§65. Режими роботи трансформатора і його характеристики

Режим холостого ходу. При розімкнутої вторинної обмотці трансформатор працює в режимі холостого ходу. Струм холостого ходу i0, що проходить по первинній обмотці, має дві складові: активну i0a і реактивну i0р. При цьому

Í = Í 0a + Í 0р

Реактивна складова називається намагнічує струмом, цей струм створює магнітний потік в магнітопроводі трансформатора. Активна складова забезпечує надходження в трансформатор електричної енергії, необхідної для компенсації втрат енергії в стали муздрамтеатру. Вона невелика, тому струм холостого ходу практично можна вважати рівним намагнічує струму: I0≈ I0р. При проектуванні трансформаторів магнітне опір муздрамтеатру прагнуть зробити малим, щоб струм холостого ходу для потужних трансформаторів становив 3-4%, а трансформаторів середньої потужності - 8-10% номінального струму.

Е. д. З, індуковані в первинної та вторинної обмотках, відповідно до закону електромагнітної індукції пропорційні швидкості зміни магнітного потоку. Отже, вони пропорційні максимального значення магнітного потоку Фm і частоті його зміни. В кожному витку первинної і вторинної обмоток індукується е. д. з, діюче значення якої EВ = 4,44 fФт, де 4,44 = 2√2 - постійна.

відповідно:

E1 = 4,44 fω 1 Фт; E2 = 4,44 f ω 2 Фт

При холостому ході е. д. з. Е1 практично дорівнює живлячої напруги U1, так як падіння напруги в первинній обмотці, що створюється невеликим струмом холостого ходу, мало. Якщо змінюється напруга U1, то будуть змінюватися е. д. з. Е1, магнітний потік Фт і струм холостого ходу I0. Залежність е. д. з. Е1 від струму холостого ходу називається характеристикою холостого ходу (рис. 221, а). При малих напругах U1 і е. д. з. Е1 магнітний потік трансформатора малий, і для його створення потрібно невеликий струм холостого ходу. В цьому випадку магнітна система трансформатора не насичена і ток I0 зростає пропорційно U1 (так само як і струм збудження в генераторі постійного струму). При подальшому збільшенні напруги U1 магнітна ланцюг трансформатора насичується і ток I0 починає рости швидше, ніж е. д. з. Е1. Значне збільшення напруги U1 понад номінального неприпустимо, так як при цьому різко збільшується струм холостого ходу.

Навантажувальний режим. При підключенні навантаження ZH до вторинної обмотці трансформатора (рис. 222) він починає віддавати навантаженні деяку потужність. Відповідно збільшується і потужність, що отримується первинної обмоткою з мережі живлення. Отже, при збільшенні струму i2 у вторинній обмотці зростає і струм i1 в первинній обмотці.

Магнітний потік трансформатора визначається значенням напруги живлення U1 і практично не залежить від навантаження. Тому результуюча м. Д. З, створювана при навантаженні то-

Мал. 221. Характеристики силових і випрямних трансформаторів: а - холостого ходу; б-зовнішні (φ2> 0 - активно-індуктивне навантаження, (φ 2 <0- активно-ємнісний)

Мал. 222. Схема магнітних потоків в трансформаторі при навантаженні

ками i1, і i2, повинна залишатися такою ж, як і при холостому ході:

F1 + F2 = F0

де

F1 = I1 ω 1 - м. Д. С. первинної обмотки при навантаженні;
F2 = I2 ω 2-м. д. з. вторинної обмотки при навантаженні;
F0 = I0 ω 0-м. д. з. первинної обмотки при холостому ході.

Рівняння (78) називається рівнянням рівноваги магніторушійних сил трансформатора. Якщо поділити обидві його частини на
ω 1, то отримаємо: Í1 = Í0 - Í2 ω 2 / ω 1, звідки випливає, що наявність струму I2 у вторинній обмотці трансформатора викликає автоматично збільшення струму I1, в первинній обмотці. Зазвичай в трансформаторах великої і середньої потужності струм I0 становить кілька відсотків від номінального значення струму I0. Тому при навантаженнях, близьких до номінальної, можна вважати, що Í1 ≈ Í2 ω 2 / ω 1

Токи i1 і i2, проходячи по обмоткам трансформатора, створюють в них падіння напруги - активні і реактивні (індуктивні). Активні падіння напруги виникають в результаті проходження струмів i1 і i2 по активним опорам R1 і R2 обмоток. Реактивні падіння напруги обумовлюються дією потоків розсіювання Ф? 1 �� Ф? 2, створюваних струмами i1, і i2. На відміну від основного потоку Ф, який замикається по сердечнику і зчеплений одночасно з обома обмотками, потоки Ф? 1 �� Ф? 2 зчеплені кожен тільки зі своєю власною обмоткою і індукують в них е. д. з. самоіндукції еL1 і еL2. Ці е. д: с, як було показано в § 51, створюють індуктивні опору Х1 і Х2 обмоток, в яких при проходженні струмів i1 і i2 виникають падіння напруги.

