Hlavné charakteristiky transformátora

Vonkajšie charakteristiky transformátora

Je známe, že napätie na svorkách sekundárneho vinutia transformátor závisí od záťažového prúdu pripojeného k tejto cievke. Táto závislosť sa nazýva vonkajšia charakteristika transformátora.

Vonkajšia charakteristika transformátora sa odstraňuje pri konštantnom napájacom napätí, kedy pri zmene záťaže, vlastne pri zmene záťažového prúdu, sa napätie na svorkách sekundárneho vinutia, t.j. sekundárne napätie transformátora sa tiež mení.

Tento jav sa vysvetľuje skutočnosťou, že na odpore sekundárneho vinutia sa so zmenou odporu záťaže mení aj úbytok napätia a v dôsledku zmeny úbytku napätia na odpore primárneho vinutia sa mení EMF sekundárne vinutie sa zodpovedajúcim spôsobom zmení.

Pretože rovnica rovnováhy EMF v primárnom vinutí obsahuje vektorové veličiny, napätie na sekundárnom vinutí závisí od záťažového prúdu aj od charakteru záťaže: či je aktívna, indukčná alebo kapacitná.

Charakter záťaže dokazuje hodnota fázového uhla medzi prúdom cez záťaž a napätím na záťaži. V zásade môžete zadať faktor zaťaženia, ktorý ukáže, koľkokrát sa zaťažovací prúd líši od menovitého prúdu pre daný transformátor:

Na presný výpočet vonkajších charakteristík transformátora je možné použiť ekvivalentný obvod, v ktorom je možné zmenou odporu záťaže fixovať napätie a prúd sekundárneho vinutia.

Napriek tomu sa v praxi osvedčuje nasledujúci vzorec, kde sa napätie naprázdno a „zmena sekundárneho napätia“, ktorá sa meria v percentách, nahradia a vypočítajú sa ako aritmetický rozdiel medzi napätím naprázdno a napätím pri danej záťaži. ako percento napätia naprázdno:

Výraz na nájdenie «zmeny sekundárneho napätia» sa získa s určitými predpokladmi z ekvivalentného obvodu transformátora:

Tu sa zadávajú hodnoty jalovej a aktívnej zložky skratového napätia. Tieto zložky napätia (aktívne a reaktívne) sa nachádzajú pomocou parametrov ekvivalentného obvodu alebo sa nachádzajú experimentálne v skúsenosti so skratom.

Skúsenosti so skratom prezrádzajú o transformátore veľa.Napätie nakrátko sa zistí ako pomer experimentálneho napätia nakrátko k menovitému primárnemu napätiu. Parameter "skratové napätie" je uvedený v percentách.

V priebehu experimentu je sekundárne vinutie skratované na transformátor, zatiaľ čo na primárnom je privedené napätie oveľa nižšie ako menovité, takže skratový prúd sa rovná menovitej hodnote. Tu je napájacie napätie vyvážené poklesom napätia na vinutiach a hodnota použitého zníženého napätia sa považuje za ekvivalentný pokles napätia na vinutiach pri zaťažovacom prúde rovnajúcom sa menovitej hodnote.

Pre transformátory s malým výkonom a pre výkonové transformátory je hodnota skratového napätia v rozmedzí 5% až 15% a čím je transformátor výkonnejší, tým je táto hodnota menšia. Presná hodnota skratového napätia je uvedená v technickej dokumentácii pre konkrétny transformátor.

Obrázok ukazuje vonkajšie charakteristiky zostavené podľa vyššie uvedených vzorcov. Vidíme, že grafy sú lineárne, pretože sekundárne napätie silne nezávisí od faktora zaťaženia v dôsledku relatívne nízkeho odporu vinutia a prevádzkového magnetického tok závisí len málo od zaťaženia.

