Основные соотношения в трансформаторе.

При работе трансформатора с нагрузкой Zн в его первичной обмотке проходит ток I1, который создает МДС первичной обмотки F`1 = İ1 w1, во вторичной обмотке - ток I2 создает МДС F`2 = İ2 w2. Действуя совместно, МДС наводят в трансформаторе основной магнитный поток Ф, замыкающийся в магнитопроводе. Основной магнитный поток индуцирует в обмотках ЭДС Е1 и Е2 . Каждая обмотка трансформатора обладает активным сопротивлением r1 и r2, а также реактивным сопротивлением x1, и x2 . Запишем уравнения напряжений по второму закону Кирхгофа в комплексном виде:

Для первичной цепи Ú1 + É1 = Í1 (r1 + j x1 ),

Или

Ú1 = (-É1) + Í1 j x1 + Í1r1 ; (4.6)

Для вторичной цепи

É2 = Ú2 + Í2 (r2 + j x2 ),

Или

Ú2 = É2 - j Í2x2 - Í2r2 . (4.7)

 

Полученные выражения (4.6) и (4.7) представляют собой уравнения напряжений первичной и вторичной цепей трансформатора.

Рассмотрим работу трансформатора без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода, когда ток во вторичной цепи I2=0, а ток в первичной цепи представляет собой ток холостого хода I0. В этом режиме основной магнитный поток Ф создается лишь МДС первичной обмотки, а амплитудное значение этого потока _

Фmаx = √2 * I0 w1 /RM , (4.8)

 

где RM - магнитное сопротивление магнитопровода потоку Фmаx

Если же трансформатор работает с подключенной нагрузкой Zн (рис.1), то амплитудное значение основного магнитного потока:

_

Фmаx = √2 * (İ1w1+ İ2w2 )/RM. (4.9)

 

Основной магнитный поток не зависит от нагрузки трансформатора, это позволяет приравнять выражения (4.8), (4.9) и получить уравнение МДС трансформатора

İ0w1 = İ1w1 + İ2w2 . (4.10)

 

Разделив обе части уравнения (4.10) на число витков w1 получим уравнение токов трансформатора:

 

İ0 = İ1 + İ2w2 / w1 (4.11)

Или

İ0 = İ1 + (-İ2`) (4.12)

 

Где İ2` = İ2w2 / w1 – ток вторичной обмотки, приведенный к числу витков первичной обмотки.

Передача энергии в самом трансформаторе происходит посредст­вом магнитного потока, связывающего первичную и вторичную об­мотки. Полную мощность однофазного трансформатора, как и во всех электрических цепях, определяют произведением действующих зна­чений напряжения и тока. На входе S1 = U1 I1 на выходе S2 = U1 I1; Потери энергии в трансформаторе невелики (не более 4%), поэтому

S1 = S2 , т. e. справедливо приближенное равенство:

U1 / U2 = I2 /I1, (4.13)

из ко­торого следует, что ток трансформатора больше на стороне с мень­шим напряжением, и наоборот.

Более точный энергетический баланс трансформатора по актив­ной мощности выражается равенством (4.12), согласно которому мощ­ность на выходе Р2 (мощность потребителя) меньше мощности на входе P1 на величину мощности потерь внутри трансформатора (Рм + Рэ):

Р1 = Р2 + Рм +Рэ, (4.14)

Где Рм – магнитные потери, они складываются из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи;

Рэ – это потери в обмотках трансформатора, обусловленные нагревом обмоток токами, проходящими по ним.

Электрические потери являются переменными т.к. их величина пропорциональна квадрату токов в обмотках

 

Рэ = I12 r1 +I22 r2 =Pэ.ном β2 , (4.15)

Где Рэ.ном – электрические потери при номинальном токе нагрузки;

β = I2/ I2ном коэффициент нагрузки.

Отношение активной мощности на выходе трансформатора к ак­тивной мощности на входе называется коэффициентом полезного действия трансформатора

η = Р21 2 /(Р2 +Рм +Рэ), (4.16)

 

Активная мощность на выходе трансформатора, Вт:

Р2 = Sном β cosφ2, (4.17)

 

Где Sном –номинальная мощность трансформатора, В*А;

cosφ2 – коэффициент мощности нагрузки.

На каждом трансформаторе имеется щиток, где заводом изготовителем указаны номинальные значения данного трансформатора. Номинальные значения характеризуют работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан для нормальной работы. Номинальные токи вычисляют по формулам:

I1ном = Sном /U1ном ; I2ном = Sном / U2ном (для однофазного трансформатора);

I1ном = Sном / √3U1ном ; I2ном = Sном / √3U2ном (для трехфазного трансформатора)

Номинальное значение КПД тем выше, чем больше номинальная мощность трансформатора. Например,

η ном = 0,70 – 0,85 при Sном ≤ 100 В*А

ηном = 0,90 – 0,95 при Sном ≤ 10 k В*А

у более мощных трансформаторов КПД может достигать

ηном = 0,98 – 0,99.