Потери силового трансформатора

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. Все потери в трансформаторе — это потери активной мощности, возникающие в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах его работы. Рассмотрим эти потери.

Потери холостого хода

В режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность расходуется только на покрытие потерь в стали магнитопровода и в первичной обмотке от тока холостого хода (I²₀r₁). Потери, возникающие при этом в магнитопроводе, называют магнитными и обозначают Р_м. А суммарные потери в режиме холостого хода (при номинальных первичном напряжении и частоте) называют потерями холостого хода и обозначают Р₀: Р₀ = Р_м + I²₀r₁, где r₁ — активное сопротивление первичной обмотки. Особенностью потерь холостого хода являются их постоянство и независимость от режима нагрузки трансформатора. Действительно, ток холостого хода I₀ определяется геометрической суммой намагничивающей и активной составляющих. Ток I_нам создает основной поток Ф₀, а активная составляющая I_а определяется только потерями в стали от гистерезиса и вихревых токов. Магнитный поток Ф₀ остается постоянным, как бы ни менялся режим нагрузки (токи I₁ и I₂) трансформатора. Следовательно, и ток I_нам останется неизменным при любой нагрузке. Активная составляющая зависит только от магнитных потерь и для данного магнитопровода, выполненного из определенной марки стали (при номинальных первичном напряжении и частоте), является также неизменной. Естественно, что и потери в первичной обмотке от протекания тока I₀ останутся неизменными. Таким образом, при номинальных первичном напряжении и частоте потери холостого хода Р₀ постоянны и не зависят от нагрузки трансформатора.

Основные потери в обмотках

При включении нагрузки из первичной обмотки во вторичную передается электромагнитная мощность; во вторичной обмотке появляется ток I₂; одновременно в первичной обмотке возникает ток I₁, который находится в прямой зависимости от нагрузки, т. е. от тока I₂. При этом в обмотках теряется мощность, пропорциональная квадратам токов и сопротивлениям первичной и вторичной обмоток: Р_нагр = I²₁r₁ + I²₂r₂, где I₁ и I₂ — токи нагрузки; r₁ и r₂ — сопротивления соответствующие обмоток. Естественно, что потери Р_нагр непосредственно зависят от величины мощности, необходимой потребителю. Так, если в какой-либо момент потребляемая мощность составляет 0,7 номинальной, т. е. токи равны 0,7 своих номинальных значений, потери будут составлять 0,7² = 0,49, или только половину расчетных в номинальном режиме. А если учесть, что потребность в энергии в течение суток неодинакова, то очевидны значительные колебания нагрузочных потерь в обмотках, т. е. эти потери непостоянны и полностью зависят от режима нагрузки.

Добавочные потери в обмотках

Однако I₁ и I₂ — не единственные токи, протекающие в обмотках трансформатора. Кроме токов нагрузки в обмотках трансформаторов обнаруживаются еще и другие токи, которые замыкаются внутри отдельных проводов и между параллельными ветвями обмоток; эти токи в отличие от токов нагрузки не выходят за пределы обмоток. Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называют вихревыми (аналогично токам внутри пластин магнитной системы). Токи, замыкающиеся между параллельно соединенными обмотками или частями обмоток, называют циркулирующими. Эти токи вызываются полем рассеяния, т. е. той частью магнитного поля трансформатора, силовые линии которой сцепляются не со всеми, а только с частью витков обмоток и проходят главным образом в немагнитной среде (в воздухе, масле и т. п.). При расчете потерь в обмотках реальный ток, неравномерно распределяющийся по сечению проводов и между параллельными ветвями обмоток, обычно рассматривают как сумму трех токов: - тока нагрузки, равномерно распределяющегося по поперечному сечению и между параллельными ветвями; - циркулирующего тока, замыкающегося внутри контура, образованного параллельными ветвями; - вихревого тока, замыкающегося только в пределах каждого провода. При этом сумма потерь от трех указанных токов равна реальным потерям в обмотках трансформатора. Кроме потерь в обмотках поля рассеяния вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери снижают эффективность трансформатора; с ними ведется постоянная борьба с целью добиться их минимальной величины. Итак, в трансформаторе различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р₀); нагрузочные (Р_нагр) и добавочные (Р_доб) потери, определяемые режимом работы (величиной нагрузки) трансформатора: ΣР = Р₀ + Р_нагр + Р_доб.