§ 3. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА
Работу трансформатора в режиме холостого хода удобнее всего рассмотреть на модели однофазного трансформатора, показанной на рис. 2, а. Здесь первичная 1 и вторичная 2 обмотки для наглядности расположены на разных стержнях.
К первичной обмотке 1 подведено переменное напряжение, а вторичная обмотка 2 (как видно из рисунка) разомкнута. Такой режим работы может быть у реального трансформатора, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена. По первичной обмотке трансформатора проходит ток /о, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Этот режим и называют режимом холостого хода трансформатора.
Ток /о, проходя по первичной обмотке 1, создает в магнитопроводе 3 синусоидально изменяющийся поток Фо, который из- за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь б. Ток /о, потребляемый первичной обмоткой, называют током холостого хода трансформатора, а магнитный поток Фо — рабочим магнитным потоком.
Очевидно, что переменный магнитный поток Фо при своем изменении пересекает обе обмотки трансформатора. В каждой из них возникают э. д. е.: в первичной обмотке 1 —э. д. с. самоиндукции Е\у во вторичной обмотке 2 — э. д. с. взаимоиндукции £2. Действующие значения этих э. д. с. зависят от числа витков в обмотках, магнитного потока Фо и частоты его изменения f. Величины э. д. с. определяют по формулам:
где W\ и W2 — числа витков в обмотках;
1 — частота, гц\
Фомакс — максимальное значение магнитного потока.
Разделив Е\ на Еъ, получим:
Это соотношение характеризует одно из основных свойств транс-
форматора э. д. с. в обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков.
Отношение числа витков -
называют коэффициентом
трансформации. Таким образом, если мы хотим повысить полученное от генератора напряжение в 10; 100 или 1000 раз, то необходимо так подобрать обмотки трансформатора, чтобы число витков W2 вторичной обмотки было больше числа витков W\ первичной обмотки соответственно в 10; 100 или 1000 раз. Тогда вторичная обмотка оказывается обмоткой высшего напряжения (ВН), а первичная — обмоткой низшего напряжения (НН). Наоборот, если необходимо снизить напряжение в линии, его подводят к обмотке ВН, а к обмотке НН подключают лриемни- ки электрической энергии.
Итак, любой трансформатор может работать как повышающий и как понижающий. Все зависит от того, к какой из его обмоток будет подведено напряжение для преобразования. Обмотку, к которой при работе трансформатора подводят напряжение от источника (генератора) тока, называют первичной (независимо от того, будет ли это обмотка высшего или низшего напряжения); обмотку, с которой снимают преобразованное напряжение, называют вторичной.
На модели однофазного трансформатора (рис. 2, а, б) напряжение Ui подведено к обмотке W\, поэтому она и названа нами первичной; с обмотки же W2 напряжение будет сниматься для питания приемников г, поэтому она и названа вторичной.
Мы рассмотрели действие только рабочего, или основного, магнитного потока Фо. Однако в трансформаторе кроме рабочего существует еще магнитный поток рассеяния Фр1. Этот магнитный поток образуется силовыми линиями, которые ответвляются от основного потока в сердечнике и замыкаются повоз- духу вокруг витков обмотки wt. Поскольку поток рассеяния замыкается по воздуху, его величина пропорциональна току, в нашем случае — току холостого хода /о. Следовательно, поток рассеяния Фр1 является, как и ток /о, переменным и, пересекая витки первичной обмотки, создает в ней ЭДС самоиндукции £р1.
Таким образом, в первичной обмотке трансформатора создаются две ЭДС самоиндукции: одна Ei — рабочим магнитным потоком Ф0, другая Е р1 — магнитным потоком рассеяния.
Мы знаем, что ЭДС самоиндукции всегда направлена против приложенного напряжения и ее действие на ток в цепи равносильно добавочному сопротивлению, которое называют индуктивным и обозначают буквой х.
