна нехтувати.

Струм х.х. не повинен перевищувати 10% струму при номінальному навантажені, а падіння напруги в первинній обмотці 0,2...0,5% номінальної напруги живлення.