Hauptmerkmale des Transformators

Äußere Eigenschaften des Transformators

Es ist bekannt, dass die Spannung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung anliegt Transformator hängt vom an diese Spule angeschlossenen Laststrom ab. Diese Abhängigkeit wird als äußere Kennlinie des Transformators bezeichnet.

Die äußere Charakteristik des Transformators wird bei konstanter Versorgungsspannung aufgehoben, wenn bei einer Änderung der Last, nämlich bei einer Änderung des Laststroms, die Spannung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung, d.h. Auch die Sekundärspannung eines Transformators ändert sich.

Dieses Phänomen erklärt sich dadurch, dass sich am Widerstand der Sekundärwicklung bei einer Änderung des Lastwiderstands auch der Spannungsabfall ändert und aufgrund der Änderung des Spannungsabfalls am Widerstand der Primärwicklung die EMF von die Sekundärwicklung ändert sich entsprechend.

Da die EMF-Gleichgewichtsgleichung in der Primärwicklung Vektorgrößen enthält, hängt die Spannung an der Sekundärwicklung sowohl vom Laststrom als auch von der Art dieser Last ab: ob sie aktiv, induktiv oder kapazitiv ist.

Die Art der Last wird durch den Wert des Phasenwinkels zwischen dem Strom durch die Last und der Spannung an der Last angezeigt. Grundsätzlich können Sie einen Lastfaktor eingeben, der angibt, wie oft der Laststrom vom Nennstrom für einen bestimmten Transformator abweicht:

Um die äußeren Eigenschaften des Transformators genau zu berechnen, kann auf eine Ersatzschaltung zurückgegriffen werden, bei der durch Änderung des Lastwiderstands Spannung und Strom der Sekundärwicklung festgelegt werden können.

Dennoch erweist sich in der Praxis die folgende Formel als nützlich, bei der die Leerlaufspannung und die in Prozent gemessene „Sekundärspannungsänderung“ eingesetzt und als arithmetische Differenz zwischen der Leerlaufspannung und der Spannung bei gegebener Last berechnet werden in Prozent der Leerlaufspannung:

Der Ausdruck zur Ermittlung der „Sekundärspannungsänderung“ ergibt sich unter bestimmten Annahmen aus dem Ersatzschaltbild des Transformators:

Hier werden die Werte der Blind- und Wirkkomponente der Kurzschlussspannung eingetragen. Diese Spannungskomponenten (aktive und reaktive) werden durch die Ersatzschaltbildparameter ermittelt oder experimentell ermittelt Kurzschlusserfahrung.

Die Kurzschlusserfahrung verrät viel über den Transformator.Die Kurzschlussspannung ergibt sich als Verhältnis der experimentellen Kurzschlussspannung zur Nennprimärspannung. Der Parameter „Kurzschlussspannung“ wird in Prozent angegeben.

Im Verlauf des Experiments wird die Sekundärwicklung mit dem Transformator kurzgeschlossen, während an der Primärwicklung eine Spannung angelegt wird, die deutlich unter dem Nennwert liegt, sodass der Kurzschlussstrom dem Nennwert entspricht. Hier wird die Versorgungsspannung durch den Spannungsabfall an den Wicklungen ausgeglichen, und der Wert der angelegten reduzierten Spannung wird als äquivalenter Spannungsabfall an den Wicklungen bei einem Laststrom gleich dem Nennwert betrachtet.

Bei Kleinleistungstransformatoren und Leistungstransformatoren liegt der Wert der Kurzschlussspannung im Bereich von 5 % bis 15 %, und je leistungsstärker der Transformator, desto kleiner ist dieser Wert. Der genaue Wert der Kurzschlussspannung ist in der technischen Dokumentation eines bestimmten Transformators angegeben.

Die Abbildung zeigt die nach den obigen Formeln erstellten externen Kennlinien. Wir können sehen, dass die Diagramme linear sind, da die Sekundärspannung aufgrund des relativ geringen Widerstands der Wicklung und des Betriebsmagneten nicht stark vom Lastfaktor abhängt Der Fluss hängt wenig von der Last ab.

