Característiques principals del transformador
Característiques externes del transformador
Se sap que la tensió als terminals del bobinatge secundari transformador depèn del corrent de càrrega connectat a aquesta bobina. Aquesta dependència s'anomena característica externa del transformador.
La característica externa del transformador s'elimina a una tensió d'alimentació constant, quan amb un canvi en la càrrega, de fet, amb un canvi en el corrent de càrrega, la tensió als terminals del bobinatge secundari, és a dir. la tensió secundària d'un transformador també canvia.
Aquest fenomen s'explica pel fet que a la resistència del bobinatge secundari, amb un canvi en la resistència de càrrega, també canvia la caiguda de tensió i, a causa del canvi en la caiguda de tensió a través de la resistència del bobinatge primari, l'EMF de el bobinatge secundari canvia en conseqüència.
Com que l'equació d'equilibri EMF al bobinatge primari conté quantitats vectorials, la tensió a través del bobinatge secundari depèn tant del corrent de càrrega com de la naturalesa d'aquesta càrrega: si és activa, inductiva o capacitiva.
La naturalesa de la càrrega s'evidencia pel valor de l'angle de fase entre el corrent a través de la càrrega i la tensió a través de la càrrega. Bàsicament, podeu introduir un factor de càrrega que mostrarà quantes vegades el corrent de càrrega difereix del corrent nominal d'un transformador determinat:
Per calcular amb precisió les característiques externes del transformador, es pot recórrer a un circuit equivalent, en el qual, canviant la resistència de càrrega, es pot fixar la tensió i el corrent del bobinatge secundari.
No obstant això, la següent fórmula resulta útil a la pràctica, on la tensió de circuit obert i el "canvi de tensió secundària", que es mesura com a percentatge, es substitueixen i es calculen com la diferència aritmètica entre la tensió del circuit obert i la tensió a una càrrega determinada. com a percentatge de la tensió del circuit obert:
L'expressió per trobar el «canvi de tensió secundària» s'obté amb certes hipòtesis del circuit equivalent del transformador:
Aquí s'introdueixen els valors dels components reactius i actius de la tensió de curtcircuit. Aquests components de tensió (actius i reactius) es troben mitjançant els paràmetres del circuit equivalents o es troben experimentalment a experiència de curtcircuit.
L'experiència de curtcircuit revela molt sobre el transformador.La tensió de curtcircuit es troba com la relació entre la tensió de curtcircuit experimental i la tensió primària nominal. El paràmetre "tensió de curtcircuit" s'especifica en percentatge.
En el transcurs de l'experiment, el bobinatge secundari es fa curtcircuit al transformador, mentre que s'aplica una tensió al primari molt inferior a la nominal, de manera que el corrent de curtcircuit és igual al valor nominal. Aquí, la tensió d'alimentació s'equilibra per la caiguda de tensió a través dels bobinats, i el valor de la tensió reduïda aplicada es considera com la caiguda de tensió equivalent a través dels bobinats a un corrent de càrrega igual al valor nominal.
Per als transformadors de baixa potència i per als transformadors de potència, el valor de la tensió de curtcircuit està entre el 5% i el 15%, i com més potent sigui el transformador, menor serà aquest valor. El valor exacte de la tensió de curtcircuit es dóna a la documentació tècnica d'un transformador específic.
La figura mostra les característiques externes construïdes segons les fórmules anteriors.Podem veure que els gràfics són lineals, això es deu al fet que la tensió secundària no depèn molt del factor de càrrega a causa de la resistència relativament baixa del bobinatge i el magnètic de funcionament. el flux depèn poc de la càrrega.
La figura mostra que l'angle de fase, depenent de la naturalesa de la càrrega, afecta si la característica baixa o augmenta. Amb una càrrega activa o activa-inductiva, la característica baixa, amb una càrrega activa-capacitiva pot augmentar i, aleshores, el segon terme de la fórmula de "canvi de tensió" esdevé negatiu.
Per als transformadors de baixa potència, el component actiu sol baixar més que l'inductiu, de manera que la característica externa amb una càrrega activa és menys lineal que amb una càrrega activa-inductiva. Per als transformadors més potents és el contrari, per tant, la característica de càrrega activa serà més estricta.
Eficiència del transformador
L'eficiència del transformador és la relació entre la potència elèctrica útil subministrada a la càrrega i la potència elèctrica activa consumida pel transformador:
La potència consumida pel transformador és la suma de la potència consumida per la càrrega i les pèrdues de potència directament al transformador. A més, la potència activa està relacionada amb la potència total de la següent manera:
Atès que la tensió de sortida del transformador sol depèn feblement de la càrrega, el factor de càrrega es pot relacionar amb la potència aparent nominal de la següent manera:
I la potència consumida per la càrrega al circuit secundari:
Les pèrdues elèctriques en la càrrega de magnitud arbitrària es poden expressar, tenint en compte les pèrdues a càrrega nominal, pel factor de càrrega:
Les pèrdues de càrrega nominals es determinen amb molta precisió per la potència consumida pel transformador en l'experiment de curtcircuit, i les pèrdues de naturalesa magnètica són iguals a la potència sense càrrega consumida pel transformador. Aquests components de pèrdua es donen a la documentació del transformador. Per tant, si tenim en compte els fets anteriors, la fórmula d'eficiència prendrà la forma següent:
La figura mostra la dependència de l'eficiència del transformador de la càrrega.Quan la càrrega és zero, l'eficiència és zero.
A mesura que augmenta el factor de càrrega, la potència subministrada a la càrrega també augmenta, les pèrdues magnètiques no canvien i l'eficiència, que és fàcil de veure, augmenta linealment. Després ve el valor òptim del factor de càrrega, on l'eficiència arriba al seu límit, en aquest punt s'obté la màxima eficiència.
Després de superar el factor de càrrega òptim, l'eficiència comença a disminuir gradualment. Això és degut a que les pèrdues elèctriques augmenten, són proporcionals al quadrat del corrent i, en conseqüència, al quadrat del factor de càrrega. L'eficiència màxima per als transformadors d'alta potència (la potència es mesura en unitats de kVA o més) està en el rang del 98% al 99%, per als transformadors de baixa potència (menys de 10 VA) l'eficiència pot rondar el 60%.
Com a regla general, en l'etapa de disseny intenten fer transformadors de manera que l'eficiència assoleixi el seu valor màxim amb un factor de càrrega òptim de 0,5 a 0,7, després amb un factor de càrrega real de 0,5 a 1, l'eficiència s'aproximarà al seu màxim. Amb reducció Factor de potència (cosinus phi) de la càrrega connectada al bobinatge secundari, la potència de sortida també disminueix, mentre que les pèrdues elèctriques i magnètiques es mantenen sense canvis, per tant l'eficiència en aquest cas disminueix.
El mode òptim de funcionament del transformador, és a dir. modalitat nominal, solen establir-se segons les condicions de funcionament sense problemes i segons el nivell d'escalfament admissible durant un període determinat de funcionament.Aquesta és una condició extremadament important perquè el transformador, mentre ofereix la potència nominal mentre funciona en el mode nominal, no es sobreescalfi.