2.6. Работа трансформатора под нагрузкой

Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформаторов являются предельными. Они используются преимущественно для его испытаний. Режим нагрузки, промежуточный между этими режимами, является для трансформаторов основным. Анализ номенклатуры приемников электрической энергии показывает, что наиболее часто встречаются приемники, представляющие активно-индуктивную нагрузку (трансформаторы, двигатели и т.д.). Данный вид нагрузки будем считать основным при анализе работы трансформаторов [4].

В режиме холостого хода при первичном напряжении трансформатор потребляет из сети ток , который необходим для создания потока . У трансформаторов средней и большой мощности можно пренебречь величинами сопротивлений первичных обмоток и . Следует также считать, что мощность сети значительно выше мощности трансформатора, т.е. величины питающего напряжения и потока остаются постоянными при любых изменениях во вторичной цепи.

; ; ; . (2.60)

Во вторичной обмотке при подключении нагрузки возникает ток . Намагничивающая сила вторичной обмотки в соответствии с правилом Ленца стремиться создать в маг­нитопроводе свой поток и изменить поток, существо­вавший в режиме холостого хода. Однако, из-за того, что , поток существенно измениться не может. Для компенсации намагничивающей силы должен воз­расти ток, потребляемой первичной обмоткой:

, (2.61)

где – нагрузочная составляющая тока первичной обмотки.

; (2.62)

. (2.63)

Ток, потребляемый первичной об­моткой, определяется с учетом выражения (2.63):

. (2.64)

Намагничивающие силы обеих обмоток создают результирующий магнитный поток, индуктирующий в них эдс и соответственно. Эдс вторичной обмотки , приводящая к возникновению вторичного тока , уравновешивается падением напряжения на сопротивлении обмотки и на нагрузке . Величина является напряжением, которое приложено к нагрузке . Система уравнений трансформатора с учетом происходящих в первичной и вторичной цепях явлений, имеет вид:

(2.65)

При работе трансформатора с нагрузкой, близкой к номинальной, можно пренебречь током намагничивания и полагать:

. (2.66)

Д ля облегчения расчетов трансформатора и исследования протекающих в нем электромагнитных процессов часто используют электрическую схему замещения. В схеме замещения реальные электромагнитные связи между первичной и вторичной цепями заменяются электриче­скими. Такой прием делает схему удобной для пользования. Схема замещения представляет совокупность трех ветвей: намагничивающей, первичной и вторичной. Намагничивающей ветвью является ветвь, по которой протекает ток , ограничиваемый сопротивлением . Параметры этой ветви определяются из опыта холостого хода. В схеме замещения первичная ветвь представляется током и сопротивлением , а вторичная ветвь отображается током и сопротивлениями и . Для расчетов и анализа работы систем электроснабжения применяются Т-образная, Г-образная и упрощенная схемы замещения трансформатора, работающего под нагрузкой. В последнем случае пренебрегают током намагничивания трансформатора при работе в пределах номинальных нагрузок. За сопротивление трансформатора принимается его сопротивление короткого замыкания . Схемы замещения трансформатора представлены на рис. 2.9.

П роанализировать работу трансформатора в режиме нагрузки позволяет векторная диаграмма рис. 2.10, соответствующая работе трансформатора на активно-индуктивную нагрузку. Она строится на основе схем замещения или системы уравнений (2.65). Эдс отстает от потока магнитопровода на 90⁰. Ток отстает от эдс на угол , значение которого определяется характером нагрузки. Вычитанием из падения напряжения и получают вектор вторичного напряжения . Реактивная составляющая тока намагничивания совпадает по фазе с , а его активная составляющая опережает на 90⁰. Ток намагничивания опережает на угол , который характеризует магнитные и диэлек­трические (для высоковольт­ных трансформаторов) потери. Ток первичной обмотки определяется выражением (2.64). Вектор первичного напряжения получается прибавлением к вектору падения напряжения и . В случае активно-индуктивной нагрузки . При условиях , , увеличение нагрузки вызывает некоторое уменьшение и , а также и . Работу трансформатора под нагрузкой следует рассматривать как резуль­тат нало­жения режима холостого хода на режим короткого замыкания [1].