Betriebsarten des Transformators
Abhängig vom Lastwert kann der Transformator in drei Modi arbeiten:
1. Leerlaufbetrieb bei Lastwiderstand zn = ∞.
2. Kurzschluss bei zn = 0.
3. Lademodus bei 0 <zn <∞.
Mit den Parametern des Ersatzschaltbildes können Sie jede Betriebsart des Transformators analysieren... Die Parameter selbst werden anhand von Leerlauf- und Kurzschlussversuchen ermittelt. Im Leerlauf ist die Sekundärwicklung des Transformators offen.
Zur Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses, der Leistungsverluste im Stahl und der Parameter des Magnetisierungszweigs des Ersatzschaltbildes wird ein Leerlauftransformatortest durchgeführt, der üblicherweise bei der Nennspannung der Primärwicklung durchgeführt wird.
Für Einphasentransformator Basierend auf den Daten des Leerlauftests lässt sich Folgendes berechnen:
— Transformationsfaktor
— Prozentsatz des Leerlaufstroms
Ist der Wirkwiderstand der Zweigmagnetisierung r0 durch die Bedingung bestimmt
— Gesamtwiderstand des Magnetisierungszweigs
— induktiver Widerstand des Magnetisierungszweigs
Der Leerlaufleistungsfaktor wird oft auch definiert als:
In einigen Fällen wird der Leerlauftest für mehrere Werte der Primärwicklungsspannung durchgeführt: von U1 ≈ 0,3U1n bis U1 ≈ 1,1U1n. Basierend auf den erhaltenen Daten werden die Leerlaufkennlinien erstellt, die die Abhängigkeit von P0, z0, r0 und cosφ als Funktion der Spannung U1 darstellen. Mithilfe der Leerlaufkennlinie ist es möglich, die Werte der angegebenen Größen bei jedem Wert der Spannung U1 einzustellen.
Zur Ermittlung der Kurzschlussspannung werden die Verluste in den Wicklungen sowie die Widerstände rk und xk im Kurzschluss geprüft. In diesem Fall wird eine so reduzierte Spannung an die Primärwicklung angelegt, dass die Ströme der kurzgeschlossenen Transformatorwicklungen ihren Nennwerten entsprechen, d. h. I1k = I1n, I2k = I2n. Die Spannung der Primärwicklung, bei der die angegebenen Bedingungen erfüllt sind, wird als Nennkurzschlussspannung Ukn bezeichnet.
Da Ucn normalerweise nur 5–10 % von U1n beträgt, ist der gegenseitige Induktionsfluss des Transformatorkerns während des Kurzschlusstests um ein Vielfaches kleiner als im Nennmodus und der Transformatorstahl ist ungesättigt. Daher werden die Verluste im Stahl vernachlässigt und davon ausgegangen, dass die gesamte der Primärwicklung zugeführte Leistung Pcn für die Erwärmung der Wicklungen aufgewendet wird und den Wert des aktiven Kurzschlusswiderstands rc bestimmt.
Während des Experiments werden die Spannung Ukn, der Strom I1k = I1n und die Leistung Pkn der Primärspule gemessen. Anhand dieser Daten können Sie Folgendes ermitteln:
— Prozentsatz der Kurzschlussspannung
— aktiver Kurzschlusswiderstand
— aktive Widerstände der Primär- und reduzierten Sekundärwicklung, etwa gleich der Hälfte des Kurzschlusswiderstands
— Kurzschlussimpedanz
— Induktiver Widerstand kurzschließen
— induktiver Widerstand der Primär- und reduzierten Sekundärwicklung, etwa gleich der Hälfte des induktiven Kurzschlusswiderstands
— Widerstand der Sekundärwicklung eines echten Transformators:
— induktive, aktive und gesamte prozentuale Kurzschlussspannung:
Im V-Lastmodus ist es sehr wichtig zu wissen, wie sich die Lastparameter auf den Wirkungsgrad und die Spannungsschwankung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung auswirken.
Der Transformatorwirkungsgrad ist das Verhältnis der an die Last gelieferten Wirkleistung zur an den Transformator gelieferten Wirkleistung.
Der Wirkungsgrad des Transformators ist von großer Bedeutung. Bei Leistungstransformatoren mit geringer Leistung beträgt sie etwa 0,95 und bei Transformatoren mit einer Kapazität von mehreren zehntausend Kilovoltampere erreicht sie 0,995.
Die Bestimmung des Wirkungsgrades nach der Formel unter Verwendung der direkt gemessenen Leistungen P1 und P2 ergibt einen großen Fehler. Es ist bequemer, diese Formel in einer anderen Form darzustellen:
Wo ist die Summe der Verluste im Transformator?
Es gibt zwei Arten von Verlusten in einem Transformator: magnetische Verluste, die durch den Durchgang des Magnetflusses durch den Magnetkreis entstehen, und elektrische Verluste, die durch den Stromfluss durch die Wicklungen entstehen.
Da der magnetische Fluss des Transformators bei U1 = const und der Änderung des Sekundärstroms von Null auf Nenn praktisch konstant bleibt, können auch die magnetischen Verluste in diesem Lastbereich als konstant und gleich den Leerlaufverlusten angenommen werden.
Die elektrischen Verluste im Kupfer der Wicklungen ∆Pm sind proportional zum Quadrat des Stroms. Es ist zweckmäßig, sie als Kurzschlussverluste Pcn auszudrücken, die bei Nennstrom erhalten werden.
wobei β der Lastfaktor ist,
Berechnungsformeln zur Ermittlung des Transformatorwirkungsgrads:
wobei Sn die Nennscheinleistung des Transformators ist; φ2 ist der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom in der Last.
Die maximale Effizienz kann gefunden werden, indem die erste Ableitung mit Null gleichgesetzt wird. In diesem Fall stellen wir fest, dass der Wirkungsgrad bei einer solchen Belastung maximale Werte aufweist, wenn die konstanten (stromunabhängigen) Verluste P0 gleich den alternierenden (stromabhängigen) Verlusten sind, woraus folgt
Für moderne Leistungsöltransformatoren beträgt βopt = 0,5 – 0,7. Bei einer solchen Belastung arbeitet der Transformator am häufigsten im Betrieb.
Der Graph der Abhängigkeit η = f (β) ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Kurve der Änderung des Transformatorwirkungsgrads in Abhängigkeit vom Lastfaktor
Um die prozentuale Änderung der Sekundärspannung eines Einphasentransformators zu bestimmen, verwenden Sie die Gleichung
Dabei sind uKA und uKR die Wirk- und Blindanteile der Kurzschlussspannung, ausgedrückt in Prozent.
Die Änderung der Transformatorspannung hängt vom Belastungsfaktor (β), seiner Art (Winkel φ2) und den Komponenten der Kurzschlussspannung (uKA und uKR) ab.
Äußere Eigenschaften des Transformators ist die Abhängigkeit bei U1 = const und cosφ2 = const (Abbildung 2).
Abbildung 2. Äußere Eigenschaften von Mittel- und Hochleistungstransformatoren für verschiedene Lasttypen