Мгновенные значения токов и напряжений трансформатора

Для пояснения процессов, происходящих в трансформаторе, которые мы рассматривали с использованием действующих значений токов и напряжений с их традиционными положительными направлениями, полезно рассмотреть графики мгновенных значений действительных величин u _l, i _l, и ₂, i ₂ и i ₁₀ (рис. 8.12), которые можно записать с помощью осциллографа.

Рис. 8.12. Графики (осциллограммы) мгновенных значений токов и напряжений трансформатора

Графики мгновенных значений ЭДС е ₁ и е ₂построены расчетным путем. Можно ЭДС e ₁ и е ₂записать на осциллографе, но для этого трансформатор надо снабдить дополнительной ненагруженной обмоткой. Измерительные устройства светолучевого осциллографа имеют малую инерционность и могут записывать на фотобумаге мгновенные значения напряжений и токов.

Измерительные устройства осциллографа для измерений тока выключаются как амперметры, а напряжения — как вольтметры (рис. 8.13).

Если действительное направление тока (движение положительных зарядов) такое, как указано на рис. 8.13,— от точки A ₁ к точке Б ₁ (соответственно от А ₂ к Б ₂) измерительного устройства, то значения тока записываются выше оси времени (если бы амперметр мог реагировать на мгновенное значение тока, то его стрелка отклонялась бы вправо), при обратном направлении — ниже оси (стрелка амперметра отклонялась влево). Если действительное направление напряжений такое, как указано на рис. 8.13, т. е. точка А_{B 1} измерительного устройства имеет положительный потенциал, а точка Б _{B 1} — от­рицательный (соответственно А _{В 2} — положительный, Б _{В 2} — отрицательный), значения напряжения записываются выше оси времени (если бы вольтметр мог реагировать на мгновенное значение напряжения, то его стрелка отклонялась бы вправо), при обратной полярности — ниже оси времени (стрелка вольтметра отклонялась бы влево). Из графиков рис. 8.12 следует, что ток в первичной обмотке i ₁ отстает от напряжения u ₁ на угол, значение которого обусловлено параметрами трансформатора z _к и потребителя z _н = r _н + jx _н.

Рис. 8.13. Схема включения приборов для осциллографирования мгновенных значений токов и напряжений трансформатора

Вторичное напряжение и ₂ отстает по фазе от напряжения сети и ₁ на угол, обусловленный полным сопротивлением трансформатора z _к. Для идеализированного трансформатора Z_к = 0 они совпадают. Ток вторичной обмотки i ₂ отстает от напряжения и ₂ на угол, определяемый параметрами нагрузки z _н.

Далее из графика следует, что большую часть времени первой половины периода, когда ток i ₁направлен от начала к концу первичной обмотки, ток i ₂ во вторичной обмотке направлен от конца к началу. Большую часть времени второй половины периода, когда ток i ₁ направлен от конца к началу, ток i ₂ направлен от начала к концу обмотки. Из этого следует, что МДС вторичной обмотки i ₂ w ₂ большую часть времени периода направлена против МДС первичной обмотки i ₁ w ₁, что согласуется с правилом Ленца. Разность МДС первичной и вторичной обмоток равна МДС тока холостого хода. График тока i ₁₀(t) можно построить на основании уравнения

i ₁₀ w ₁ = i ₁ w ₁ - i ₂ w ₂

или записать на осциллографе при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора, когда i ₂ = 0. При работе с нагрузкой, как об этом уже говорилось, магнитный поток создается МДС первичной и вторичной обмоток и правило Ленца устанавливает связь между магнитным потоком Ф(i ₀) трансформатора и ЭДС первичной и вторичной обмоток, так как

e ₁ = - w ₁ d Ф/ dt, e ₂ = - w ₂ d Ф/ dt.

Как видно из рис. 8.12, при возрастании тока i ₀ (если пренебречь активной составляющей тока холостого хода, то магнитный поток Ф и ток i ₀ совпадают по фазе) ЭДС e ₁ действует против тока i ₀ при убывании магнитного потока в направлении тока i ₀. Это справедливо для любого момента времени. При холостом ходе трансформатора, когда магнитный поток создается только током i ₁ = i ₀, ЭДС е ₁ действует против тока в первичной обмотке i ₁ или согласно с ним.

Следует отметить, что при синусоидальном напряжении на первичной обмотке и ₁ магнитный поток Ф(i ₀), напряжение и ₂ и ток i ₂ изменяются также по синусоидальному закону независимо от того, насыщен или нет магнитопровод трансформатора, в то время как ток в первичной обмотке i ₁ и ток холостого хода i ₀ будут иметь синусоидальный характер только при ненасыщенном магнитопроводе трансформатора.