Теория работы трансформатора при нагрузке и без нагрузки

Мы обсудили теорию идеального трансформатора для лучшего понимания фактической элементарной теории трансформатора. Теперь мы рассмотрим практические аспекты электрического силового трансформатора пошагово и попробуем на каждом шаге построить векторную диаграмму трансформатора. Как мы уже говорили, в идеальном трансформаторе нет потерь в сердечнике, то есть сердечник без потерь. Однако в реальном трансформаторе присутствуют гистерезисные и вихревые потери в сердечнике.

Теория трансформатора при холостом ходе

Отсутствие сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния

Рассмотрим один электрический трансформатор, имеющий только потери в сердечнике, что означает, что у него есть только потери в сердечнике, но нет потерь в меди и индуктивности рассеяния. Когда к первичной обмотке подключается переменный источник, этот источник будет подавать ток для намагничивания сердечника трансформатора.

Однако этот ток не является фактическим током намагничивания; он немного больше фактического тока намагничивания. Общий ток, подаваемый от источника, состоит из двух компонентов: один — это ток намагничивания, который используется исключительно для намагничивания сердечника, а другой компонент тока источника расходуется на компенсацию потерь в сердечнике трансформатора.

Из-за этого компонента потерь ток, подаваемый от источника в трансформаторе при холостом ходе, не отстает ровно на 90° от напряжения питания, а отстает на угол θ, меньший 90о. Если общий ток, подаваемый от источника, равен Io, он будет иметь один компонент, находящийся в фазе с напряжением питания V1, и этот компонент тока Iw — это компонент, связанный с потерями в сердечнике.

Этот компонент принимается в фазе с напряжением источника, так как он связан с активными или рабочими потерями в трансформаторе. Другой компонент тока источника обозначается как Iμ.

Этот компонент создает переменный магнитный поток в сердечнике, поэтому он не потребляет мощность, то есть является реактивной частью тока источника трансформатора. Таким образом, Iμ будет находиться в квадратуре с V1 и в фазе с переменным потоком Ф. Следовательно, общий первичный ток в трансформаторе при холостом ходе можно представить следующим образом:

Теперь вы видите, как просто объяснить теорию трансформатора при холостом ходе.

Теория трансформатора под нагрузкой

Отсутствие сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния

Теперь рассмотрим поведение вышеупомянутого трансформатора под нагрузкой, то есть когда нагрузка подключена к вторичным выводам. Рассмотрим трансформатор, имеющий потери в сердечнике, но без потерь в меди и индуктивности рассеяния. Когда нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток нагрузки начинает протекать через нагрузку и вторичную обмотку.

Этот ток нагрузки зависит только от характеристик нагрузки и также от вторичного напряжения трансформатора. Этот ток называется вторичным или нагрузочным током, здесь он обозначен как I2. Так как I2 протекает через вторичную обмотку, возникает собственный ММД во вторичной обмотке. Здесь это N2I2, где N2 — количество витков вторичной обмотки трансформатора.

Этот ММД или магнитодвижущая сила во вторичной обмотке создает поток φ2. Этот φ2 противодействует основному магнитизирующему потоку и временно ослабляет основной поток, пытаясь уменьшить самоиндукцию E1. Если E1 падает ниже первичного напряжения источника V1, дополнительный ток будет протекать от источника к первичной обмотке.

Этот дополнительный первичный ток I2′ создает дополнительный поток φ′ в сердечнике, который нейтрализует вторичный контрпоток φ2. Таким образом, основной магнитизирующий поток сердечника Ф остается неизменным, независимо от нагрузки. Поэтому общий ток, который трансформатор забирает от источника, можно разделить на два компонента.

Первый компонент используется для намагничивания сердечника и компенсации потерь в сердечнике, то есть Io. Это компонент тока при холостом ходе. Второй компонент используется для компенсации контрпотока вторичной обмотки. Он известен как компонент тока при нагрузке. Таким образом, общий первичный ток I1 электрического силового трансформатора, не имеющего сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния, можно представить следующим образом:

где θ2 — угол между вторичным напряжением и вторичным током трансформатора.
Теперь перейдем к более практическому аспекту трансформатора.

Теория трансформатора под нагрузкой, с резистивными обмотками, но без индуктивности рассеяния

Теперь рассмотрим сопротивление обмоток трансформатора, но без индуктивности рассеяния. До сих пор мы обсуждали трансформатор, который имеет идеальные обмотки, то есть обмотки без сопротивления и индуктивности рассеяния, но теперь рассмотрим трансформатор, который имеет внутреннее сопротивление в обмотках, но без индуктивности рассеяния. Поскольку обмотки являются резистивными, будет происходить падение напряжения в обмотках.

Ранее мы доказали, что общий первичный ток от источника под нагрузкой составляет I