Трансформатор с ферромагнитным сердечником

Наличие ферромагнитного сердечника дает возможность значительно увеличить магнитный поток и, следовательно, увеличить мощность, передаваемую из одной цепи в другую. Однако при этом трансформатор становится нелинейным элементом цепи и в сердечнике появляются потери.

В большинстве случаев стремятся сконструировать трансформатор таким образом, чтобы нелинейность, по возможности, незначительно влияла на его работу. При анализе работы трансформатора часто пренебрегают его нелинейностью и представляют напряжения, токи и магнитный поток в виде эквивалентных синусоид.

Процессы, определяющие работу трансформаторов, могут быть изучены на примере работы двухобмоточного силового трансформатора, схема включения которого показана на рис. 6.25. На схеме принято встречное направление токов (точками отмечены одноименные зажимы обмоток).

Рис. 6.25. Двухобмоточный трансформатор

Для изучения работы такого трансформатора пользуются приведенной схемой замещения (рис. 6.26). Основное отличие этой схемы от аналогичной схемы воздушного трансформатора заключается в наличии ветви потерь в стали g'₀> включенной параллельно ветви намагничивания &о> как это было показано для катушки со стальным сердечником. Этой схеме замещения соответствует векторная диаграмма (рис. 6.27) при сопротивлении нагрузки Z" = Z_ne* где <�р_п > 0.

Намагничивающий ток /ф создает магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. Этот поток наводит ЭДС Е_ь которая отстает па 90° от вектора Ф"₇. Напряжение на ветви намагничивания

Рис. 6.26. Приведенная схема замещения трансформатора

Рис. 6.27. Векторная диаграмма трансформатора

Напряжение U равно геометрической сумме падений напряжений в активных и индуктивных сопротивлениях обмоток и напряжения Ь^т_ф на нагрузке:

В свою очередь первичный ток = Г₂ + /q, откуда МДС I$W = IW — - I₂w₂ (составляющую I₂w₂ иногда называют размагничивающей). Здесь штрихами обозначены величины, приведенные к первичной обмотке.

Режим при Z, = 0 называют режимом короткого замыкания. Для силовых трансформаторов этот режим при нормальном напряжении может существовать как аварийный кратковременно: выделение большого количества тепла в сопротивлениях обмоток R_{wR₂ может вызывать разрушение трансформатора.

На практике производят так называемый опыт короткого замыкания трансформатора. При этом опыте напряжение U_{ = подбирают таким образом, чтобы ток I₂ = 1₂}₍ был равен номинальному (нормальному) вторичному току. Обычно при этом Uk в несколько раз меньше номинального напряжения U. Соответственно уменьшаются Е, Е₂ и Ф,_и. Ток /₀ при этом уменьшается в значительно большее число раз вследствие работы сердечника в ненасыщенном режиме.

По результатам опыта короткого замыкания определяют сопротивления R_h X_s, R‘2, 2C_S2l для чего принимают, что g₀ «О, Ь₀ «О, R «R₂ и X_S «~ X’s₂. Получаемая при этом точность вполне приемлема для большинства практических случаев.

Режим при Z, = оо называют режимом холостого хода или холостым

ходом трансформатора. При этом 1₂ = 0 и 1 = /₀, поэтому ток /₀ называют током холостого хода. В действительности ток /₀ при холостом ходе несколько больше тока /₀ при нормальном значении Z", так как вследствие уменьшения падения напряжения в первичной обмотке увеличивается Е_ь что в свою очередь вызывает увеличение Ф_/;/, а значит, и /₀. Измерения U, 1 и Pj, проведенные при холостом ходе, который в этом случае называют опытом холостого хода, позволяют легко определить g₀ и 6₀> если известны (из опыта короткого замыкания) R_{ и X_S.

Вопросы и задания для самопроверки

• 1. Качественно изобразите ВЛХ известных вам типов неуправляемых и управляемых нелинейных элементов.
• 2. В чем ограниченность метода замены нелинейных элементов эквивалентным линейным сопротивлением и источником ЭДС?
• 3. Как понять выражение «нелинейные элементы являются генераторами высших гармоник тока (напряжения)»?
• 4. Какие преобразования можно осуществить с помощью нелинейных электрических цепей?