5.3.2 Realni transformator z obremenitvijo

Iz e-ELEKTROTEHNIKA plus

Poskus 5.3.2:

Na sekundarno navitje transformatorja iz poskusa 5.3.1 priključimo prek A-metra porabnik z ohmsko upornostjo R, pri kateri bo po priključitvi primarnega navitja na nazivno napetost U_1N v porabniku nazivni tok I_2N (sl. 5.3.5). Tudi v tem primeru merimo moč na primarni strani.

Slika 5.3.5: Merjenje količin obremenjenega realnega transformatorja

• Moč primarne strani se v primerjavi z močjo neobremenjenega transformatorja, poveča.

V primeru idealnega transformatorja bi napetost lastne indukcije U_i1 po obremenitvi transformatorja ostala po velikosti enaka primarni napetosti U₁.

Ker je po Lenzovem pravilu smer sekundarnega toka taka, da amperni ovoji sekundarne strani I₂ • N₂ nasprotujejo ampernim ovojem primarne strani, mora primarni tok po obremenitvi idealiziranega transformatorja narasti na I₁, pri katerem bodo skupni amperni ovoji primarne strani ostali enaki ampernim ovojem primarne strani pred obremenitvijo transformatorja. Za idealizirani transformator torej lahko napišemo enačbo magnetnih napetosti:

z deljenjem leve in desne strani z N₁ in ureditvi enačbe pa dobimo:

Če upoštevamo dobljeno tokovno enačbo idealiziranega transformatorja, ohmsko upornost primarnega navitja R_Cu1, na primarno stran reducirano ohmsko upornost sekundarnega navitja n² • R_Cu2 in breme n² • Z₀ ter če zanemarimo stresani magnetni pretok, lahko narišemo za večino transformatorjev sprejemljivo nadomestno vezavo realnega, obremenjenega transformatorja in pripadajoči kazalčni diagram (slika 5.3.6). Kazalčni diagram je narisan za primer ohmsko-induktivnega značaja bremena Z.

Slika 5.3.6: Nadomestna vezava a) in kazalčni diagram b) realnega obremenjenega transformatorja

Nadomestna vezava in kazalčni diagram na sl. 5.3.6 imata za nas zgolj informativni pomen. Zgovorno pa povesta, da je upoštevanje realnosti lahko veliko zahtevnejše opravilo od obravnave izmeničnih krogov v idealiziranih razmerah. Kljub temu pa lahko na osnovi dobljenega kazalčnega diagrama in primerjave s kazalčnim diagramom neobremenjenega transformatorja ugotovimo zanimivo dejstvo. Napetost izvora U₁ je namreč enaka geometrični vsoti padca napetosti U_i1 in padca napetosti na ohmski upornosti navitja U_Cu1:

Zmanjšanje napetosti U_i1 pomeni tudi manjši magnetni pretok Ф, zato velja:

Zaradi bistveno večjega primarnega in sekundarnega toka izguba energije v navitjih obremenjenega realnega transformatorja nista več zanemarljivi.

Iz kazalčnega diagrama na sliki 5.3.6 lahko ugotovimo, da obremenitev transformatorja vpliva tudi na fazni kot φ₁ med primarno napetostjo in primarnim tokom.

Za lažjo nadaljnjo obravnavo obremenjenega transformatorja naredimo še poskus s kratko sklenjenim transformatorjem:

Poskus 5.3.3:

Transformatorju iz prejšnjih poskusov kratko sklenimo sponke sekundarnega navitja, primarno navitje pa prek merilnikov (sl. 5.3.7) priključimo na izvor nastavljive izmenične napetosti.

Slika 5.3.7: Merjenje električnih količin transformatorja v kratkem stiku

Napetost U₁ počasi povečujmo od 0 V, dokler A-metra ne pokažeta, da sta v navitjih nazivna toka I_1N in I_2N.

• Pri kratko sklenjenem sekundarnem navitju sta v navitjih nazivna toka pri primarni napetosti, ki je veliko nižja od nazivne.
• W-meter kaže določeno moč, čeprav na sekundarni strani ni moči.

V praksi je kratkostična napetost transformatorjev U_k praviloma le 3 do 15 % nazivne primarne napetosti U_1N in sodi med nazivne podatke transformatorjev.

Ker je U_k << U_1N, so tudi magnetilni tok, magnetni pretok in posledično izgube energije v Fe jedru pri U_k veliko manjši kot pri nazivni primarni napetosti U_1N in nazivni obremenitvi transformatorja. Toka transformatorja pa sta nazivna, zato so izgube v Fe jedru pri U₁ = U_k v primerjavi z izgubami v Cu navitju praviloma zanemarljive.

Navedeno izgubo moči v navitjih povzročata nazivna toka I_1N in I_2N, torej toka nazivne moči obremenjenega transformatorja. Če zadnjo ugotovitev povežemo z ugotovitvijo glede izgub transformatorja v prostem teku, lahko zaključimo:

Tako ugotovljeni izgubi moči krojita izkoristek transformatorja:

ali

V praksi so izkoristki transformatorjev med približno 0,7 (transformatorji majhnih moči, predvsem na področju elektronike) in 0,99 (transformatorji velikih moči na področju elektroenergetike).

In kaj če transformatorju kratko sklenemo sekundarno navitje pri nazivni napetosti primarja U_1N? Raje ne! Magnetilni tok in magnetni pretok transformatorja sta pri U_1N bistveno večja kot pri U_k, kar v navitjih povzroči toka, katerih jakosti bosta veliko večji (tudi do 33 krat!)^[1] od nazivnih. Toplotne izgube v jedru in navitjih zaradi le-teh transformator v kratkem času segrejejo do uničenja, zaradi mehanskih sil pa se lahko transformatorsko navitje poškoduje ali tudi raztrga.

S konstrukcijskimi prijemi lahko dosežemo U_k > 0.5 U_1N. Pri takih transformatorjih (varilni, zvončni ... ) kratkostični tok ne pomeni več nevarnosti za uničenje transformatorja, saj ne preseže dvakratne vrednosti nazivnih tokov.

Opombe

1. ↑ Pri U_k 3 % U_1N

5.3.1 Realni transformator v praznem teku

6 Prehodni pojavi