Główne cechy transformatora

Charakterystyka zewnętrzna transformatora

Wiadomo, że napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego transformator zależy od prądu obciążenia podłączonego do tej cewki. Ta zależność nazywana jest charakterystyką zewnętrzną transformatora.

Charakterystyka zewnętrzna transformatora jest usuwana przy stałym napięciu zasilania, gdy przy zmianie obciążenia, a właściwie przy zmianie prądu obciążenia, napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego, tj. zmienia się również napięcie wtórne transformatora.

Zjawisko to tłumaczy się tym, że na rezystancji uzwojenia wtórnego, wraz ze zmianą rezystancji obciążenia, zmienia się również spadek napięcia, a ze względu na zmianę spadku napięcia na rezystancji uzwojenia pierwotnego, EMF uzwojenie wtórne odpowiednio się zmienia.

Ponieważ równanie równowagi pola elektromagnetycznego w uzwojeniu pierwotnym zawiera wielkości wektorowe, napięcie na uzwojeniu wtórnym zależy zarówno od prądu obciążenia, jak i charakteru tego obciążenia: czy jest ono aktywne, indukcyjne czy pojemnościowe.

O charakterze obciążenia świadczy wartość kąta fazowego między prądem płynącym przez obciążenie a napięciem na obciążeniu. Zasadniczo można wprowadzić współczynnik obciążenia, który pokaże, ile razy prąd obciążenia różni się od prądu znamionowego dla danego transformatora:

Aby dokładnie obliczyć charakterystykę zewnętrzną transformatora, można zastosować równoważny obwód, w którym zmieniając rezystancję obciążenia można ustalić napięcie i prąd uzwojenia wtórnego.

Niemniej jednak poniższy wzór sprawdza się w praktyce, gdzie napięcie obwodu otwartego i „zmiana napięcia wtórnego”, mierzona w procentach, są zastępowane i obliczane jako różnica arytmetyczna między napięciem obwodu otwartego a napięciem przy danym obciążeniu jako procent napięcia obwodu otwartego:

Wyrażenie na znalezienie „wtórnej zmiany napięcia” uzyskuje się przy pewnych założeniach z równoważnego obwodu transformatora:

W tym miejscu wprowadza się wartości składowej biernej i czynnej napięcia zwarcia. Te składowe napięcia (aktywne i bierne) można znaleźć za pomocą parametrów obwodu równoważnego lub znaleźć eksperymentalnie w doświadczenie w zwarciu.

Doświadczenie zwarciowe wiele mówi o transformatorze.Napięcie zwarcia określa się jako stosunek eksperymentalnego napięcia zwarcia do znamionowego napięcia pierwotnego. Parametr „Napięcie zwarcia” podawany jest w procentach.

W trakcie eksperymentu następuje zwarcie uzwojenia wtórnego z transformatorem, natomiast na uzwojenie pierwotne podawane jest napięcie znacznie niższe od znamionowego, tak aby prąd zwarciowy był równy wartości znamionowej. Tutaj napięcie zasilania jest równoważone spadkiem napięcia na uzwojeniach, a wartość przyłożonego napięcia obniżonego jest uważana za równoważny spadek napięcia na uzwojeniach przy prądzie obciążenia równym wartości znamionowej.

Dla transformatorów zasilających małej mocy oraz dla transformatorów mocy wartość napięcia zwarcia mieści się w przedziale od 5% do 15%, przy czym im mocniejszy transformator, tym ta wartość jest mniejsza. Dokładna wartość napięcia zwarcia podana jest w dokumentacji technicznej konkretnego transformatora.

Na rysunku przedstawiono charakterystyki zewnętrzne zbudowane według powyższych wzorów.Widzimy, że wykresy są liniowe, ponieważ napięcie wtórne nie zależy silnie od współczynnika obciążenia ze względu na stosunkowo niską rezystancję uzwojenia, a pracujący magnes strumień w niewielkim stopniu zależy od obciążenia.

