Hlavní charakteristiky transformátoru

Vnější charakteristiky transformátoru

Je známo, že napětí na svorkách sekundárního vinutí transformátor závisí na zátěžovém proudu připojeném k této cívce. Tato závislost se nazývá vnější charakteristika transformátoru.

Vnější charakteristika transformátoru se odstraňuje při konstantním napájecím napětí, kdy se změnou zátěže, vlastně se změnou zatěžovacího proudu, se napětí na svorkách sekundárního vinutí, tzn. sekundární napětí transformátoru se také mění.

Tento jev se vysvětluje tím, že na odporu sekundárního vinutí se změnou odporu zátěže mění i úbytek napětí a v důsledku změny úbytku napětí na odporu primárního vinutí se EMF sekundární vinutí se odpovídajícím způsobem změní.

Protože rovnice rovnováhy EMF v primárním vinutí obsahuje vektorové veličiny, závisí napětí na sekundárním vinutí jak na zátěžovém proudu, tak na povaze zátěže: zda je aktivní, indukční nebo kapacitní.

Charakter zátěže dokládá hodnota fázového úhlu mezi proudem zátěží a napětím na zátěži. V zásadě můžete zadat faktor zatížení, který ukáže, kolikrát se zatěžovací proud liší od jmenovitého proudu pro daný transformátor:

Pro přesný výpočet vnějších charakteristik transformátoru lze použít ekvivalentní obvod, ve kterém lze změnou odporu zátěže fixovat napětí a proud sekundárního vinutí.

Přesto se v praxi osvědčuje následující vzorec, kde se napětí naprázdno a „změna sekundárního napětí“, která se měří v procentech, nahrazují a vypočítávají jako aritmetický rozdíl mezi napětím naprázdno a napětím při dané zátěži. jako procento napětí naprázdno:

Výraz pro nalezení «sekundární změny napětí» je získán za určitých předpokladů z ekvivalentního obvodu transformátoru:

Zde se zadávají hodnoty jalové a činné složky zkratového napětí. Tyto složky napětí (aktivní a reaktivní) jsou nalezeny pomocí parametrů ekvivalentního obvodu nebo experimentálně nalezeny v zkušenost se zkratem.

Zkušenosti se zkratem prozradí o transformátoru mnohé.Napětí nakrátko se zjistí jako poměr experimentálního napětí nakrátko k jmenovitému primárnímu napětí. Parametr "zkratové napětí" je uveden v procentech.

V průběhu experimentu je sekundární vinutí zkratováno k transformátoru, zatímco na primární je přivedeno napětí mnohem nižší než jmenovité, takže zkratový proud je roven jmenovité hodnotě. Zde je napájecí napětí vyváženo úbytkem napětí na vinutích a hodnota použitého redukovaného napětí se považuje za ekvivalentní úbytek napětí na vinutí při zatěžovacím proudu rovném jmenovité hodnotě.

U nízkopříkonových transformátorů a u výkonových transformátorů je hodnota zkratového napětí v rozmezí 5 % až 15 % a čím výkonnější transformátor, tím menší je tato hodnota. Přesná hodnota napětí nakrátko je uvedena v technické dokumentaci konkrétního transformátoru.

Obrázek ukazuje vnější charakteristiky sestavené podle výše uvedených vzorců. Vidíme, že grafy jsou lineární, protože sekundární napětí není silně závislé na zatěžovacím faktoru kvůli relativně nízkému odporu vinutí a provozní magnetické tok závisí jen málo na zatížení.

Obrázek ukazuje, že fázový úhel v závislosti na povaze zátěže ovlivňuje, zda charakteristika klesá nebo se zvětšuje. Při aktivní nebo aktivní indukční zátěži charakteristika klesá, při aktivní kapacitní zátěži se může zvyšovat a pak se druhý člen ve vzorci pro "změnu napětí" stává záporným.

U transformátorů s nízkým výkonem obvykle klesá aktivní součástka více než indukční, takže vnější charakteristika s aktivní zátěží je méně lineární než u zátěže aktivní indukční. U výkonnějších transformátorů je tomu naopak, proto bude charakteristika aktivní zátěže přísnější.

Účinnost transformátoru

Účinnost transformátoru je poměr užitečného elektrického výkonu dodávaného do zátěže k činnému elektrickému výkonu spotřebovaného transformátorem:

Výkon spotřebovaný transformátorem je součtem výkonu spotřebovaného zátěží a výkonových ztrát přímo v transformátoru. Kromě toho se činný výkon vztahuje k celkovému výkonu takto:

Vzhledem k tomu, že výstupní napětí transformátoru je obvykle slabě závislé na zatížení, může být faktor zatížení vztažen ke jmenovitému zdánlivému výkonu následovně:

A výkon spotřebovaný zátěží v sekundárním okruhu:

Elektrické ztráty v zátěži libovolné velikosti lze vyjádřit s přihlédnutím ke ztrátám při jmenovité zátěži faktorem zátěže:

Jmenovité ztráty zátěže jsou velmi přesně určeny výkonem spotřebovaným transformátorem při pokusu nakrátko a ztráty magnetické povahy se rovnají výkonu naprázdno spotřebovanému transformátorem. Tyto ztrátové složky jsou uvedeny v dokumentaci transformátoru. Pokud tedy vezmeme v úvahu výše uvedené skutečnosti, vzorec účinnosti bude mít následující podobu:

Obrázek ukazuje závislost účinnosti transformátoru na zátěži.Když je zatížení nulové, účinnost je nulová.

S rostoucím faktorem zatížení se také zvyšuje výkon dodávaný do zátěže a magnetické ztráty se nemění a účinnost, která je dobře patrná, lineárně roste. Poté přichází na řadu optimální hodnota zatěžovatele, kdy účinnost dosáhne své hranice, v tomto okamžiku se získá maximální účinnost.

Po překročení optimálního faktoru zatížení začne účinnost postupně klesat. Elektrické ztráty se totiž zvyšují, jsou úměrné druhé mocnině proudu a podle toho druhé mocnině faktoru zatížení. Maximální účinnost u vysokovýkonových transformátorů (výkon se měří v jednotkách kVA a více) je v rozmezí 98 % až 99 %, u nízkovýkonových transformátorů (méně než 10 VA) může být účinnost kolem 60 %.

Zpravidla se ve fázi návrhu snaží vyrobit transformátory takové, aby účinnost dosahovala maximální hodnoty při optimálním zatěžovateli 0,5 až 0,7, při reálném zatěžovateli 0,5 až 1 se pak účinnost blížila maximu. S redukcí účiník (kosinus phi) zátěže připojené k sekundárnímu vinutí se také snižuje výstupní výkon, zatímco elektrické a magnetické ztráty zůstávají nezměněny, takže účinnost v tomto případě klesá.

Optimální režim provozu transformátoru, tzn. nominální režim, se obvykle nastavují podle podmínek bezporuchového provozu a podle úrovně přípustného ohřevu za určitou dobu provozu.To je mimořádně důležitá podmínka, aby se transformátor při dodávce jmenovitého výkonu při provozu ve jmenovitém režimu nepřehříval.