Κύρια χαρακτηριστικά του μετασχηματιστή

Εξωτερικά χαρακτηριστικά του μετασχηματιστή

Είναι γνωστό ότι η τάση στους ακροδέκτες της δευτερεύουσας περιέλιξης μετασχηματιστής εξαρτάται από το ρεύμα φορτίου που είναι συνδεδεμένο σε αυτό το πηνίο. Αυτή η εξάρτηση ονομάζεται εξωτερικό χαρακτηριστικό του μετασχηματιστή.

Το εξωτερικό χαρακτηριστικό του μετασχηματιστή αφαιρείται σε σταθερή τάση τροφοδοσίας, όταν με μεταβολή του φορτίου, μάλιστα με μεταβολή του ρεύματος φορτίου, η τάση στους ακροδέκτες του δευτερεύοντος τυλίγματος, δηλ. αλλάζει και η δευτερεύουσα τάση ενός μετασχηματιστή.

Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από το γεγονός ότι στην αντίσταση του δευτερεύοντος τυλίγματος, με αλλαγή στην αντίσταση φορτίου, αλλάζει και η πτώση τάσης και λόγω της αλλαγής της πτώσης τάσης στην αντίσταση του πρωτεύοντος τυλίγματος, το EMF του η δευτερεύουσα περιέλιξη αλλάζει ανάλογα.

Δεδομένου ότι η εξίσωση ισορροπίας EMF στην κύρια περιέλιξη περιέχει διανυσματικές ποσότητες, η τάση στο δευτερεύον τύλιγμα εξαρτάται τόσο από το ρεύμα φορτίου όσο και από τη φύση αυτού του φορτίου: αν είναι ενεργό, επαγωγικό ή χωρητικό.

Η φύση του φορτίου αποδεικνύεται από την τιμή της γωνίας φάσης μεταξύ του ρεύματος διαμέσου του φορτίου και της τάσης σε όλο το φορτίο. Βασικά, μπορείτε να εισαγάγετε έναν συντελεστή φορτίου που θα δείχνει πόσες φορές το ρεύμα φορτίου διαφέρει από το ονομαστικό ρεύμα για έναν δεδομένο μετασχηματιστή:

Για τον ακριβή υπολογισμό των εξωτερικών χαρακτηριστικών του μετασχηματιστή, μπορεί να καταφύγει κανείς σε ένα ισοδύναμο κύκλωμα, στο οποίο, αλλάζοντας την αντίσταση φορτίου, μπορεί να καθοριστεί η τάση και το ρεύμα της δευτερεύουσας περιέλιξης.

Ωστόσο, ο ακόλουθος τύπος αποδεικνύεται χρήσιμος στην πράξη, όπου η τάση ανοιχτού κυκλώματος και η "δευτερεύουσα μεταβολή τάσης", που μετράται ως ποσοστό, αντικαθίστανται και υπολογίζονται ως η αριθμητική διαφορά μεταξύ της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και της τάσης σε δεδομένο φορτίο ως ποσοστό της τάσης ανοιχτού κυκλώματος:

Η έκφραση για την εύρεση της «δευτερεύουσας αλλαγής τάσης» προκύπτει με ορισμένες παραδοχές από το ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή:

Εδώ εισάγονται οι τιμές των ενεργών και ενεργών συστατικών της τάσης βραχυκυκλώματος. Αυτά τα στοιχεία τάσης (ενεργά και αντιδραστικά) βρίσκονται από τις ισοδύναμες παραμέτρους του κυκλώματος ή βρίσκονται πειραματικά σε εμπειρία βραχυκυκλώματος.

Η εμπειρία βραχυκυκλώματος αποκαλύπτει πολλά για τον μετασχηματιστή.Η τάση βραχυκυκλώματος βρίσκεται ως ο λόγος της πειραματικής τάσης βραχυκυκλώματος προς την ονομαστική κύρια τάση. Η παράμετρος "τάση βραχυκυκλώματος" καθορίζεται σε ποσοστό.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το δευτερεύον τύλιγμα βραχυκυκλώνεται στον μετασχηματιστή, ενώ στο πρωτεύον εφαρμόζεται τάση πολύ χαμηλότερη από την ονομαστική, έτσι ώστε το ρεύμα βραχυκυκλώματος να είναι ίσο με την ονομαστική τιμή. Εδώ, η τάση τροφοδοσίας εξισορροπείται από την πτώση τάσης στις περιελίξεις και η τιμή της εφαρμοζόμενης μειωμένης τάσης θεωρείται ως η ισοδύναμη πτώση τάσης στις περιελίξεις με ρεύμα φορτίου ίσο με την ονομαστική τιμή.

Για μετασχηματιστές τροφοδοσίας χαμηλής ισχύος και για μετασχηματιστές ισχύος, η τιμή της τάσης βραχυκυκλώματος κυμαίνεται από 5% έως 15%, και όσο πιο ισχυρός είναι ο μετασχηματιστής, τόσο μικρότερη είναι αυτή η τιμή. Η ακριβής τιμή της τάσης βραχυκυκλώματος δίνεται στην τεχνική τεκμηρίωση για συγκεκριμένο μετασχηματιστή.

Το σχήμα δείχνει τα εξωτερικά χαρακτηριστικά που έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τους παραπάνω τύπους.Μπορούμε να δούμε ότι τα γραφήματα είναι γραμμικά, αυτό συμβαίνει επειδή η δευτερεύουσα τάση δεν εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον συντελεστή φορτίου λόγω της σχετικά χαμηλής αντίστασης του τυλίγματος και της μαγνητικής λειτουργίας η ροή εξαρτάται ελάχιστα από το φορτίο.

