Glavne značilnosti transformatorja

Zunanje značilnosti transformatorja

Znano je, da napetost na sponkah sekundarnega navitja transformator odvisno od obremenitvenega toka, povezanega s to tuljavo. Ta odvisnost se imenuje zunanja značilnost transformatorja.

Zunanja karakteristika transformatorja se odstrani pri konstantni napajalni napetosti, ko se s spremembo obremenitve, pravzaprav s spremembo obremenitvenega toka, napetost na sponkah sekundarnega navitja, tj. spremeni se tudi sekundarna napetost transformatorja.

Ta pojav je razložen z dejstvom, da se na upornost sekundarnega navitja s spremembo upora obremenitve spremeni tudi padec napetosti, zaradi spremembe padca napetosti na upornosti primarnega navitja pa se EMF sekundarno navitje se ustrezno spremeni.

Ker enačba ravnotežja EMF v primarnem navitju vsebuje vektorske količine, je napetost v sekundarnem navitju odvisna tako od bremenskega toka kot od narave tega bremena: ali je aktivno, induktivno ali kapacitivno.

Naravo bremena dokazuje vrednost faznega kota med tokom skozi breme in napetostjo na bremenu. V bistvu lahko vnesete faktor obremenitve, ki bo pokazal, kolikokrat se tok obremenitve razlikuje od nazivnega toka za dani transformator:

Za natančen izračun zunanjih značilnosti transformatorja se lahko zatečemo k ekvivalentnemu vezju, v katerem lahko s spreminjanjem upora obremenitve določimo napetost in tok sekundarnega navitja.

Kljub temu se naslednja formula izkaže za uporabno v praksi, kjer se napetost odprtega tokokroga in "sprememba sekundarne napetosti", ki se meri v odstotkih, nadomestita in izračunata kot aritmetična razlika med napetostjo odprtega tokokroga in napetostjo pri danem bremenu kot odstotek napetosti odprtega tokokroga:

Izraz za iskanje "sekundarne spremembe napetosti" je pridobljen z določenimi predpostavkami iz ekvivalentnega vezja transformatorja:

Tukaj se vnesejo vrednosti reaktivne in aktivne komponente napetosti kratkega stika. Te komponente napetosti (aktivne in reaktivne) se najdejo s parametri ekvivalentnega vezja ali eksperimentalno izkušnje kratkega stika.

Izkušnja kratkega stika razkrije veliko o transformatorju.Napetost kratkega stika se ugotovi kot razmerje med eksperimentalno napetostjo kratkega stika in nazivno primarno napetostjo. Parameter "napetost kratkega stika" je določen v odstotkih.

Med poskusom sekundarno navitje kratko sklenemo s transformatorjem, na primaru pa napajamo veliko nižjo napetost od nazivne, tako da je kratkostični tok enak nazivni vrednosti. Tu je napajalna napetost uravnotežena s padcem napetosti na navitjih, vrednost uporabljene zmanjšane napetosti pa se šteje kot ekvivalentni padec napetosti na navitjih pri obremenitvenem toku, ki je enak nazivni vrednosti.

Pri napajalnih transformatorjih z nizko močjo in pri močnostnih transformatorjih je vrednost napetosti kratkega stika v območju od 5% do 15% in čim močnejši je transformator, tem manjša je ta vrednost. Natančna vrednost napetosti kratkega stika je navedena v tehnični dokumentaciji za določen transformator.

Slika prikazuje zunanje značilnosti, zgrajene po zgornjih formulah. Vidimo lahko, da so grafi linearni, to je zato, ker sekundarna napetost ni močno odvisna od faktorja obremenitve zaradi relativno nizke upornosti navitja in delovnega magnetnega pretok je malo odvisen od obremenitve.

Iz slike je razvidno, da fazni kot glede na naravo obremenitve vpliva na to, ali se karakteristika zniža ali poveča. Pri aktivni ali aktivno-induktivni obremenitvi karakteristika pade, pri aktivno-kapacitivni obremenitvi se lahko poveča, nato pa drugi člen v formuli za "spremembo napetosti" postane negativen.

Pri transformatorjih z majhno močjo aktivna komponenta običajno bolj pade kot induktivna, zato je zunanja karakteristika pri aktivnem bremenu manj linearna kot pri aktivno-induktivnem bremenu. Pri močnejših transformatorjih je ravno nasprotno, zato bo karakteristika aktivne obremenitve strožja.

Učinkovitost transformatorja

Učinkovitost transformatorja je razmerje med uporabno električno močjo, dovedeno obremenitvi, in aktivno električno močjo, ki jo porabi transformator:

Moč, ki jo porabi transformator, je vsota moči, ki jo porabi obremenitev, in izgub moči neposredno v transformatorju. Poleg tega je aktivna moč povezana s skupno močjo na naslednji način:

Ker je izhodna napetost transformatorja običajno šibko odvisna od obremenitve, je faktor obremenitve mogoče povezati z nazivno navidezno močjo na naslednji način:

In moč, ki jo porabi obremenitev v sekundarnem tokokrogu:

Električne izgube v obremenitvi poljubne velikosti lahko ob upoštevanju izgub pri nazivni obremenitvi izrazimo s faktorjem obremenitve:

Nazivne izgube obremenitve so zelo natančno določene z močjo, ki jo porabi transformator v poskusu kratkega stika, izgube magnetne narave pa so enake moči v prostem teku, ki jo porabi transformator. Te komponente izgube so navedene v dokumentaciji transformatorja. Torej, če upoštevamo zgornja dejstva, bo formula učinkovitosti imela naslednjo obliko:

Na sliki je prikazana odvisnost izkoristka transformatorja od obremenitve.Ko je obremenitev enaka nič, je učinkovitost enaka nič.

Ko se faktor obremenitve poveča, se poveča tudi moč, ki se dovaja obremenitvi, magnetne izgube pa ostanejo nespremenjene, učinkovitost, ki jo je enostavno videti, pa narašča linearno. Nato pride optimalna vrednost faktorja obremenitve, kjer izkoristek doseže svojo mejo, na tej točki se doseže največji izkoristek.

Po prehodu optimalne obremenitve se učinkovitost začne postopoma zmanjševati. To je zato, ker se električne izgube povečujejo, so sorazmerne s kvadratom toka in s tem kvadratom faktorja obremenitve. Največji izkoristek za transformatorje z veliko močjo (moč se meri v enotah kVA ali več) je v območju od 98% do 99%, za transformatorje z nizko močjo (manj kot 10 VA) je lahko izkoristek okoli 60%.

Praviloma v fazi načrtovanja poskušajo izdelati transformatorje tako, da izkoristek doseže največjo vrednost pri optimalnem faktorju obremenitve od 0,5 do 0,7, nato pa bo pri dejanskem faktorju obremenitve od 0,5 do 1 izkoristek blizu maksimuma. Z zmanjšanjem faktor moči (kosinus phi) bremena, priključenega na sekundarno navitje, se zmanjša tudi izhodna moč, električne in magnetne izgube pa ostanejo nespremenjene, zato se učinkovitost v tem primeru zmanjša.

Optimalni način delovanja transformatorja, tj. nominalni način, so običajno nastavljeni glede na pogoje nemotenega delovanja in glede na stopnjo dopustnega segrevanja v določenem času delovanja.To je izredno pomemben pogoj, da se transformator ob zagotavljanju nazivne moči med delovanjem v nazivnem načinu ne pregreje.