6.2. Режими роботи трансформатора

Робота трансформатора характеризується двома режимами – режимом холостого ходу (х.х.) і навантаженим режимом.

Вивчення роботи трансформатора почнемо з режиму холостого ходу.

6.2.1. Холостий хід трансформатора

В цьому режимі первинна обмотка трансформатора приєднана до джерела змінного синусоїдального струму з напругою U₁, а вторинна обмотка залишається розімкнутою (рис. 6.6).

Під дією прикладеної напруги U₁ в первинній обмотці протікає струм І₁₀. Він має назву струм холостого ходу (струм х.х.).

В трансформаторі струм х.х. невеликий і складає 2,5  10 % від номінального струму І_1н, що виникає при роботі трансформатора з повним (номінальним) навантаженням.

Струм І₁₀ збуджує синусоїдальний магнітний потік.

Цей потік доцільно уявити як суму двох потоків:

• Головний магнітний потік Ф₀, який замикається по сталевому магнітопроводу і пронизує витки первинної і вторинної обмоток;

• Потік розсіювання Ф_1, що замикається по повітрю, пронизує тільки витки первинної обмотки і створює в ній ЕРС самоіндукції.

Змінні    (синусоїдальні)    магнітні    потоки    збуджують    ЕРС     індукції е = –w dФ / dt, яка відстає від відповідного магнітного потоку на 90 (див. виноску¹).

Користуючись виразом для середньоквадратичного значення ЕРС E = 4,44fwФ_m (див. виноску) визначимо ЕРС у первинній і вторинній обмотках.

E₁ = 4,44fw₁Ф_m

E₂ = 4,44fw₂Ф_m

Ці ЕРС відстають від головного магнітного потоку за фазою на 90.

ЕРС E_1, створена магнітним потоком розсіювання Ф_1, (E_1 = 4,44fw₁Ф_1 m) також відставатиме від нього на 90.

Оскільки струм у вторинній обмотці відсутній, то напруга на клемах цієї обмотки U_2 0 в режимі х.х. дорівнює індукованій ЕРС E₂.

Напруга U₁ первинної обмотки трансформатора має три складові:

• Н апруга що врівноважує ЕРС Е₁ і зсунута відносно неї на 180.

• Падіння напруги на активному опорі первинної обмотки U_r1 = I₁₀r₁ співпадає за фазою із струмом I₁₀.

• Падіння напруги на індуктивному опорі первинної обмотки, що врівноважує E_1, U_x1 = I₁₀x₁ = –E_1, яка випереджає струм I₁₀ на 90.

Сума цих складових становить напругу U₁ відповідно другому закону Кірхгофа для первинного кола. Ілюстрація векторною діаграмою – на рис. 6.7.

x₁ – індуктивний опір первинної обмотки, зумовлений дією потоку розсіювання.

Рівняння за другим законом Кірхгофа для первинного кола в зображеннях через комплексні числа:

.

Потік розсіювання Ф_1, а відповідно і індукована ним ЕРС E_1 пропорційні струму первинної обмотки трансформатора, тому можна замінити вектор E_1 рівним йому за величиною і протилежним за напрямком вектором індуктивного падіння напруги .

Відзначимо, що в реальних трансформаторах величина i₁₀r₁ і i₁₀x₁ складають дуже незначну частину напруги u₁, тому з достатньою точністю можна вважати u₁  e₁. З цього співвідношення і формули Е₁ = 4,44fw₁Ф_m випливає, що головний магнітний потік трансформатора пропорційний прикладеній напрузі:

.

Відношення ЕРС, індукованих головним магнітним потоком в первинній і вторинній обмотках, називають коефіцієнтом трансформації , а – коефіцієнтом передачі.

Оскільки при х.х. напруга U_2 0 на клемах вторинної обмотки дорівнює індукованій в ній ЕРС Е₂, а ЕРС Е₁ дуже мало відрізняється за величиною від напруги U₁, то коефіцієнт трансформації визначають як відношення напруг на первинній і вторинній обмотках трансформатора на х.х. .