Чтобы поддержать неизменным ток холостого хода, подводимое напряжение Ui должна расходоваться не только на преодоление активного сопротивления т\ обмотки, но и на создание этих ЭДС самоиндукции. Другими словами, приложенное напряжение Ui складывается из нескольких частей: первая часть равна ЭДС самоиндукции Е\ от потока Фо, вторая — ЭДС самоиндукции Е р1 от потока рассеяния ФрЬ третья — активному падению напряжения 10ги т. е. в векторной форме это запишется так:
Знак минус в последних слагаемых формулы означает, что ЭДС самоиндукции направлены противоположно напряжению U\. Очень удобно рассматривать эту зависимость, пользуясь векторной диаграммой. Построим векторную диаграмму холостого хода трансформатора.
Рис. 4. Векторная диаграмма холостого хода трансформатора
Известно, что векторами можно изображать любые синусоидально изменяющиеся величины. В нашем случае такими величинами являются приложенное напряжение U1 и магнитный поток Фо. Ток /о благодаря магнитному насыщению стали магнитопровода, влиянию гистерезиса и вихревых токов не является синусоидальным. Однако для приближенных расчетов он обычно заменяется эквивалентным синусоидальным током с действующим значением, соответствующим несинусоидальному току /о. Это позволяет изображать его вектором так же, как и другие синусоидально изменяющиеся величины.
Как правило, векторы на диаграмме изображают действующие значения переменных величин.
Построение векторной диаграммы начинается с откладывания по горизонтальной оси (рис. 4) вектора магнитного потока Фо. Он создается током /о, который из-за перемагничивания стали опережает поток Ф0 на угол б, называемый углом потерь.
Поток Фо, пересекая витки обмоток W\ и W2, создает в них ЭДС индукции Е1 и отстающие от потока на четверть периода. Ток /о создает не только главный поток Фо, но и поток рассеяния Фр1, пропорциональный току и совпадающий с ним по направлению. Этот магнитный поток создает в обмотке wi, вокруг, которой он замыкается, ЭДС самоиндукции Ёр1.
Приложенное напряжение tJ\ должно, очевидно, компенсировать как ЭДС Е1 и £р1, так и активное падение напряжения /о г\ (гi — активное сопротивление первичной обмотки).
Откладываем на диаграмме отрезок —Ei, равный и противоположно направленный ЭДС Ei\ к концу вектора —Ё\ пристраиваем отрезок lor и совпадающий с током /о по направлению, а к концу вектора Ion— отрезок, равный и противоположно направленный ЭДС £ р1. Приложенное напряжение Ui равно геометрической сумме этих величин; на диаграмме его можно получить, соединив точку О с концом отрезка —£р1.
Таким образом, мы построили полную векторную диаграмму холостого хода трансформатора.
В режиме холостого хода вторичная обмотка разомкнута, следовательно, ъ ней нет тока и она не потребляет активной мощности. В то же время оказывается, что первичная обмотка получает от генератора не только намагничивающую — реактивную мощность, которая вновь возвращается в генератор, но и определенную активную мощность.
Небольшая часть активной мощности расходуется на нагревание первичной обмотки; она пропорциональна сопротивлению обмотки и квадрату тока холостого хода Однако сопротивление r первичной обмотки и ток /о обычно невелики (ток холостого хода равен 3—10% от тока при полной нагрузке). Поэтому в первичной обмотке расходуется только незначительная часть активной мощности. Основная часть активной мощности расходуется на перемагничивание и на вихревые токи в стали магнитопровода. И те и другие потери выражаются в бесполезном нагревании магнитопровода и вместе с тепловыми потерями в первичной обмотке составляют потери холостого хода трансформатора.
Эти потери при неизменном первичном напряжении U\ не зависят от нагрузки трансформатора, так как основная их часть — потери в стали сердечника — связана с главным потоком Фо, величина которого от тока нагрузки практически не зависит. Другими словами, потери холостого хода (при неизменном U\) являются постоянными потерями в трансформаторе, они существуют при любом режиме его работы и не зависят от нагрузки.
Особенно ясно это становится после рассмотрения нагрузочного режима работы трансформатора.
