Потери в трансформаторе и их физическая природа

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, вихревыми тока­ми, потоками рассеяния магнитного поля и активным сопро­тивлением обмоток.

Как известно, ферромагнитные материалы состоят из не­больших областей самопроизвольного намагничивания, ко­торые называются доменами.

Магнитные моменты всех доменов по всему объему фер­ромагнетика ориентированы беспорядочно, поэтому резуль-

тирующий магнитный момент всего ферромагнетика в от­сутствие внешнего магнитного поля равен нулю. Если фер­ромагнетик поместить в магнитное поле, то магнитные мо­менты отдельных доменов получат преимущественную ори­ентацию в направлении поля. Чем больше индукция внеш­него поля В, тем сильнее эта ориентация, тем сильнее на­магничивается ферромагнетик. При некоторой достаточной величине внешнего поля все магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль поля.

Если ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, создаваемое переменным током, то ферромагнетик бу­дет циклически перемагничиваться с частотой переменного тока. При этом домены будут менять свою ориентацию с такой же частотой. При переориентациях доменов соверша­ется работа из-за внутреннего трения доменов друг о друга.

Как известно, в ферромагнетике, подвергаемом цикличес­кому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. При этом при каждом перемагничивании сердечника затрачивается рабо­та, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта рабо­та вследствие внутреннего трения 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.

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.