Obrázok ukazuje, že fázový uhol v závislosti od charakteru zaťaženia ovplyvňuje, či charakteristika klesá alebo sa zvyšuje. Pri aktívnej alebo aktívnej indukčnej záťaži charakteristika klesá, pri aktívnej kapacitnej záťaži sa môže zvýšiť a potom sa druhý člen vo vzorci pre "zmenu napätia" stane záporným.

Pri transformátoroch s nízkym výkonom zvyčajne klesá aktívna zložka viac ako indukčná, takže vonkajšia charakteristika pri aktívnej záťaži je menej lineárna ako pri aktívnej indukčnej záťaži. U výkonnejších transformátorov je to naopak, preto bude charakteristika aktívneho zaťaženia prísnejšia.

Účinnosť transformátora

Účinnosť transformátora je pomer užitočnej elektrickej energie dodávanej do záťaže k aktívnej elektrickej energii spotrebovanej transformátorom:

Výkon spotrebovaný transformátorom je súčtom výkonu spotrebovaného záťažou a výkonových strát priamo v transformátore. Okrem toho aktívny výkon súvisí s celkovým výkonom takto:

Pretože výstupné napätie transformátora je zvyčajne slabo závislé od zaťaženia, faktor zaťaženia môže súvisieť s menovitým zdanlivým výkonom takto:

A výkon spotrebovaný záťažou v sekundárnom okruhu:

Elektrické straty v záťaži ľubovoľnej veľkosti môžu byť vyjadrené, berúc do úvahy straty pri menovitom zaťažení, faktorom zaťaženia:

Nominálne straty pri zaťažení sú veľmi presne určené výkonom spotrebovaným transformátorom pri pokuse nakrátko a straty magnetického charakteru sa rovnajú výkonu naprázdno spotrebovanému transformátorom. Tieto stratové zložky sú uvedené v dokumentácii transformátora. Ak teda vezmeme do úvahy vyššie uvedené skutočnosti, vzorec účinnosti bude mať nasledujúcu formu:

Na obrázku je znázornená závislosť účinnosti transformátora od zaťaženia.Keď je zaťaženie nulové, účinnosť je nulová.

So zvyšujúcim sa faktorom zaťaženia sa zvyšuje aj výkon dodávaný do záťaže a magnetické straty sú nezmenené a účinnosť, ktorá je dobre viditeľná, lineárne rastie. Potom prichádza optimálna hodnota faktora zaťaženia, kde účinnosť dosiahne svoju hranicu, v tomto bode sa dosiahne maximálna účinnosť.

Po prekročení optimálneho koeficientu zaťaženia začne účinnosť postupne klesať. Elektrické straty sa totiž zvyšujú, sú úmerné druhej mocnine prúdu a teda druhej mocnine faktora zaťaženia. Maximálna účinnosť pre vysokovýkonové transformátory (výkon sa meria v jednotkách kVA alebo viac) je v rozmedzí 98 % až 99 %, pre nízkovýkonové transformátory (menej ako 10 VA) môže byť účinnosť okolo 60 %.

Spravidla sa v štádiu návrhu snažia vyrobiť transformátory tak, aby účinnosť dosahovala maximálnu hodnotu pri optimálnom zaťažiteľnom faktore 0,5 až 0,7, potom pri skutočnom zaťažiteľnom faktore 0,5 až 1 bude účinnosť blízka maximu. S redukciou účinník (kosínus phi) záťaže pripojenej k sekundárnemu vinutiu sa tiež znižuje výstupný výkon, zatiaľ čo elektrické a magnetické straty zostávajú nezmenené, takže účinnosť v tomto prípade klesá.

Optimálny režim prevádzky transformátora, t.j. nominálny režim, sa spravidla nastavujú podľa podmienok bezporuchovej prevádzky a podľa úrovne prípustného ohrevu počas určitej doby prevádzky.Toto je mimoriadne dôležitá podmienka, aby sa transformátor pri dodávke menovitého výkonu pri prevádzke v menovitom režime neprehrieval.