Rysunek pokazuje, że kąt fazowy, w zależności od charakteru obciążenia, wpływa na to, czy charakterystyka maleje, czy rośnie. Przy obciążeniu czynnym lub czynno-indukcyjnym charakterystyka spada, przy obciążeniu czynno-pojemnościowym może wzrosnąć i wtedy drugi człon we wzorze na „zmianę napięcia” przyjmuje wartość ujemną.

W przypadku transformatorów małej mocy składowa czynna zwykle spada bardziej niż część indukcyjna, więc charakterystyka zewnętrzna przy obciążeniu aktywnym jest mniej liniowa niż przy obciążeniu czynno-indukcyjnym. W przypadku transformatorów o większej mocy jest odwrotnie, dlatego charakterystyka obciążenia czynnego będzie bardziej rygorystyczna.

Sprawność transformatora

Sprawność transformatora to stosunek użytecznej mocy elektrycznej dostarczonej do obciążenia do czynnej mocy elektrycznej pobieranej przez transformator:

Moc pobierana przez transformator jest sumą mocy pobieranej przez obciążenie i strat mocy bezpośrednio w transformatorze. Ponadto moc czynna jest powiązana z mocą całkowitą w następujący sposób:

Ponieważ napięcie wyjściowe transformatora jest zwykle słabo zależne od obciążenia, współczynnik obciążenia można odnieść do znamionowej mocy pozornej w następujący sposób:

A moc pobierana przez obciążenie w obwodzie wtórnym:

Straty elektryczne w obciążeniu o dowolnej wielkości można wyrazić, biorąc pod uwagę straty przy obciążeniu nominalnym, za pomocą współczynnika obciążenia:

Znamionowe straty obciążenia są bardzo dokładnie określone przez moc pobieraną przez transformator w eksperymencie zwarciowym, a straty o charakterze magnetycznym są równe mocy pobieranej przez transformator w stanie jałowym. Te składowe strat są podane w dokumentacji transformatora. Jeśli więc weźmiemy pod uwagę powyższe fakty, wzór na efektywność przyjmie następującą postać:

Na rysunku przedstawiono zależność sprawności transformatora od obciążenia.Gdy obciążenie jest zerowe, wydajność jest zerowa.

Wraz ze wzrostem współczynnika obciążenia rośnie również moc dostarczana do obciążenia, a straty magnetyczne pozostają niezmienione, a sprawność, co łatwo zauważyć, rośnie liniowo. Następnie dochodzi do optymalnej wartości współczynnika obciążenia, gdzie sprawność osiąga swoją granicę, w tym momencie uzyskuje się maksymalną wydajność.

Po przekroczeniu optymalnego współczynnika obciążenia sprawność zaczyna stopniowo spadać. Dzieje się tak, ponieważ straty elektryczne rosną, są one proporcjonalne do kwadratu prądu i odpowiednio do kwadratu współczynnika obciążenia. Maksymalna sprawność transformatorów dużej mocy (moc mierzona w kVA lub więcej) mieści się w przedziale od 98% do 99%, dla transformatorów małej mocy (poniżej 10 VA) sprawność może wynosić około 60%.

Z reguły na etapie projektowania starają się wykonać transformatory tak, aby sprawność osiągała maksymalną wartość przy optymalnym współczynniku obciążenia od 0,5 do 0,7, a następnie przy rzeczywistym współczynniku obciążenia od 0,5 do 1 sprawność będzie bliska maksimum. Z redukcją współczynnik mocy (cosinus fi) obciążenia podłączonego do uzwojenia wtórnego, moc wyjściowa również maleje, podczas gdy straty elektryczne i magnetyczne pozostają niezmienione, stąd sprawność w tym przypadku maleje.

Optymalny tryb pracy transformatora, tj. tryb nominalny, są zwykle ustawiane zgodnie z warunkami bezawaryjnej pracy i poziomem dopuszczalnego ogrzewania w określonym okresie pracy.Jest to niezwykle ważny warunek, aby transformator, dostarczając moc znamionową podczas pracy w trybie znamionowym, nie przegrzewał się.