Для того чтобы понять, почему мощность холостого хода принимают за магнитные потери, а мощность короткого замыкания (КЗ) — за электрические, нужно рассмотреть физику процесса работы электрической машины, например, трансформатора или электродвигателя, а также то, как распределяются потери в разных режимах работы.
1. Холостой ход и магнитные потери
В режиме холостого хода электромашины (например, трансформатора) первичная обмотка получает питание, но на вторичной обмотке нет нагрузки. В этом режиме основными процессами, которые приводят к потерям, являются:
Магнитные потери в железе (гистерезисные и вихревые токи),
Потери на вихревые токи в сердечнике (чаще всего в ферромагнитных материалах).
В таком режиме нагрузки нет, и вся мощность, потребляемая от сети, в основном расходуется на создание магнитного поля, которое возбуждает железо в магнитном контуре. Электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Этот процесс приводит к потерям в железе, которые и называются магнитными потерями. Причем, на холостом ходу потребляемая мощность относительно небольшая и в основном используется на преодоление этих потерь.
Потери на вихревые токи и гистерезис в железе вызывают нагрев его, что напрямую связано с магнитными потерями. Эти потери могут быть измерены как активная мощность, потребляемая в режиме холостого хода.
2. Короткое замыкание (КЗ) и электрические потери
Режим короткого замыкания — это такой режим работы трансформатора, когда на его вторичной обмотке подключена короткозамкнутая цепь. В этом случае магнитный поток в сердечнике сохраняется, но ток в обмотках резко увеличивается из-за почти отсутствующего сопротивления на вторичной обмотке.
Когда трансформатор находится в режиме короткого замыкания, ток через первичную обмотку значительно увеличивается, и его значение почти не ограничено сопротивлением вторичной обмотки. В этом случае:
Электрические потери проявляются через сопротивление обмоток. Потери в проводах обмоток (на сопротивлении) возрастают по мере увеличения тока, это называется потери на проводимость или потери на сопротивление.
Эти потери можно рассматривать как электрические потери, поскольку они непосредственно связаны с протеканием тока через проводники и их сопротивлением. В режиме короткого замыкания ток через обмотки значительно увеличивается, и основная часть энергии расходуется именно на их нагрев, что приводит к увеличению потерь в проводах.
При этом потери на сопротивление (или I²R-потери) могут существенно возрастать при большом токе короткого замыкания, и в данном режиме они определяют значительную часть потерь в машине.
3. Причины разделения потерь на магнитные и электрические
Магнитные потери возникают в основном в железе и зависят от магнитного поля, которое создается через ток в обмотке. Эти потери можно измерить в режиме холостого хода, когда на машинку не действует внешняя нагрузка.
Электрические потери связаны с токами, которые протекают в проводниках, и они обычно доминируют в условиях короткого замыкания, когда ток через обмотки машины значительно возрастает. Потери в проводниках обмоток зависят от тока и сопротивления обмоток, и их можно измерить именно в режиме короткого замыкания.
4. Резюме
Магнитные потери (потери на гистерезис, вихревые токи) определяются в режиме холостого хода, когда основная энергия расходуется на создание магнитного поля и на поддержание намагниченности в железе.
Электрические потери (потери на сопротивление проводников) возникают в режиме короткого замыкания, когда в проводниках возникает высокий ток, который приводит к значительным потерям из-за сопротивления проводников.
Таким образом, распределение потерь между магнитными и электрическими связано с особенностями работы машины в различных режимах и с тем, какие процессы доминируют в тех или иных условиях.
