2.2. Схема замещения трансформатора

Исследование работы трансформаторов весьма сложно, т.к. необходимо анализировать электрические и магнитные явления одновременно. В целях упрощения анализа явлений в трансформаторе можно заменить его электромагнитную схему эквивалентной электрической. В этом случае магнитная связь между цепями первичной и вторичной обмотками трансформатора заменяется электрической связью, рис. 2.3,б.

Рис. 2.3. Сварочный трансформатор: а - принципиальная схема; б - схема замещения

В принципиальной электрической схеме включения трансформатора (рис. 2.3. а) дуга как нагрузка заменена резистивным сопротивлением. Такая замена допустима, если схема замещения будет эквивалентна трансформатору, т.е. потребляемая и полезная мощность, а также потери мощности, КПД и коэффициент мощности, найденные по схеме замещения, будут равны соответствующим величинам в действительном трансформаторе. Для этого условия необходимо осуществить приведение всех параметров одной из обмоток к другой.

Такое приведение заключается в том, что числа витков обмоток в трансформаторе принимаются равными. В соответствии с этим необходимо осуществить приведение всех величин, чтобы были соблюдены условия эквивалентности. Возможно приведение параметров первичной обмотки ко вторичной и наоборот. Более удобно осуществлять приведение параметров первичной обмотки ко вторичной. В этом случае число витков первичной и вторичной обмоток будут равными. т.е. w₁/n=w₂ ( n- коэффициент трансформации), а подводимое напряжение U₁¢=U₁/n и величина тока I₁¢= I_1×n. Величины приведенных сопротивлений определяются из условия равенства потерь мощности на нагрев в активном сопротивлении первичной обмотки реального трансформатора и эквивалентной схемы

I₁² R₁ = I₁^¢2 R₁¢,

откуда

R₁¢ = R₁/n².

Для сохранения величины коэффициента мощности cos j необходимо аналогично привести и индуктивное сопротивление Х₁¢ = Х₁/n². Используя правила приведения, можно построить эквивалентную схему (см. рис. 2.3,б), проанализировать ее работу, а затем по формулам приведения определить действительные величины электрических параметров трансформатора.

Схема замещения реального трансформатора (см. рис.2.3,б) представляет собой параллельно-последовательное соединение активного и индуктивного сопротивлений. На вход схемы подается приведенное первичное напряжение U₁¢, а напряжение на выходе (вторичных клеммах, к которым подключается сварочная цепь) будет U₂ = U_д. Схема замещения позволяет исследовать работу трансформатора на всех режимах работы.

Для упрощения анализа работы трансформатора пренебрегают намагничивающим током, который в сварочных трансформаторах составляет не более 6...10% от номинального первичного тока при нагрузке.

В такой схеме принимают I₁¢ = I₂ = I₁n, а Uo=U₁¢. Упрощенная эквивалентная схема замещения, рис.2.4,а представляет собой последовательное соединение активных и индуктивных резисторов. Для трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием коэффициент магнитной связи К_м < 1,

U_o = U₁¢ = U₁ К_м/ n, а для трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием К_м »1, и U_o= U₁¢= U₁ / n.

Рис.2.4. Упрощенная эквивалентная схема замещения трансформатора (а) и векторная диаграмма для схемы при нагрузке (б)

Уравнения для напряжений, ЭДС, а также векторные диаграммы для эквивалентной схемы замещения (см. рис. 2.4.б) существенно упрощаются. Зависимость вторичного напряжения и на выходе источника питания (трансформатора) от тока нагрузки примет вид:

U₂ =U_o -I₂( j(X₁¢ + X₂) + (R₁¢ +R₂)). (2.4)

Обозначим X₁¢ + X₂ = Х_т^' _, R₁¢ +R₂ = R_т , а Z_э = (Х_т^{' 2,} + R_т²) ^0.5 ,

где Х_т , R_т, Z_э - суммарное индуктивное, активное и полное комплексное сопротивление, схемы замещения трансформатора соответственно.

Применяя эти обозначения и учитывая, что I₂ = I_д и U₂ = U_д уравнение (2.4) примет вид:

U_д = U₂ = U_о ─I_д Z_э (2.5)

Уравнение (2.5) является уравнением внешней характеристики сварочного трансформатора .