Режимы работы трансформаторов (хх, кз, нагрузки)

Различают следующие режимы работы трансформатора:

- холостого хода;

- нагрузки;

- короткого замыкания.

Режим холостого хода.

Режим холостого хода соответствует разомкнутой вторичной обмотке, т.е нагрузка к трансформатору не подключена.

При подаче на первичную обмотку напряжения переменного тока U₁ с частотой f по ней потечет ток I₁ = I × sin wt. Ток создает магнитодвижущую силу F₁ = I₁ × w₁, обуславливает переменный во времени магнитный поток Ф = Ф_м × sin wt, замыкающийся по магнитопроводу и поток рассеяния Ф_s1, замыкающийся по воздуху. Из-за большого магнитного сопротивления воздуха Ф >> Ф_s1.

Рис.3

Магнитный поток индуктирует в обмотках w₁ и w₂ ЭДС (в соответствии с законом электромагнитной индукции). Мгновенные значения, которых равны:

, (6.2)

где Ф_м – амплитудное значение магнитного потока.

Действующее значение ЭДС:

(6.3)

Напряжение на выходе вторичной обмотки U₂ = E₂. Отношение

. (6.4)

называется коэффициентом трансформации. При К > 1 – трансформатор понижающий, при К < 1 – повышающий.

ЭДС Е₁ противодействует изменению тока I₁. Чем больше ЭДС Е₁, тем меньше ток, и наоборот. Из-за наличия ЭДС в первичной обмотке ток I₁ небольшой. Ток I₁ в режиме холостого хода называется током холостого хода и обозначается I₀.

Физические процессы, протекающие в трансформаторе.

Магнитный поток Ф, изменяющий свое направление с частотой f, вызывает циклическое перемагничивание сердечника, что приводит к его нагреву (потери на гистерезис, т.е. перемагничивание). Кроме того, поток Ф наводит ЭДС в самом сердечнике, что приводит к возникновению вихревых токов. Это так же приводит к нагреву сердечника (потери на вихревые токи). Потери в сердечнике Δ Р_с на гистерезис и на вихревые токи ещё называются потерями в стали Р_ст.

Протекание тока по первичной обмотке приводит к ее нагреву (потери в меди). Но из-за малого тока I₁ в режиме холостого хода эти потери неизначальны.

ТО, опыт холостого хода проводится с целью определения магнитных потерь трансформатора (потерями в стали Р_с.) Δ Р_с=Р_хх.

Основной характеристикой режима холостого хода является характеристика холостого хода – зависимость тока I₁ от напряжения U₁.

Рис. 4

При увеличении напряжения U₁ увеличиваются I₁, Ф, Е₁. Вначале ток I₁ изменяется линейно. При больших напряжениях U₁ поток Ф увеличивается не изначально (т.к. почти все домены установились по направлению магнитного поля – сталь насыщена). Значит и Е₁ увеличивается не изначально. Следовательно, противодействие Е₁ росту тока I₁ уменьшается, и ток I₁ начинает быстро увеличиваться.

Вывод: нельзя включать трансформатор на напряжение превышающее номинальное (более 10 –15%).

Режим нагрузки.

В этом режиме к выводам вторичной обмотки подключена нагрузка Z_н.

Рис.5

Физические процессы, протекающие в трансформаторе.

Работа трансформатора в этом режиме аналогична работе в режиме холостого хода (до момента подключения нагрузки).

После подключения (увеличения) ЭДС Е₂ по вторичной обмотке через нагрузку потечет ток I₂. Этот ток создает свою магнитодвижущую силу F₂ и свой магнитный поток Ф₂, направленный навстречу магнитному потоку первичной обмотки. В результате, результирующий поток, равный разности этих двух потоков, уменьшится. Следовательно, уменьшится Е₁ и Е₂. Уменьшение Е₁ приведет к увеличению тока I₁, а значит увеличится и магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой. В результате в магнитопроводе установится единый магнитный поток Ф = Ф₁ – Ф₂ равный магнитному потоку при холостом ходе. Е₁ и Е₂ вернутся к прежним значениям. Иногда этот процесс называют саморегулированием трансформатора.

Логическая цепочка:

Z_н ↑→ I₂↑ → Ф₂↓ → E₁↓ → U₁↑ → I₁↑ → Ф₂↑, т.е Ф=const

u₁= - е₁; u₂= е₂; Ф = Ф₁ – Ф₂

ТО, изменение нагрузки трансформатора (I₂) приводит к соответствующему изменению тока (I₁), следовательно, выполнятся закон сохранения энергии и обеспечивается баланс мощностей (при изменении нагрузки Ф можно считать постоянным).

Ток I₁ превышает ток холостого хода в десятки раз. Выходное напряжение U₂ меньше величины ЭДС Е₂ на величину падения напряжения во вторичной обмотке.

Также как и в режиме холостого хода ток I₁, а в режиме нагрузки еще и ток I₂, создают свои потоки рассеивания, замыкающиеся по воздуху. Но из-за их малости их можно не учитывать.

Этот режим характеризуется примерно такими же потерями в стали, как и в режиме холостого хода (результирующий поток остается таким же), но значительно большими потерями в меди. Последнее обусловлено наличием тока I₂ и увеличением тока I₁. Потери пропорциональны квадрату тока Р_м » I².

Основной характеристикой нагрузочного режима является внешняя характеристика – это зависимость выходного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂. при U₁=const

 

Рис.6

Незначительное снижение напряжения U₂ при увеличении тока I₂ связано в основном с увеличением падения напряжения в обмотках трансформатора.

Режим короткого замыкания.

В этомрежиме сопротивление нагрузки равно нулю (Z_н = 0), выходное напряжение U₂ = 0.

В зависимости от условия возникновения различают эксплуатационное короткое замыкание и испытательное короткое замыкание трансформатора (опыт короткого замыкания).

Эксплуатационное короткое замыкание является аварийным, т.к. оно происходит при U₁ = U_ном, при этом ток в первичной и вторичной обмотках очень большой. Это приводит к выходу трансформатора из строя.

Опыт короткого замыкания проводит при U₁ << U_ном, чтобы токи I₁ и I₂ были номинальными. Так как U₁ < U_ном, то ток намагничивания будет мал и соответственно будет мал и магнитный поток в сердечнике. Можно считать, что потери в стали минимальны и ими пренебрегают. Отсюда следует, что общие потери в трансформаторе равны потерям на нагрев проводников обмоток. Эти потери называют потерями в меди Р_м.

ТО, опыт короткого замыкания проводится с целью определения мощности потерь в первичной и вторичной обмотках трансформатора, т.е на нагрев проводников(потерями в меди Р_м..) Δ Р_м=Р_кз.

Основной характеристикой режима короткого замыкания является характеристика короткого замыкания – зависимость I_1к и Р_1к от U₁.

Зависимость I₁ от U₁ является линейной, т.к. сталь сердечника магнитопровода трансформатора при коротком замыкании не насыщается вследствие малости магнитного потока Ф. Зависимость мощности Р от напряжения представляет собой параболу, т.к. Р_1к = r × I²_1к ≈ U²_1к.