Всё об энергетике

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

1. Рабочий режим;
2. Номинальный режим;
3. Оптимальный режим;
4. Режим холостого хода;
5. Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

• Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему $\dot{u}_1 ≈ \dot{u}_{1ном}$;
• Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему $\dot{i}_1 ≤ \dot{i}_1ном$.

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

• Напряжение первичной обмотки равно номинальному $\dot{u}_1 = \dot{u}_{1ном}$;
• Ток первичной обмотки равен номинальному $\dot{i}_1 = \dot{i}_{1ном}$.

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

$$\begin{equation} k_{нг} = \sqrt{P_{хх}\over P_{кз}} \end{equation}$$

Где $P_{хх}$ - потери холостого хода;
    $P_{кз}$ - потери короткого замыкания;
    $k_{нг}$ - коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

$$\begin{equation} k_{нг} = {I_2\over I_{2ном}} \end{equation}$$

Где $P_2$ - ток нагрузки вторичной обмотки;
    $P_{2ном}$ - номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри "Трансформаторы. Оптимальный режим работы").

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

• Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки⁽¹⁾ трансформатора;
• К первичной обмотке приложено напряжение $\dot{u}_{1хх} = \dot{u}_{1ном}$;
• Ток вторичной обмотки $\dot{i}_2 ≈ 0$ (для трехфазного трансформатора - $\dot{i}_{2ф} ≈ \dot{i}_{2л} ≈ 0$.

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 - трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока $i_х$, мощности $ΔQ_хх$ холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри "Опыт холостого хода трансформатора").

Примечание:
1. Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина $R_{Нном}$, равная отношению номинального напряжения обмотки $U_{ном}$ к её номинальному току обмотки $I_{ном}$

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

• Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
• К первичной обмотке приложена такая величина напряжения $\dot{u}_1$, что ток первичной обмотки равен её номинальному току $\dot{i}_1 = \dot{i}_{1ном}$
• Напряжение вторичной обмотки $\dot{u}_2 = 0$ (для трехфазного трансформатора - $\dot{u}_{2ф} = \dot{u}_{2л} = 0$.

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 - для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения $u_к$, мощности $ΔP_кз$ короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри "Опыт короткого замыкания трансформатора").

Список использованных источников

1. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник / Л.А. Бессонов - Москва: Высшая школа, 1996 - 623 с.
2. Вольдек, А.И. Электрические машины: учебник для студентов вузов / А.И. Вольдек - СПб.: Энергия, 1978 - 832 с.
3. Касаткин А.С. Электротехника: учебное пособие для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов - Москва: Энергоатомиздат, 1995 - 240 с.