Transformatoarele pot furniza o tensiune pe înfășurarea lor secundară, dar pentru a transfera energie electrică între intrarea și ieșirea lor, trebuie să fie puse în sarcină.

Am presupus că transformatorul este ideal, adică unul în care nu există pierderi în miez sau pierderi în cupru în înfășurări. Cu toate acestea, în lumea reală vor exista întotdeauna pierderi asociate încărcării transformatoarelor deoarece transformatorul este pus "în sarcină". Dar ce înțelegem prin: încărcarea transformatorului.

Ei bine, mai întâi, să ne uităm la ceea ce se întâmplă cu un transformator atunci când se află în starea "fără sarcină", ​​adică fără sarcină electrică conectată la bobina secundarului și, deci, fără circulație de curent în secundar.

Se spune că un transformator este "fără sarcină" atunci când bobina din secundar este circuit deschisă, cu alte cuvinte, nimic nu este atașat și încărcarea transformatorului este zero. Atunci când o alimentare sinusoidală AC este conectată la înfășurarea primarului unui transformator, un mic curent IOPEN va circula prin înfășurarea primarului datorită prezenței tensiunii de alimentare în primar.

Cu circuitul secundarului deschis, nimic conectat, o EMF inversă împreună cu rezistența înfășurării primarului acționează pentru a limita fluxul acestui curent din primar. Evident, acest curent din primar fără sarcină (Io) trebuie să fie suficient pentru a menține suficient câmp magnetic care să producă emf inversă necesară. Considerați circuitul de mai jos.

Starea transformatorului "fără sarcină"

Ampermetrul de mai sus va indica un mic curent care curge prin bobina primarului chiar dacă circuitul secundarului este deschis. Acest curent din primar fără sarcină este alcătuit din următoarele două componente:

• Un curent în fază IE, care alimentează pierderile în miez (curenți turbionari și histerezis).

• Un curent mic IM la 90^o față de tensiunea care stabilește fluxul magnetic.

Rețineți că acest curent din primar, fără sarcină, Io este foarte mic în comparație cu curentul normal de sarcină maximă al transformatoarelor. De asemenea, din cauza pierderilor în fier prezente în miez, precum și a unei mici cantități de pierderi în cupru în înfășurarea primară, Io nu rămâne în spatele tensiunii de alimentare Vp cu exact 90^o, (cosφ = 0), vor exista unele mici defazaje.

Exemplu nr. 1 de încărcare a transformatorului

Un transformator monofazat are o componentă energetică IE de 2 amperi și o componentă de magnetizare IM de 5 amperi. Calculați curentul, fără sarcină, Io și factorul de putere rezultat.

Transformator în sarcină "On-load"

Atunci când o sarcină electrică este conectată la înfășurarea secundarului unui transformator și încărcarea transformatorului este, prin urmare, mai mare decât zero, un curent circulă în înfășurarea secundarului și afară la sarcină. Acest curent din secundar se datorează tensiunii induse în secundar, stabilită de fluxul magnetic creat în miez de la curentul din primar.

Curentul din secundar IS, care este determinat de caracteristicile sarcinii, creează un câmp magnetic secundar autoindus ΦS în miezul transformatorului, care curge în direcția exact opusă câmpului principal din primar ΦP. Aceste două câmpuri magnetice se opun reciproc, rezultând un câmp magnetic combinat cu o intensitate magnetică mai mică decât câmpul produs numai de înfășurarea primarului, atunci când circuitul secundar era deschis.

Acest câmp magnetic combinat reduce EMF inversă a înfășurării din primar obligând curentul din primar IP să crească ușor. Curentul din primar continuă să crească până când câmpul magnetic al miezului se întoarce la puterea inițială și pentru ca un transformator să funcționeze corect, trebuie să existe întotdeauna o condiție de echilibru între câmpurile magnetice din primar și din secundar. Deci, puterea să fi echilibrată și aceeași pe ambele părți de primar și secundar. Considerați circuitul de mai jos.

Transformator în sarcină

Știm că raportul de spire al unui transformator afirmă că tensiunea totală indusă în fiecare înfășurare este proporțională cu numărul de spire din această înfășurare și, de asemenea, că puterea de ieșire și puterea de intrare a unui transformator este egală cu volți ori amperi (V x I). Prin urmare:

Dar știm, de asemenea, că raportul de tensiune al unui transformator este egal cu raportul de spire. Atunci, relația dintre tensiunea, curentul și numărul de spire dintr-un transformator poate fi legată împreună și, prin urmare, este dată de:

Raportul de transformare

unde:

NP/NS = VP/VS - reprezintă raportul tensiunilor
NP/NS = IS/IP - reprezintă raportul curenților

Rețineți că curentul este invers proporțional cu tensiunea și numărul de spire. Aceasta înseamnă că, cu o încărcare a transformatorului pe înfășurarea secundară, pentru a menține un nivel de putere echilibrat pe înfășurări, în cazul în care tensiunea este ridicată, curentul trebuie să fie coborât și invers. Cu alte cuvinte, "tensiune mai mare - curent mai mic" sau "tensiune mai mică - curent mai înalt".

Deoarece un raport de transformare este relația dintre numărul de spire din primar și secundar, tensiunea pe fiecare înfășurare și curentul prin înfășurări, putem rearanja ecuația raportului de transformare de mai sus pentru a găsi valoarea oricărei tensiuni necunoscute (V), curent (I), sau numărul de spire ( N ) așa cum este arătat mai jos.

