Tryby pracy transformatora

W zależności od wartości obciążenia transformator może pracować w trzech trybach:

1. Praca jałowa przy rezystancji obciążenia zn = ∞.

2. Zwarcie przy zn = 0.

3. Tryb ładowania przy 0 <zn <∞.

Mając parametry obwodu zastępczego można analizować dowolny tryb pracy transformatora... Same parametry wyznaczane są na podstawie eksperymentów bez obciążenia i zwarć. Na biegu jałowym uzwojenie wtórne transformatora jest otwarte.

Badanie transformatora bez obciążenia przeprowadza się w celu określenia przekładni transformatora, strat mocy w stali oraz parametrów gałęzi magnesującej obwodu zastępczego, zwykle przeprowadza się przy napięciu znamionowym uzwojenia pierwotnego.

Dla transformator jednofazowy na podstawie danych z testu biegu jałowego można obliczyć:

— współczynnik transformacji

— procent prądu jałowego

Czy rezystancja czynna magnesowania gałęzi r0 jest określona przez warunek

— całkowity opór gałęzi magnesującej

— rezystancja indukcyjna gałęzi magnesującej

Współczynnik mocy biegu jałowego jest również często definiowany jako:

W niektórych przypadkach próbę biegu jałowego przeprowadza się dla kilku wartości napięcia uzwojenia pierwotnego: od U1 ≈ 0,3U1n do U1 ≈ 1,1U1n. Na podstawie uzyskanych danych wykreślono charakterystyki biegu jałowego, które są zależnościami P0, z0, r0 i cosφ w funkcji napięcia U1. Wykorzystując charakterystykę biegu jałowego możliwe jest ustawienie wartości podanych wielkości przy dowolnej wartości napięcia U1.

W celu określenia napięcia zwarciowego w zwarciu badane są straty w uzwojeniach oraz rezystancje rk i xk. W tym przypadku na uzwojenie pierwotne przykłada się tak obniżone napięcie, aby prądy zwartych uzwojeń transformatora były równe ich wartościom nominalnym, tj. I1k = I1n, I2k = I2n. Napięcie uzwojenia pierwotnego, przy którym spełnione są określone warunki, nazywane jest znamionowym napięciem zwarcia Ukn.

Biorąc pod uwagę, że Ucn wynosi zwykle tylko 5-10% U1n, wzajemny strumień indukcji rdzenia transformatora podczas próby zwarciowej jest kilkadziesiąt razy mniejszy niż w trybie nominalnym, a stal transformatora jest nienasycona. Dlatego straty w stali są pomijane i uważa się, że cała moc Pcn dostarczona do uzwojenia pierwotnego jest zużywana na nagrzewanie uzwojeń i określa wartość czynnej rezystancji zwarciowej rc.

Podczas eksperymentu mierzone jest napięcie Ukn, prąd I1k = I1n oraz moc Pkn cewki pierwotnej. Na podstawie tych danych możesz określić:

— procent napięcia zwarcia

— czynna odporność na zwarcie

— rezystancje czynne uzwojenia pierwotnego i zredukowanego uzwojenia wtórnego, w przybliżeniu równe połowie rezystancji zwarciowej

— impedancja zwarcia

— odporność na zwarcie indukcyjne

— rezystancja indukcyjna uzwojenia pierwotnego i zredukowanego uzwojenia wtórnego, w przybliżeniu równa połowie rezystancji indukcyjnej zwarcia

— rezystancja uzwojenia wtórnego rzeczywistego transformatora:

— indukcyjne, czynne i całkowite procentowe napięcie zwarcia:

Tryb obciążenia V bardzo ważne jest, aby wiedzieć, jak parametry obciążenia wpływają na wydajność i zmiany napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego.

Sprawność transformatora to stosunek mocy czynnej dostarczonej do obciążenia do mocy czynnej dostarczonej do transformatora.

Sprawność transformatora ma ogromne znaczenie. Dla transformatorów mocy małej mocy wynosi około 0,95, a dla transformatorów o mocy kilkudziesięciu tysięcy kilowoltoamperów osiąga 0,995.

Wyznaczanie sprawności ze wzoru przy użyciu bezpośrednio zmierzonych mocy P1 i P2 daje duży błąd. Wygodniej jest przedstawić tę formułę w innej formie:

gdzie jest sumą strat w transformatorze.

W transformatorze występują dwa rodzaje strat: straty magnetyczne spowodowane przepływem strumienia magnetycznego przez obwód magnetyczny oraz straty elektryczne wynikające z przepływu prądu przez uzwojenia.

Ponieważ strumień magnetyczny transformatora przy U1 = const i zmiana prądu wtórnego od zera do nominalnego praktycznie pozostaje stała, to również straty magnetyczne w tym zakresie obciążeń można przyjąć jako stałe i równe stratom jałowym.

Straty elektryczne w miedzi uzwojeń ∆Pm są proporcjonalne do kwadratu prądu. Wygodnie jest wyrazić je jako straty zwarciowe Pcn uzyskane przy prądzie znamionowym,

gdzie β jest współczynnikiem obciążenia,

Wzory obliczeniowe do wyznaczania sprawności transformatora:

gdzie Sn jest nominalną mocą pozorną transformatora; φ2 to kąt fazowy między napięciem a prądem w obciążeniu.

Maksymalną wydajność można znaleźć, przyrównując pierwszą pochodną do zera. W tym przypadku stwierdzamy, że wydajność ma maksymalne wartości przy takim obciążeniu, gdy stałe (niezależne od prądu) straty P0 są równe stratom przemiennym (zależnym od prądu), skąd

Dla nowoczesnych olejowych transformatorów mocy βopt = 0,5 — 0,7. Przy takim obciążeniu transformator najczęściej pracuje podczas pracy.

Wykres zależności η = f (β) przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Krzywa zmiany sprawności transformatora w zależności od współczynnika obciążenia

Aby określić procentową zmianę napięcia wtórnego transformatora jednofazowego, użyj równania

gdzie uKA i uKR są składową czynną i reaktywną napięcia zwarcia wyrażoną w procentach.

Zmiana napięcia transformatora zależy od współczynnika obciążenia (β), jego charakteru (kąt φ2) oraz składowych napięcia zwarcia (uKA i uKR).

Charakterystyka zewnętrzna transformatora jest zależnością przy U1 = const i cosφ2 = const (Rysunek 2).

Rysunek 2. Charakterystyki zewnętrzne transformatorów średniej i dużej mocy dla różnych rodzajów obciążenia