Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U1, а к вторичной подключены потребители ZН (рис. 1), так  что I> 0.

Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Рис. 1 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I2 ≤ I, а коэффициент мощности cosφ2 определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I2 создает МДС F2 = I2W2 и соответствующий магнитный поток Ф2, действующие встречно по отношению к МДС F1 и потоку Ф0, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф0, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е10, то поток Ф0 не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:

соответствует уравнению равновесия

Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I0W1 первичной обмотки увеличивается до такой величины I1W1, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I2W2. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:

При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде

Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:

справедливо равенство

которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора.

Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:

справедливо равенство

или

уравнения равновесия токов

При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и уравнение второе уравнение упрощается:

уравнение равновесия токов

откуда следует соотношение:

откуда следует соотношение

Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:

Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство

 

из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю.

Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I1 (рис.2, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:

что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке

Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Фрс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Ерс2, или уравновешивающим ее па­дением напряжения I2x2, на индуктивном сопротивлении рассеяния

на индуктивном сопротивлении рассеяния

где  L2 — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б)  обмоток трансформатора при нагрузке

Рис. 2 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б)   обмоток трансформатора при нагрузке

Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рис.2, б, на которой r2 — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:

полное сопротивление нагрузки

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид

Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е2  на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е2 и напряжением U2  зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже.

Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:

справедливо равенство

 уравнения равновесия токов

что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид

Для вторичной обмотки (рис. 3, б) сдвиг по фазе между током I2 и напряжением U2 , (угол φ2) определяется соотношением параметров нагрузки:

сдвиг по фазе между током  и напряжением , (угол φ2) определяется соотношением параметров нагрузки

а угол ψ2 — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

Рис. 3 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

На рис.3  векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки.На векторной диаграмме первичной обмотки (рис. 3, а) вектор тока вектор тока получают, пристраивая к вектору тока холостого хода вектор тока холостого хода вектор тока вектор тока измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор

вектор

Построение вектора первичного напряжения U1  аналогично построе­нию для режима холостого хода, однако векторы падений напряжения

однако векторы падений напряжения

ориентируются по отношению к вектору тока вектор тока .

Сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U1 обозначают φ1. Угол φ1, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряже­ния, подводимую к трансформатору от сети активную P1 = U1I1cosφ1 и реактивную  Q1 = U1I1sinφ1 мощности. Чем больше угол φ1, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности.