Рабочий ход трансформатора

При замыкании вторичной обмотки трансформатора на нагрузку в ней потечет ток . В общем случае этот ток будет сдвинут по фазе относительно ЭДС индукции во вторичной обмотке. Сдвиг по фазе будет зависеть от характера нагрузки во вторичной цепи.

Ток во вторичной цепи создает свой магнитный поток . Магнитный поток всегда колеблется в фазе с создавшим его током.

Очевидно, что появление магнитного потока должно привести к изменению магнитного потока , существовавшего в сердечнике в режиме холостого хода. Однако, любая катушка, согласно правилу Ленца, противится изменению пронизывающего ее магнитного потока. И как показывает опыт, магнитный поток, пронизывающий сердечник, остается практически неизменным как в режиме холостого хода, так и в режиме рабочего хода. Это свойство трансформатора называют способностью саморегулирования.

Из векторной диаграммы нетрудно видеть, что для сохранения магнитного потока в сердечнике ток в первичной катушке должен измениться. Магнитный поток , колеблющийся в фазе с создающим его током , в сумме с магнитным потоком , созданным током вторичной цепи , дает магнитный поток .

Найдем напряжения на клеммах первичной и вторичной катушек.

Второй закон Кирхгофа для первичной цепи:

Напряжение на клеммах первичной катушки:

Второй закон Кирхгофа для вторичной цепи:

Напряжение на клеммах вторичной катушки:

Из векторной диаграммы видно, что ток в первичной цепи изменился не только численно! Сдвиг по фазе между током и напряжением в первичной цепи теперь не равен π/2. Это значит, что первичная цепь стала потреблять энергию от сети!!!

Поскольку активное сопротивление первичной цепи мало, потребляемая мощность не может выделяться в первичной цепи. Она практически полностью (за вычетом потерь на тепло в первичной цепи и потери в стали) передается во вторичную цепь:

- мощность, потребляемая в первичной цепью от сети, она равна ;

- «потери в меди» в первичной обмотке, т.е. потери на нагрев первичной обмотки;

- «потери в стали». т.е. потери энергии на перемагничивание сердечника и вихревые токи Фуко;

- мощность, передаваемая во вторичную цепь;

- «потери в меди» во вторичной обмотке, т.е. потери на нагрев вторичной обмотки;

- мощность, выделяемая на нагрузке во вторичной цепи, она равна .

Очевидно, что полезной мощностью в данном случае является мощность, выделяемая на нагрузке во вторичной цепи . Тогда коэффициент полезного действия трансформатора равен

Потери в меди снижают, делая первичную и вторичную обмотку трансформатора из медного провода большого сечения. Потери энергии на перемагничивание стального сердечника уменьшают, используя магнито-мягкие сорта стали (с узкой петлей гистерезиса). Потери на вихревые токи Фуко снижают, делая сердечник наборным из листовой стали, покрытой лаком. Тем самым добиваются того, что КПД правильно рассчитанного и используемого в номинальном режиме трансформатора достигает 98 – 99%.

Поскольку КПД трансформатора настолько велик, можно примерно записать или . Сдвиги по фазе между током и напряжением в первичной и вторичной обмотках близки по значению, поэтому

Видим, что повышение напряжения во вторичной цепи приводит к уменьшению тока . Этот замечательный факт позволяет снижать потери электроэнергии при передачи ее на большие расстояния при помощи ЛЭП. Джоулево тепло в проводах ЛЭП, соединяющих электростанцию и потребителя, зависит от сопротивления ЛЭП и тока в ней

.

Уменьшать сопротивление проводов можно двумя способами: увеличивая площадь сечения и используя материал с меньшим удельным сопротивлением (медь, золото, серебро и т.д.). Оба варианта экономически не выгодны. Гораздо проще уменьшить ток в линии электропередач, поставив на выходе генератора электростанции повышающий трансформатор.