Teorija transformatora pri radu pod opterećenjem i bez opterećenja

Definicija transformatora

Transformator se definira kao električki uređaj koji prenosi električnu energiju između dvije ili više krugova putem elektromagnetske indukcije.

Teorija transformatora bez opterećenja

Bez otpora zavojnice i bez reaktivnog otpora

Promotrimo transformator s samo gubitcima u jezgru, što znači da nema gubitaka u bakru ni reaktivnog otpora transformatora. Kada se na primarni stranici primijeni izmjenični izvor struje, on osigurava struju za magnetiziranje jezgra transformatora.

Ali ova struja nije zapravo magnetizirajuća struja; ona je malo veća od stvarne magnetizirajuće struje. Ukupna struja koju osigurava izvor ima dvije komponente, jedna je magnetizirajuća struja koja služi samo za magnetiziranje jezgra, a druga komponenta izvorne struje troši se za nadoknadu gubitaka u jezgru transformatora.

Zbog komponente gubitaka u jezgru, struja bez opterećenja ne odbija naponsku strujnu valnu formu točno za 90°, već za kut θ, koji je manji od 90°. Ukupna struja Io ima komponentu Iw u fazi s izvornim naponom V1, koja predstavlja komponentu gubitaka u jezgru.

Ova komponenta uzima se u fazi s izvornim naponom jer je povezana s aktivnim ili radnim gubitcima u transformatoru. Druga komponenta izvorne struje označena je kao Iμ.

Ova komponenta proizvodi izmjenični magnetski tok u jezgru, pa je beznaporna; to znači da je reaktivni dio izvorne struje transformatora. Stoga će Iμ biti u kvadraturi s V1 i u fazi s izmjeničnim magnetskim tokom Φ. Dakle, ukupna primarna struja u transformatoru u stanju bez opterećenja može se prikazati kao:

Sada ste vidjeli kako je jednostavno objasniti teoriju transformatora bez opterećenja.

Teorija transformatora pod opterećenjem

Bez otpora zavojnice i reaktivnog otpora

Sada ćemo ispitati ponašanje gore navedenog transformatora pod opterećenjem, što znači da je opterećenje spojeno na sekundarne terminalne točke. Promotrimo transformator s gubitcima u jezgru, ali bez gubitaka u bakru i reaktivnog otpora. Kad se opterećenje spoji na sekundarni zavojnik, kroz opterećenje i sekundarni zavojnik počinje teći struja.

Ova struja opterećenja ovisi samo o karakteristikama opterećenja i sekundarnom naponu transformatora. Ova struja naziva se sekundarna struja ili struja opterećenja, ovdje označena kao I2. Kako I2 teče kroz sekundarni zavojnik, proizvede se sam MMF (magnetomotorna snaga) u sekundarnom zavojniku. To je N2I2, gdje je N2 broj zavojaka sekundarnog zavojnika transformatora.

MMF ili magnetomotorna snaga u sekundarnom zavojniku proizvodi tok φ2. Taj φ2 suprotstavlja se glavnom magnetizirajućem toku i privremeno oslabljuje glavni tok i pokušava smanjiti samouduzeni emf E1. Ako E1 padne ispod primarnog izvornog napona V1, dobit će se dodatna struja koja teče iz izvora u primarni zavojnik.

Ta dodatna primarna struja I2′ proizvodi dodatni tok φ′ u jezgru koji neutralizira sekundarni protutok φ2. Stoga glavni magnetizirajući tok jezgra, Φ, ostaje nepromijenjen bez obzira na opterećenje. Dakle, ukupna struja koju ovaj transformator povlači iz izvora može se podijeliti u dvije komponente.

Prva se koristi za magnetiziranje jezgra i nadoknadu gubitaka u jezgru, tj. Io. To je komponenta bez opterećenja primarne struje. Druga se koristi za nadoknadu protutoka sekundarnog zavojnika. 

To se naziva komponenta opterećenja primarne struje. Stoga se ukupna primarna struja I1 električnog transformatora bez otpora zavojnice i reaktivnog otpora može prikazati kao:

Gdje je θ2 kut između sekundarnog napona i sekundarne struje transformatora.Sada ćemo napredovati još jedan korak ka praktičnijem aspektu transformatora.

Teorija transformatora pod opterećenjem, s otpornim zavojnicama, ali bez reaktivnog otpora

Sada promatrajmo otpor zavojnice transformatora, ali bez reaktivnog otpora. Trenutno smo razmatrali transformator s idealnim zavojnicama, što znači zavojnice bez otpora i reaktivnog otpora, ali sada ćemo promatrati transformator s internim otporom u zavojnicama, ali bez reaktivnog otpora. Budući da su zavojnice otporne, dobit će se pad napona u zavojnicama.

Već smo ranije dokazali da je ukupna primarna struja iz izvora pod opterećenjem I1. Pad napona u primarnom zavojniku s otporom R1 je R1I1. Očito, inducirani emf na primarnom zavojniku E1, nije točno jednak izvornom naponu V1. E1 je manji od V1 za pad napona I1R1.

Ponovno, u slučaju sekundarne strane, napon induciran na sekundarnom zavojniku, E2, ne potpuno se pojavi na opterećenju jer također pada za iznos I2R2, gdje je R2 otpor sekundarnog zavojnika, a I2 je sekundarna struja ili struja opterećenja.

Slično tome, jednadžba napona na sekundarnoj strani transformatora bit će:

Teorija transformatora pod opterećenjem, s otporom i reaktivnim otporom

Sada ćemo promatrati uvjet kada postoji reaktivni otpor transformatora, kao i otpor zavojnice transformatora.

Neka su reaktivni otpori primarnih i sekundarnih zavojnika transformatora X1 i X2 redom. Stoga se ukupni impedansi primarnih i sekundarnih zavojnika transformatora s otporima R1 i R2 redom mogu prikazati kao,

Već smo utvrdili jednadžbu napona transformatora pod opterećenjem, s samo otporima u zavojnicama, gdje se padovi napona u zavojnicama javljaju samo zbog otpornog pada napona.

Ali kada promatramo reaktivni otpor zavojnika transformatora, pad napona u zavojnicama javlja se ne samo zbog otpora, već i zbog impedansa zavojnika transformatora. Stoga se stvarna jednadžba napona transformatora lako može odrediti zamjenom otpora R1 & R2 u prethodno utvrđenim jednadžbama napona sa Z1 i Z2.

Stoga su jednadžbe napona,

Padovi otpora idu u smjeru vektora struje. Ali reaktivni pad bit će okomit na vektor struje, kao što je prikazano u gornjoj vektorskoj shemi transformatora.