Холостой режим работы трансформатора

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, называют режимом хо­лостого хода (трансформатор работает без нагрузки).

Преобразование электрической энергии в транс­форматоре сопровождается потерями. В отличие от электрических машин, трансформатор не имеет дви­жущихся частей, поэтому механические потери при работе отсутствуют. Имеющиеся потери обусловлены явлением гистерезиса, токами Фуко, потоками рассе­яния магнитного поля и активным сопротивлением обмоток.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая за­мыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Потоки рассе­яния составляют около одного процента от основного магнитного потока трансформатора.

Активное сопротивление обмоток создает потери за счет активных токов, нагревающих обмотки. Для их уменьшения обмотки трансформаторов выполня­ют, как правило, из меди.

Рабочий режим работы трансформатора

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную обмотку включена нагрузка, называют ра­бочим.

Рис. 9. 7

 

При холостом ходе основной магнитный поток в сердечнике Ф₀ создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, которая уравновешивает большую часть приложенного напряжения. Если во вто­ричную обмотку включить нагрузку, то в ней появится ток 1 ₂, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф ₂, знак которого, в соответствии с правилом Ленца, противоположен знаку магнитного потока Ф₁, создаваемому первичной обмоткой (рис. 9.7). В результате суммарный магнитный поток в сердечнике уменьшится, а это приведет к уменьше­нию ЭДС Е ₁в первичной обмотке. Вследствие этого часть приложенного напряжения U ₁окажется неурав­новешенной, что приведет к увеличению тока в пер­вичной обмотке. Ток в первичной об­мотке будет возрастать до тех пор, пока не прекратит­ся размагничивающее действие тока нагрузки. Пос­ле этого суммарный магнитный поток восстановит­ся приблизительно до прежнего значения Ф₀.

При увеличении сопротивления вторичной обмот­ки уменьшаются ток 1 ₂ и магнитный поток Ф ₂, что приводит к возрастанию суммарного магнитного по­тока и, следовательно, к возрастанию Е₁В результате нарушится равновесие между приложенным напря­жением U ₁ и ЭДС Е₁: их разность уменьшится, а сле­довательно уменьшится и ток 1 ₁ до такого значения, при котором суммарный магнитный поток вернется к прежнему значению.

Следовательно, магнитный поток в трансформа­торе остается практически постоянным как в режи­ме холостого хода, так и режиме переменной нагруз­ки. Это свойство трансформатора называют способно­стью саморегулирования, способностью авто­матически регулировать значение первичного тока I ₁ при изменении тока нагрузки I ₂.

 

Потери в трансформаторе

Говоря о работе трансформаторов, мы почти не касались явлений, происходящих в его стальном сердечнике (магнитопроводе). Мы считались лишь с тем, что магнитная проницаемость стали весьма велика, благодаря чему все линии магнитного потока замкнулись в стали.

Сопоставим теперь два фактора: во первых, сталь является проводником электрического тока, и, во вторых, в стали существует переменный магнитный поток.

На первый взгляд, между ними нельзя установить никакой связи, мы убедимся, что это не так, что следствием этих факторов будет появление электрического тока в стали.

Всякое изменение магнитного потока внутри какого-нибудь замкнутого контура индуктирует в нем напряжение. Если этим замкнутым контуром является проводниковая цепь, то в ней появится ток.

Протекание тока по проводнику неизбежно связано с потерями. Вихревые токи будут нагревать сердечник, уменьшение токов достигается расслоением сердечника. Потери на перемагничивание – их иначе называют потерями от гистерезиса.                                       

                                

Рис. 9. 8                                                                              Рис. 9. 9

 

 Образование вихревых токов – рис. 9.8 и 9.9.

Расслаивая сердечник, на изолиро­ванные друг от друга стальные листы, мы уменьшаем потери от вихревых токов:

1 – пластины сердечника; 2 – магнитный поток; 3 – индукционные токи.

 

 Потери в трансформаторе обусловлены:

- явлением гистерезиса;

- токами Фуко;

- потоками рассеяния магнитного поля;

- активным сопротивлением обмоток.

Как известно, в ферромагнетике, подвергаемом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток в катушке оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (5 – 7°). Этот ток можно представить в виде суммы двух токов — намагничивающего тока (реактивного) и тока гистерезиса (активного). Появление тока гистерезиса следует из физической сущности данного явления: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Она идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, создаются и в сердечнике трансформатора. Замыкаясь в толще сердечника, эти токи нагревают его и приводят к потерям энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, то для их уменьшения сердечники трансформаторов набирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.