Το σχήμα δείχνει ότι η γωνία φάσης, ανάλογα με τη φύση του φορτίου, επηρεάζει το αν το χαρακτηριστικό πέφτει ή αυξάνεται. Με ενεργό ή ενεργό-επαγωγικό φορτίο, το χαρακτηριστικό πέφτει, με ενεργό-χωρητικό φορτίο μπορεί να αυξηθεί και, στη συνέχεια, ο δεύτερος όρος στον τύπο για "αλλαγή τάσης" γίνεται αρνητικός.

Για μετασχηματιστές χαμηλής ισχύος, το ενεργό στοιχείο συνήθως πέφτει περισσότερο από το επαγωγικό, επομένως το εξωτερικό χαρακτηριστικό με ενεργό φορτίο είναι λιγότερο γραμμικό από ό,τι με ένα ενεργό-επαγωγικό φορτίο. Για πιο ισχυρούς μετασχηματιστές συμβαίνει το αντίθετο, επομένως το χαρακτηριστικό ενεργού φορτίου θα είναι πιο αυστηρό.

Απόδοση μετασχηματιστή

Η απόδοση του μετασχηματιστή είναι ο λόγος της χρήσιμης ηλεκτρικής ισχύος που παρέχεται στο φορτίο προς την ενεργό ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει ο μετασχηματιστής:

Η ισχύς που καταναλώνεται από τον μετασχηματιστή είναι το άθροισμα της ισχύος που καταναλώνεται από το φορτίο και των απωλειών ισχύος απευθείας στον μετασχηματιστή. Επιπλέον, η ενεργή ισχύς σχετίζεται με τη συνολική ισχύ ως εξής:

Δεδομένου ότι η τάση εξόδου του μετασχηματιστή συνήθως εξαρτάται ασθενώς από το φορτίο, ο συντελεστής φορτίου μπορεί να συσχετιστεί με την ονομαστική φαινόμενη ισχύ ως εξής:

Και η ισχύς που καταναλώνεται από το φορτίο στο δευτερεύον κύκλωμα:

Οι ηλεκτρικές απώλειες στο φορτίο αυθαίρετου μεγέθους μπορούν να εκφραστούν, λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες στο ονομαστικό φορτίο, με τον συντελεστή φορτίου:

Οι ονομαστικές απώλειες φορτίου προσδιορίζονται με μεγάλη ακρίβεια από την ισχύ που καταναλώνει ο μετασχηματιστής στο πείραμα βραχυκυκλώματος και οι απώλειες μαγνητικής φύσης είναι ίσες με την ισχύ χωρίς φορτίο που καταναλώνει ο μετασχηματιστής. Αυτά τα εξαρτήματα απώλειας δίνονται στην τεκμηρίωση του μετασχηματιστή. Έτσι, εάν λάβουμε υπόψη τα παραπάνω γεγονότα, ο τύπος απόδοσης θα λάβει την ακόλουθη μορφή:

Το σχήμα δείχνει την εξάρτηση της απόδοσης του μετασχηματιστή από το φορτίο.Όταν το φορτίο είναι μηδέν, η απόδοση είναι μηδέν.

Καθώς αυξάνεται ο συντελεστής φορτίου, αυξάνεται επίσης η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο και οι μαγνητικές απώλειες παραμένουν αμετάβλητες και η απόδοση, η οποία είναι εύκολα ορατή, αυξάνεται γραμμικά. Έπειτα έρχεται η βέλτιστη τιμή του συντελεστή φορτίου, όπου η απόδοση φτάνει στο όριο της, σε αυτό το σημείο προκύπτει η μέγιστη απόδοση.

Αφού περάσει ο βέλτιστος συντελεστής φορτίου, η απόδοση αρχίζει να μειώνεται σταδιακά. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ηλεκτρικές απώλειες αυξάνονται, είναι ανάλογες με το τετράγωνο του ρεύματος και, κατά συνέπεια, με το τετράγωνο του συντελεστή φορτίου. Η μέγιστη απόδοση για μετασχηματιστές υψηλής ισχύος (η ισχύς μετράται σε μονάδες kVA ή περισσότερο) κυμαίνεται από 98% έως 99%, για μετασχηματιστές χαμηλής ισχύος (κάτω από 10 VA) η απόδοση μπορεί να είναι περίπου 60%.

Κατά κανόνα, στο στάδιο του σχεδιασμού προσπαθούν να κατασκευάσουν μετασχηματιστές έτσι ώστε η απόδοση να φτάσει στη μέγιστη τιμή της με βέλτιστο συντελεστή φορτίου 0,5 έως 0,7, τότε με πραγματικό συντελεστή φορτίου 0,5 έως 1, η απόδοση θα είναι κοντά στο μέγιστο. Με μείωση συντελεστής ισχύος (συνημίτονο phi) του φορτίου που συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη, η ισχύς εξόδου μειώνεται επίσης, ενώ οι ηλεκτρικές και μαγνητικές απώλειες παραμένουν αμετάβλητες, επομένως η απόδοση σε αυτή την περίπτωση μειώνεται.

Ο βέλτιστος τρόπος λειτουργίας του μετασχηματιστή, δηλ. ονομαστική λειτουργία, συνήθως ρυθμίζονται σύμφωνα με τις συνθήκες απρόσκοπτης λειτουργίας και σύμφωνα με το επίπεδο επιτρεπόμενης θέρμανσης κατά τη διάρκεια ορισμένης περιόδου λειτουργίας.Αυτή είναι μια εξαιρετικά σημαντική προϋπόθεση ώστε ο μετασχηματιστής, ενώ παρέχει την ονομαστική ισχύ ενώ λειτουργεί στην ονομαστική λειτουργία, να μην υπερθερμαίνεται.