Teoria del Transformador en Funcionament amb Càrrega i sense Càrrega

Definició de transformador

Un transformador es defineix com un dispositiu elèctric que transmet energia elèctrica entre dos o més circuits mitjançant inducció electromagnètica.

Teoria del transformador sense càrrega

Sense resistència de bobinat i reactància de fuite

Considerem un transformador amb només pèrdues del nucli, és a dir, sense pèrdues de cobre ni reactància de fuite. Quan s'aplica una font d'alternada al primari, aquesta proporciona corrent per magnetitzar el nucli del transformador.

Aquest corrent, però, no és el corrent de magnetització real; és una mica més gran que el corrent de magnetització real. El corrent total subministrat per la font té dos components, un és el corrent de magnetització, que només s'utilitza per magnetitzar el nucli, i l'altre component del corrent de la font s'utilitza per compensar les pèrdues del nucli en els transformadors.

Degut al component de pèrdues del nucli, el corrent de la font sense càrrega no queda desfasat exactament 90° respecte a la tensió d'entrada, sinó per un angle θ, que és menor de 90°. El corrent total Io té un component Iw en fase amb la tensió d'entrada V1, que representa el component de pèrdues del nucli.

Aquest component es pren en fase amb la tensió de la font perquè està associat amb les pèrdues actives o de treball en els transformadors. Un altre component del corrent de la font es denota com Iμ.

Aquest component produeix el flux magnètic alternat en el nucli, per tant, és sense potència; vol dir que és la part reactiva del corrent de la font del transformador. Per tant, Iμ estarà en quadratura amb V1 i en fase amb el flux alternat Φ. Així, el corrent primari total en un transformador en condicions sense càrrega es pot representar com:

Ara heu vist com és simple explicar la teoria del transformador en condicions sense càrrega.

Teoria del transformador amb càrrega

Sense resistència de bobinat i reactància de fuite

Ara examinarem el comportament del transformador anterior amb càrrega, és a dir, quan la càrrega està connectada als terminals secundaris. Considerem un transformador amb pèrdues del nucli, però sense pèrdues de cobre ni reactància de fuite. Cada vegada que una càrrega es connecta al bobinat secundari, el corrent de càrrega començarà a fluir a través de la càrrega i també del bobinat secundari.

Aquest corrent de càrrega depèn exclusivament de les característiques de la càrrega i també de la tensió secundària del transformador. Aquest corrent es coneix com a corrent secundària o de càrrega, aquí es denota com I2. Com que I2 flueix a través del secundari, es produirà una MMF en el bobinat secundari. Aquí és N2I2, on N2 és el nombre de voltants del bobinat secundari del transformador.

Aquesta MMF o força magnetomotriu en el bobinat secundari produeix el flux φ2. Aquest φ2 oposarà el flux de magnetització principal i momentàniament debilitarà el flux principal i intentarà reduir l'emf autoinduït E1. Si E1 cau per davall de la tensió de la font V1, hi haurà un corrent addicional que fluirà de la font al bobinat primari.

Aquest corrent primari addicional I2′ produeix un flux addicional φ′ en el nucli que neutralitzarà el flux contrari secundari φ2. Per tant, el flux de magnetització principal del nucli, Φ, roman inalterat independentment de la càrrega. Així, el corrent total que aquest transformador extreu de la font es pot dividir en dos components.

El primer s'utilitza per magnetitzar el nucli i compensar les pèrdues del nucli, és a dir, Io. És el component sense càrrega del corrent primari. El segon s'utilitza per compensar el flux contrari del bobinat secundari.

Es coneix com a component de càrrega del corrent primari. Per tant, el corrent primari total I1 d'un transformador d'energia elèctrica sense resistència de bobinat ni reactància de fuite es pot representar com segueix:

On θ2 és l'angle entre la tensió secundària i el corrent secundari del transformador. Ara procedirem un pas més endavant cap a un aspecte més pràctic del transformador.

Teoria del transformador amb càrrega, amb bobinat resistiu, però sense reactància de fuite

Ara, considerem la resistència del bobinat del transformador, però sense reactància de fuite. Fins ara hem discutit el transformador que té bobinats ideals, és a dir, bobinats sense resistència ni reactància de fuite, però ara considerarem un transformador que té resistència interna en el bobinat, però sense reactància de fuite. Com que els bobinats són resistius, hi haurà una caiguda de tensió en els bobinats.

Hem demostrat anteriorment que el corrent primari total de la font amb càrrega és I1. La caiguda de tensió en el bobinat primari amb resistència R1 és R1I1. Obviament, l'emf induït a través del bobinat primari E1 no és exactament igual a la tensió de la font V1. E1 és menor que V1 per la caiguda de tensió I1R1.

De nou, en el cas del secundari, la tensió induïda a través del bobinat secundari, E2, no apareix totalment a través de la càrrega ja que també cau en una quantitat I2R2, on R2 és la resistència del bobinat secundari i I2 és el corrent secundari o de càrrega.

De manera similar, l'equació de tensió del costat secundari del transformador serà:

Teoria del transformador amb càrrega, amb resistència i reactància de fuite

Ara considerarem la condició quan hi ha reactància de fuite del transformador així com la resistència del bobinat del transformador.

Sigui X1 i X2 les reactàncies de fuite dels bobinats primari i secundari del transformador, respectivament. Per tant, la impedància total dels bobinats primari i secundari del transformador amb resistències R1 i R2, respectivament, es pot representar com,

Ja hem establert l'equació de tensió d'un transformador amb càrrega, amb només resistències en els bobinats, on les caigudes de tensió en els bobinats ocorren només degut a la caiguda de tensió resistiva.

Però quan considerem la reactància de fuite dels bobinats del transformador, la caiguda de tensió ocurre en el bobinat no només degut a la resistència, sinó també degut a la impedància dels bobinats del transformador. Per tant, l'equació de tensió real d'un transformador es pot determinar fàcilment substituint les resistències R1 & R2 en les equacions de tensió establertes anteriorment amb Z1 i Z2.

Per tant, les equacions de tensió són,

Les caigudes de resistència estan en la direcció del vector de corrent. Però una caiguda reactiva serà perpendicular al vector de corrent, tal com es mostra en el diagrama vectorial del transformador.