Коэффициент трансформации и режимы работы трансформатора. Саморегулирование и К.П.Д. трансформатора

Режим работы трансформатора, при котором его вторич­ная обмотка разомкнута, называют режимом холостого хода (трансформатор работает без нагрузки). Режим работы транс­форматора, при котором во вторичную обмотку включена нагрузка, называют рабочим.

. 7.3

В режиме холостого хода основной магнитный поток в сердечнике Ф₀ создает в первичной обмотке ЭДС самоиндук­ции, которая уравновешивает большую часть приложенного напряжения. Так будет до тех пор, пока вторичная обмотка разомкнута. Если во вторичную обмотку включить нагрузку, то в ней появится ток I₂, возбуждающий в том же сердечни­ке свой магнитный поток Ф₂, знак которого в соответствии с правилом Ленца противоположен знаку магнитного потока Ф1, создаваемому первичной обмоткой (рис. 7.3).

В результате суммарный магнитный поток в сердечнике уменьшится, а это приведет к уменьшению ЭДС Е1 в первич­ной обмотке. Вследствие этого часть приложенного напря­жения U1 окажется неуравновешенной, что приведет к уве­личению тока в первичной обмотке. Очевидно, что 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 I₂ и магнитный поток Ф₂, что приводит к возрас­танию суммарного магнитного потока и, следовательно, к воз­растанию Е1. В результате нарушится равновесие между при­ложенным напряжением U₁ и ЭДС Е₂: их разность умень­шится, а следовательно, уменьшится и ток I₂ до такого значе­ния, при котором суммарный магнитный поток вернется к прежнему значению.

Таким образом, магнитный поток в трансформаторе оста­ется практически постоянным как в режиме холостого хода, так и режиме переменной нагрузки. Это свойство трансфор­матора называют способностью саморегулирования, т. е. спо­собностью автоматически регулировать значение первично­го тока I1 при изменении тока нагрузки I₂.

Как уже говорилось, преобразование электрической энер­гии в трансформаторе сопровождается потерями. Коэффици­ент полезного действия трансформатора (к.п.д.) — это отно­шение отдаваемой активной мощности к потребляемой:

100%,

 

(7.6)

 

где Р1 — мощность, потребляемая из сети, Р₂ — мощность, от­даваемая нагрузке. Таким образом, для практического опре­деления к.п.д. трансформатора при номинальной нагрузке не­обходимо измерить мощности в первичной и вторичной об­мотках. Это измерение можно значительно упростить, вклю­чив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда соs fi ~ 1 (поток рассеяния невелик), и мощность Р₂ может быть вы­числена по показаниям амперметра и вольтметра, включен­ных во вторичную цепь. Такой метод определения к.п.д. на­зывается методом непосредственных измерений. Он весьма прост, но имеет два существенных недостатка: малую точность и неэкономичность. Первый из них обусловлен тем, что к.п.д. промышленных трансформаторов очень высок (до 99%), по­этому мощности Р₂ и Р1 иногда мало отличаются по величине. В этом случае незначительные ошибки в показаниях прибо­ров приведут к большим ошибкам в значении к.п.д. Неэко­номичность этого способа связана с большим расходом элек­троэнергии за время испытания, так как трансформатор при­ходится нагружать до номинальной мощности. Поэтому ме­тод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для трансформато­ров малой мощности с небольшим к.п.д. (например, в учебной практике).

На практике к.п.д. трансформаторов определяют косвен­ным методом, т. е. путем раздельного определения потерь. При этом исходят из того, что к.п.д. трансформатора(Кю) может быть представлен в следующем виде и равен:

____Р2____

Р2+Рст+Рм

где Р_ст — потери в стали (в сердечнике), а Р_м — потери в меди (в обмотках). Потери в стали и потери в меди измеряют в опы­тах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку ос­тавляют разомкнутой, определяют потери в стали,т.е. поте­ри на гистерезис и вихревые токи. Так как при номиналь­ном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали для него являются посто­янной величиной. Таким образом, можно считать, что в ре­жиме холостого хода энергия, потребляемая трансформато­ром из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки. При этом, правда, не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током хо­лостого хода. Но этот ток невелик, и потери от него также невелики. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации к и ток холостого хода I₀₁.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на­коротко, а на первичную обмотку подать такое понижен­ное напряжение, при котором токи в обмотках не превы­шают номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на теп­ловые потери в проводах обмоток трансформатора. В са­мом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к пер­вичной подводится пониженное напряжение, поэтому маг­нитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт назы­вают опытом короткого замыкания. Следовательно, ват­тметр, включенный в цепь первичной обмотки трансфор­матора в этом опыте, покажет мощность, соответствующую потерям в меди (Р_м).