Для визначення зміни вторинної напруги трансформатора при навантаженні напруги U2 зазвичай призводять до первинного, множачи його на коефіцієнт трансформації п. Т. Е. U'2 = U'2n. Точно так же призводять до первинної обмотці струм I2, множачи його на 1 / n, т. Е. I'2 = I'2 / n. Величини U'2 і I'2 називаються наведеними вторинною напругою і вторинним струмом.

Зміна вторинної напруги можна визначити по зовнішній характеристиці трансформатора (див. Рис. 221, б), яка представляє собою графічну залежність наведеного вторинного напруги U'2 від наведеного вторинного струму I'2. При холостому ході наведене вторинна напруга U'2 дорівнюватиме

Мал. 223. Зовнішня характеристика зварювального трансформатора

первинного U1, при навантаженні ж через падіння напруги в опорах R1, R2, Х1 і Х2 первинної і вторинної обмоток воно буде менше U1. У трансформаторах середньої і великої потужності реактивне падіння напруги зазвичай в кілька разів перевищує активну. Тому і активно-індуктивне навантаження викликає більшу зміну напруги, ніж активна (зміна напруги зростає зі зменшенням cos? 2 в ланцюзі навантаження). У трансформаторах малої потужності, навпаки, активне падіння напруги зазвичай більше реактивного і зміна напруги зменшується зі збільшенням cosφ2.

Зазвичай зміна напруги? U при роботі трансформатора під навантаженням визначають при номінальному значенні первинного напруги U1ном і виражають у відсотках:

Δu% = [(U1ном - U2n) / U1ном] 100

Величину? U% іноді називають відносною втратою напруги в трансформаторі. У силових і випрямних трансформаторах зміна напруги при номінальному струмі зазвичай становить 2-6% (залежно від cos? 2).

Коротке замикання. У паспорті трансформатора вказують не зміна напруги, яке по-різному для різних cosφ2, а результуюче падіння напруги в його обмотках при номінальному нагрузочном струмі. Це падіння напруги називають напругою короткого замикання, і його можна визначити дослідним шляхом, якщо живити трансформатор із замкнутою накоротко вторинною обмоткою зниженою напругою UK (досвід короткого замикання). У цьому випадку напруга UK дорівнюватиме такої напруги U1, при якому по обмотках замкнутого на коротко трансформатора протікають номінальні струми.

Напруга короткого замикання є вельми важливим експлуатаційним показником, його виражають у відсотках від U1ном:

uk% = (Uk / U1ном) 100

Для трансформаторів середньої потужності uk% = 5-7%, для потужних трансформаторів 6-12%.

Якщо коротке замикання відбувається в процесі експлуатації трансформатора при номінальній напрузі, то в обох обмотках виникають великі струми, що перевищують номінальне значення в 10-20 разів, при цьому підвищується температура обмоток і на них діють великі електромагнітні сили. Таке замикання є аварійним і вимагає спеціального захисту, яка повинна відключити трансформатор протягом часток секунди. Сталий струм короткого замикання трансформатора в загальному випадку

Ik = Iном (100 / uk%)

де Iном - номінальний струм первинної обмотки.

Для обмеження струмів короткого замикання потужні трансформатори виконують з підвищеними значеннями Uк%, т. Е. З підвищеним внутрішнім індуктивним опором обмоток.

Характеристики зварювальних трансформаторів. У деяких випадках бажано, щоб трансформатор мав крутопадаючих зовнішню характеристику (рис. 223). Таку характеристику повинні, наприклад, мати зварювальні трансформатори, так як вона забезпечує стійке горіння електричної дуги. Крім того, під час електрозварювання режим короткого замикання є нормальним робочим режимом і при крутопадающей характеристиці струм Iкз? Iном.

Для отримання крутопадающей характеристики послідовно з вторинною обмоткою трансформатора включають реактор з великим індуктивним опором (рис. 224, а). У деяких конструкціях зварювальних трансформаторів муздрамтеатр додаткового реактора поєднують з магнітопроводом трансформатора (рис. 224, б). Регулювання струму I2 електричної дуги здійснюється в таких трансформаторах двома способами: поетапне - шляхом зміни числа витків вторинної обмотки і плавне - шляхом зміни повітряного зазору d. При зміні повітряного зазору змінюється індуктивність реактора і, отже, нахил зовнішньої характеристики трансформатора.

Мал. 224. Принципові схеми зварювальних трансформаторів: а -з зовнішньої індуктивністю (реактором), б - з реактором на загальному сердечнику; 1 - трансформатор; 2 - реактор