Die Abbildung zeigt, dass der Phasenwinkel je nach Art der Belastung einen Einfluss darauf hat, ob die Kennlinie abfällt oder ansteigt. Bei einer aktiven oder aktiv-induktiven Last sinkt die Kennlinie, bei einer aktiv-kapazitiven Last kann sie ansteigen und dann wird der zweite Term in der Formel für „Spannungsänderung“ negativ.

Bei Transformatoren mit geringer Leistung fällt der aktive Anteil normalerweise stärker ab als der induktive, sodass die äußere Kennlinie bei aktiver Last weniger linear ist als bei aktiv-induktiver Last. Bei leistungsstärkeren Transformatoren ist das Gegenteil der Fall, daher ist die Wirklastcharakteristik strenger.

Wirkungsgrad des Transformators

Der Transformatorwirkungsgrad ist das Verhältnis der an die Last gelieferten elektrischen Nutzleistung zur vom Transformator verbrauchten elektrischen Wirkleistung:

Die vom Transformator aufgenommene Leistung ist die Summe aus der von der Last aufgenommenen Leistung und den Leistungsverlusten direkt im Transformator. Darüber hinaus hängt die Wirkleistung wie folgt von der Gesamtleistung ab:

Da die Ausgangsspannung des Transformators meist nur schwach von der Last abhängig ist, kann der Lastfaktor wie folgt auf die Nennscheinleistung bezogen werden:

Und die von der Last im Sekundärkreis verbrauchte Leistung:

Die elektrischen Verluste in der Last beliebiger Größe lassen sich unter Berücksichtigung der Verluste bei Nennlast durch den Lastfaktor ausdrücken:

Die Nennlastverluste werden sehr genau durch die vom Transformator im Kurzschlussversuch aufgenommene Leistung bestimmt, Verluste magnetischer Natur entsprechen der Leerlaufleistung des Transformators. Diese Verlustkomponenten sind in der Dokumentation des Transformators angegeben. Wenn wir also die oben genannten Fakten berücksichtigen, wird die Effizienzformel die folgende Form annehmen:

Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Transformatorwirkungsgrads von der Last.Wenn die Last Null ist, ist der Wirkungsgrad Null.

Mit zunehmendem Lastfaktor erhöht sich auch die der Last zugeführte Leistung, die magnetischen Verluste bleiben unverändert und der Wirkungsgrad steigt, was leicht zu erkennen ist, linear an. Dann kommt der optimale Wert des Lastfaktors, wo der Wirkungsgrad seine Grenze erreicht, an diesem Punkt wird der maximale Wirkungsgrad erreicht.

Nach Erreichen des optimalen Lastfaktors beginnt der Wirkungsgrad allmählich zu sinken. Denn die elektrischen Verluste nehmen zu, sie sind proportional zum Quadrat des Stroms und dementsprechend zum Quadrat des Lastfaktors. Der maximale Wirkungsgrad für Hochleistungstransformatoren (Leistung wird in Einheiten von kVA oder mehr gemessen) liegt im Bereich von 98 % bis 99 %, bei Niederleistungstransformatoren (weniger als 10 VA) kann der Wirkungsgrad etwa 60 % betragen.

In der Regel wird in der Entwurfsphase versucht, Transformatoren so zu konstruieren, dass der Wirkungsgrad bei einem optimalen Lastfaktor von 0,5 bis 0,7 seinen Maximalwert erreicht, bei einem realen Lastfaktor von 0,5 bis 1 liegt der Wirkungsgrad dann nahe am Maximum. Mit Reduktion Leistungsfaktor (Cosinus Phi) der an die Sekundärwicklung angeschlossenen Last sinkt auch die Ausgangsleistung, während die elektrischen und magnetischen Verluste unverändert bleiben, wodurch der Wirkungsgrad in diesem Fall abnimmt.

Die optimale Funktionsweise des Transformators, d.h. Nominalmodus, werden in der Regel nach den Bedingungen eines störungsfreien Betriebs und nach der Höhe der zulässigen Erwärmung während einer bestimmten Betriebsdauer eingestellt.Dies ist eine äußerst wichtige Bedingung, damit der Transformator nicht überhitzt, während er im Nennmodus die Nennleistung liefert.