Curentul total tras din alimentare de înfășurarea primarului este suma vectorială a curentului fără sarcină Io și curentul suplimentar de alimentare I1, ca urmare a încărcării transformatorului în secundar și care se situează în urma tensiunii de alimentare cu un unghi Φ. Putem arăta această relație ca o diagramă fazorială.

Curentul de încărcare al transformatorului

Dacă ni se dau curenții IS și Io, putem calcula curentul în primar IP prin următoarele metode.

Exemplu nr. 2 de încărcare a transformatorului

Un transformator monofazat are 1000 spire pe înfășurarea primarului și 200 spire pe înfășurarea secundarului. Curentul luat de la sursa de alimentare (cu secundarul în gol) este de 3 amperi la un factor de putere de 0,2 întârziat. Calculați curentul din înfășurarea primarului IP și factorul său de putere corespunzător φ atunci când curentul din secundar ce alimentează încărcarea transformatorului este de 280 amperi la 0,8 întârziere.

Este posibil să fi observat că unghiul de fază al curentului din primar φP este foarte aproape la fel ca cel al unghiului de fază al curentului din secundar φS. Acest lucru se datorează faptului că un curent, fără sarcină, de 3 amperi este foarte mic în comparație cu cei 56 de amperi, mai mari, trași de înfășurarea primară de la alimentare.

În viața reală efectivă, înfășurările transformatorului au impedanțe de XL și R. Aceste impedanțe trebuie luate în considerare atunci când desenăm diagramele fazoriale, deoarece aceste impedanțe interne determină căderi de tensiune în interiorul înfășurărilor transformatoarelor. Impedanțele interne se datorează rezistenței înfășurărilor și unei inductanțe numită reactanță de scăpări, rezultată din fluxul de scurgere. Aceste impedanțe interne sunt date de:

Așadar, înfășurările primarului și secundarului unui transformator au rezistență și reactanță. Uneori, poate fi mai convenabil dacă toate aceste impedanțe se află pe aceeași parte a transformatorului pentru a face calculele mai ușoare. Este posibilă deplasarea impedanțelor din primar pe partea secundarului sau a impedanțelor din secundar pe partea primarului. Valorile combinate ale impedanțelor R și L se numesc "Impedanțe raportate" sau "valori raportate". Obiectivul aici este de a grupa împreună impedanțele din cadrul transformatorului și de a avea doar o valoare de R și XL în calculele noastre, după cum se arată mai jos.

Combinarea impedanțelor transformatorului

Pentru a muta o rezistență dintr-o parte a transformatorului în cealaltă, trebuie mai întâi să o înmulțim cu pătratul raportului de spire în calculele noastre. De exemplu, mutând o rezistență de 2Ω dintr-o parte în alta într-un transformator, care are un raport de transformare de 8:1, va avea o nouă valoare rezistivă de: 2 x 82 = 128Ω.

Rețineți că dacă mutați o rezistență dintr-o parte cu tensiune mai mare, noua valoare a rezistenței va crește și dacă mutați rezistența dintr-o parte cu tensiune mai mică, noua valoare va scădea. Acest lucru se aplică și rezistenței și reactanței de sarcină.

Reglarea tensiunii transformatorului

Reglarea tensiunii unui transformator este definită ca schimbarea tensiunii finale din secundar atunci când încărcarea transformatorului este la maxim, adică sarcina maximă este aplicată în timp ce tensiunea de alimentare din primar este menținută constantă. Reglarea determină scăderea de tensiune (sau creșterea) care se produce în interiorul transformatorului, deoarece tensiunea de sarcină devine prea mică, ca rezultat al încărcării transformatoarelor prea mari, prin urmare, afectează performanța și eficiența acestuia.

Reglarea tensiunii este exprimată ca procent (sau pe unitate) a tensiunii fără sarcină. Atunci, dacă E reprezintă tensiunea secundarului fără sarcină și V reprezintă tensiunea secundarului la sarcină maximă, reglarea procentuală a tensiunii unui transformator este dată de:

De exemplu, un transformator livrează căderi de tensiune de 100 de volți fără sarcină și 95 de volți la sarcină maximă, reglarea ar fi de 5%. Valoarea lui E-V va depinde de impedanța internă a înfășurării care include rezistența sa R și, mai important, reactanța sa AC X, curentul și de unghiul de fază.

De asemenea, reglarea tensiunii crește, în general, când factorul de putere al sarcinii devine mai întârziat (inductiv). Reglarea tensiunii în ceea ce privește sarcina transformatorului poate să fie pozitivă, sau negativă în valoare, adică cu tensiunea în gol ca referință, modificarea în jos a reglării când sarcină este aplicată sau cu sarcina maximă ca referință și schimbarea în sus când sarcina este redusă sau eliminată.

În general, reglarea transformatorului tip miez atunci când încărcarea transformatorului este mare nu este la fel de bună ca la transformatorul de tip cochilie. Acest lucru se datorează faptului că transformatorul de tip cochilie are o distribuție mai bună a fluxului datorată intercalării înfășurărilor bobinei.

În următorul tutorial despre transformatoare vom examina Transformatorul cu Înfășurări Multiple care are mai mult de o bobină în primar sau mai mult de o înfășurare în secundar și vom vedea cum putem conecta două sau mai multe înfășurări secundare împreună pentru a furniza mai multă tensiune sau mai mult curent la sarcina conectată.