1.4 Режим навантаження трансформатора

Якщо до вторинної обмотки трансформатора підєднати споживач з повним опором 0<Z_н<∞, то трансформатор буде працювати в режимі навантаження (рис.1.4,а) і його електрична схема буде мати вигляд зображення на рис 1.4,б. В якій Е₁ і Е₂ – е.р.с., які індукуються в первинній і вторинній обмотках потоком Ф₀; х_1р і х_2р – індуктивні опори, які характеризують дію потоків розсіювання; R₁ і R₂ – активні опори первинної і вторинної обмоток; Z_н – повний опір навантаження.

В цьому режимі при незмінній первинній напрузі U₁ е.р.с. Е₁ також залишається незмінною, тобто і магнітний потік Ф₀ залишається практично незмінним при довільних навантаженнях (струмах І₁ і І₂) трансформатора. Будь-яке збільшення (зменшення) вторинного струму від нуля до І₂ (від І₂ до 0) викликає автоматичне збільшення (зменшення) первинного струму від І₀ до І₁ (від І₁ до І₀).

Рис. 1.4.

З врахуванням активного опору обмоток рівняння електричного стану первинного і вторинного кіл будуть мати такий вигляд

(17)

(18)

Побудуємо векторну діаграму трансформатора при його роботі на активне навантаження (рис. 1.5,а). Відкладаємо по горизонтальній осі вектор магнітного потоку Ф₀, потім напрямок для е.р.с. , яка (як і ) відстає від вектора Ф₀ на чверть періоду. З точки 0 проводимо струм І₂ під кутом

до вектора Е₂, а також вектора , який при активному навантаженні трансформатора співпадає з вектором І₂ (φ₂=0), при індуктивному випереджає І₂ на кут φ₂>0, при ємнісному – відстає від І₂ на кут φ₂<0 від І₂ (рис. 1.5,а). З кінця вектора відкладаємо вектор індуктивного падіння напруги у вторинній обмотці . Геометрична сума векторів та дає вектор Е₂.

Кінець вектора струму з’єднуємо з кінцем вектора І₀ відрізком. З точки 0 проводимо паралельно останьому відрізку промінь для напрямку вектора І₁. З кінця вектора І₀ паралельно І₂ в прямо протилежному напрямку до І₂ проводимо до перетинання з напрямком для вектор . З точки 0 в протифазі до , з кінця якого відкладаємо падіння напруги на реактивному опорі первинної обмотки (паралельно вектору ), а потім і вектор, який враховує падіння напруги на реактивному опорі первинної обмотки з’єднуємо з точкою 0 і отримуємо вектор первинної напруги U₂.

Рис. 1.5.

1.5 Режим короткого замикання трансформатора

Режим короткого замикання трансформатора виникає при замикані між собою кінців вторинної обмотки до споживача алектроенергії (в точках аb, на рис. 1.6)

Рис. 1.6.

В цьому режимі вторинна обмотка замикається накоротко і продовжує отримувати енергію з первинної обмотки і віддавати її у вторинне коло, яке тепер складається тільки з обмотки і частини з’єднувальних провідників.

На перший погляд здається, що при короткому замиканні трансформатор повинен неминуче згоріти, тому що опір R₂ обмотки і з’єнувальних провідників в десятки разів менше опору номінального навантаження R_Н. Якщо допустити, що опір R_Н навантаження в 100 разів більше R₂, то струм короткого замикання І_2кз повинен бути в 100 разів більше струму І₂ при номінальній роботі трансформатора. Так як первинний струм також зростає в 100 разів (І₁w₁=І₂w₂), втрати в обмотках трансформатора різко збільшуються, а саме в 100² разів (І² R) тобто в 10000 разів. При цих умовах температура обмоток за 1–2 с досягне 500...600˚С і вони швидко згорять.

Одначе на практиці трансформатори витримують короткочасне коротке замикання поки захист не відключе їх від мережі. Тобто при короткому замиканні виявляється дія якогось додаткового опору, який обмежує струм короткого замикання в обмотках. Цей опір зв’язаний з магнітними потоками розсіювання Ф_1р і Ф_2р, які відгалуджуються від основного потоку Ф₀ і замикаються кожен навколо частини витків „своєї” обмотки w₁ і w₂ (рис. 1.6). Поки розсіювання індукують в обмотках е.р.с. самоіндукцій Е_1р і Е_2р, які направлені проти струму. Їх протидію можна рахувати деяким додатковим реактивним опором в колах обмоток при короткому замиканні.

Досвід показує, що в залежності від потужності трансформатора опір Х₂ в 5...10 разів більше R₂. Тому в дійсності струм І_2кз не в 100, а лише в 10...20 разів буде більне струму І₂ при нормальній роботі трансформатора. Відповідно і втрати в обмотках збільшаться не в 10000, а тільки в 100...400 разів; температура обмоток за час короткого замикання (декілька секунд) ледве досягне 150...200˚С і в трансформаторі за короткий час не виникне сутєвих пошкоджень.