4.3. Режим нагрузки

При подключении нагрузки к концам вторичной обмотки во вторичной цепи возникает переменный ток. Колебания силы тока во вторичной цепи возбуждают в сердечнике переменный магнитный поток с амплитудой колебаний . Магнитный поток, создаваемый током во вторичной катушке, уменьшает амплитуду колебаний полного магнитного потока в сердечнике, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной катушке. Из-за этого в ней возрастает амплитуда колебаний силы тока до тех пор, пока не будет достигнуто равенство амплитуд приложенного напряжения и ЭДС самоиндукции.

Амплитуда колебаний силы тока в первичной катушке при нагрузке увеличивается. Действующее значение силы тока в пер­вичной обмотке нагруженного трансформатора больше силы тока холостого хода:

.

По закону сохранения энергии имеем:

(7)

где

– мощность, потребляемая во вторичной цепи,

– мощность, потребляемая из сети первичной обмоткой, – «потери в меди», т. е. мощность потерь, связанная с нагреванием обмоток, активное сопротивление которых равно r₁ и r₂, – «потери в стали», т. е. потери на перемагничивание сердечника.

КПД трансформатора:

(8)

При нагрузках, близких к номинальной, КПД трансформаторов весьма высок (порядок 90 – 95%); сдвиги фаз близки к нулю. Напряжения на зажимах мало отличаются от ЭДС, так как активные сопротивления обмоток сравнительно невелики. При этих условиях равенство (4), справедливое для ЭДС, окажется примерно справедливым для напряжений на зажимах обмотки:

(9)

Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высоким КПД (98—99,5%). Снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагрева­ние проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате его перемагничивания и токами Фуко. Для уменьшения токов Фуко сердечник трансформатора обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению сопротивления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание.

При нагрузке трансформатора во вторичной обмотке протекает переменный ток, действующее значение которого . Этот ток уменьшает магнитный поток в сердечнике и тем самым ЭДС самоиндукции (иными словами – индуктивное сопротивление) в первичной обмотке. В результате сила тока в первичной обмотке возрастает до значения . При этом восстанавливается баланс магнитных потоков, и мы получаем приближенное равенство:

(10)

Но магнитный поток пропорционален силе тока в обмотке и числу витков: . Подставив это выражение для магнитного потока в соотношение (10), получим приближенное равенство для баланса токов:

откуда следует:

(11)

Мы получили, что увеличение напряжения на выходе повышающего трансформатора в K раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной катушке примерно в K раз. Мощность в первичной и вторичной цепях ока­зывается приблизительно одинаковой, если пренебречь потерями.