Teorija transformatora pri radu pod opterećenjem i bez opterećenja

Definicija transformatora

Transformator se definiše kao električni uređaj koji prenosi električnu energiju između dva ili više kruga putem elektromagnetske indukcije.

Teorija transformatora bez opterećenja

Bez otpora vijaka i bez reaktance proklizanja

Razmotrimo transformator sa samo gubitcima jezgra, što znači da nema gubitaka od bakra ni reaktance proklizanja. Kada se na primarni vijak primeni izmenični izvor struje, on snabdeva strujom za magnetizaciju jezgra transformatora.

Ali ova struja nije stvarna magnetizacijska struja; ona je malo veća od stvarne magnetizacijske struje. Ukupna struja koja se isporučuje iz izvora ima dve komponente, jedna je magnetizacijska struja koja se koristi samo za magnetizaciju jezgra, a druga komponenta izvorne struje se troši za kompenzaciju gubitaka u jezgru transformatora.

Zbog komponente gubitaka u jezgru, izvorna struja bez opterećenja ne zaostaje za napajanje točno 90°, već za ugao θ, koji je manji od 90°. Ukupna struja Io ima komponentu Iw u fazi s napajanjem V1, koja predstavlja komponentu gubitaka u jezgru.

Ova komponenta se uzima u fazi sa izvornim napajanjem jer je povezana sa aktivnim ili radnim gubitcima u transformatoru. Druga komponenta izvorne struje označava se kao Iμ.

Ova komponenta proizvodi izmenični magnetni fluks u jezgru, tako da je bezzapreminski; znači, da je reaktivni deo izvorne struje transformatora. Stoga će Iμ biti u kvadraturi sa V1 i u fazi sa izmeničnim fluksom Φ. Dakle, ukupna primarna struja u transformatoru bez opterećenja može se predstaviti kao:

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

Teorija transformatora pod opterećenjem

Bez otpora vijaka i reaktance proklizanja

Sada ćemo ispitati ponašanje prethodno spomenutog transformatora pod opterećenjem, što znači da je opterećenje spojeno na sekundarne terminali. Razmotrimo transformator sa gubitcima u jezgru, ali bez gubitaka od bakra i reaktance proklizanja. Kada se opterećenje spoji na sekundarni vijak, kroz opterećenje i sekundarni vijak počinje da teče struja.

Ova struja zavisi samo od karakteristika opterećenja i sekundarnog napona transformatora. Ovu struju nazivamo sekundarnom strujom ili strujom opterećenja, ovdje je označena kao I2. Kako I2 teče kroz sekundarni vijak, proizvede se sam MMF (magnetomotorna sila) u sekundarnom vijaku. Ovdje je N2I2, gde je N2 broj zavojnica sekundarnog vijka transformatora.

Ova MMF ili magnetomotorna sila u sekundarnom vijku proizvodi fluks φ2. Ovaj φ2 će suprotstaviti glavnom magnetizacijskom fluksu i privremeno oslabiti glavni fluks i pokušati smanjiti primarno samoinducirani EMF E1. Ako E1 padne ispod primarnog izvornog napona V1, dobit ćemo dodatnu struju koja teče iz izvora ka primarnom vijku.

Ova dodatna primarna struja I2′ proizvodi dodatni fluks φ′ u jezgru, koji neutralizuje sekundarni protufluks φ2. Stoga glavni magnetizacijski fluks jezgra, Φ, ostaje nepromenjen nezavisno od opterećenja. Dakle, ukupna struja koju ovaj transformator ispušta iz izvora može se podeliti u dve komponente.

Prva se koristi za magnetizaciju jezgra i kompenzaciju gubitaka u jezgru, tj. Io. To je komponenta primarne struje bez opterećenja. Druga se koristi za kompenzaciju protufluksa sekundarnog vijka. 

To se naziva komponenta primarne struje pod opterećenjem. Stoga ukupna primarna struja I1 električnog transformatora bez otpora vijaka i reaktance proklizanja može se predstaviti kao sledi:

Gde je θ2 ugao između sekundarnog napona i sekundarne struje transformatora.Sada ćemo dalje istraživati još praktičniji aspekt transformatora.

Teorija transformatora pod opterećenjem, sa otpornim vijkama, ali bez reaktance proklizanja

Sada razmotrimo otpor vijaka transformatora, ali bez reaktance proklizanja. Takođe smo dosad govorili o transformatoru sa idealnim vijkovima, što znači vijci bez otpora i reaktance proklizanja, ali sada ćemo razmotriti transformator sa unutrašnjim otporom u vijkovima, ali bez reaktance proklizanja. Budući da su vijci otporni, dobiće se pad napona u vijkovima.

Dokazali smo ranije da je ukupna primarna struja iz izvora pod opterećenjem I1. Pad napona u primarnom vijku sa otporom R1 je R1I1. Očigledno, inducirani EMF preko primarnog vijka E1, nije tačno jednak izvornom naponu V1. E1 je manji od V1 za pad napona I1R1.

Ponovo u slučaju sekundarne strane, napon induciran preko sekundarnog vijka, E2, ne pojaviće se u potpunosti preko opterećenja, jer takođe pada za I2R2, gde je R2 sekundarni otpor vijka, a I2 je sekundarna struja ili struja opterećenja.

Slično tome, jednačina napona sekundarne strane transformatora će biti:

Teorija transformatora pod opterećenjem, sa otporom i reaktancijom proklizanja

Sada ćemo razmotriti situaciju kada postoji reaktancija proklizanja transformatora, kao i otpor vijaka transformatora.

Neka su reaktancije proklizanja primarnog i sekundarnog vijka transformatora X1 i X2 redom. Stoga se ukupni impedansi primarnog i sekundarnog vijka transformatora sa otpori R1 i R2 redom mogu predstaviti kao,

Već smo utvrdili jednačinu napona transformatora pod opterećenjem, sa samo otporima u vijkovima, gde padovi napona u vijkovima nastaju samo zbog otpornih padova napona.

Ali kada uzmemo u obzir reaktanciju proklizanja vijkovima transformatora, pad napona u vijkovima nastaje ne samo zbog otpora, već i zbog impedansa vijkovima transformatora. Stoga se stvarna jednačina napona transformatora lako može odrediti zamjenom otpora R1 & R2 u prethodno utvrđenim jednačinama napona sa Z1 i Z2.

Stoga su jednačine napona,

Padovi otpora su u pravcu vektora struje. Ali reaktivni pad će biti okomit na vektor struje, kako je prikazano u gornjem vektorskom dijagramu transformatora.