کارایی ترانسفورماتور

توضیح کارایی ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها مهم‌ترین پیوند بین سیستم‌های تأمین و بار هستند. کارایی ترانسفورماتور مستقیماً بر عملکرد و پیری آن تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، کارایی ترانسفورماتور در محدوده ۹۵ تا ۹۹٪ است. برای ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ با تلفات بسیار کم، کارایی می‌تواند تا ۹۹.۷٪ بالا رود. اندازه‌گیری‌های ورودی و خروجی ترانسفورماتور تحت شرایط بارگذاری انجام نمی‌شود زیرا خوانده‌های وات‌متر حتماً دارای خطاهای ۱ تا ۲٪ هستند. بنابراین برای محاسبه کارایی، آزمایش‌های OC و SC برای محاسبه تلفات هسته و سیم‌پیچ ترانسفورماتور استفاده می‌شود. تلفات هسته به ولتاژ اسمی ترانسفورماتور بستگی دارد و تلفات مس به جریان‌های عبوری از سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور بستگی دارد. بنابراین کارایی ترانسفورماتور برای عملکرد آن تحت شرایط ولتاژ و فرکانس ثابت بسیار مهم است. افزایش دما در ترانسفورماتور به دلیل تولید گرما، خواص روغن ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و نوع روش خنک‌سازی را تعیین می‌کند. افزایش دما محدودیت‌هایی برای ظرفیت تجهیزات ایجاد می‌کند. کارایی ترانسفورماتور به صورت ساده به صورت زیر محاسبه می‌شود:

• توان خروجی محصول کسری بارگذاری اسمی (ولت-آمپر) و عامل توان بار است

• تلفات مجموع تلفات مس در سیم‌پیچ‌ها + تلفات آهن + تلفات دی الکتریک + تلفات بار جانبی است.

• تلفات آهن شامل تلفات هیستریس و جریان‌های القایی در ترانسفورماتور است. این تلفات به چگالی مغناطیسی داخل هسته بستگی دارد. ریاضیاً،
  تلفات هیستریس :
  
  تلفات جریان‌های القایی :
  
  که kh و ke ثابت‌ها هستند، Bmax چگالی مغناطیسی حداکثر است، f فرکانس منبع است و t ضخامت هسته است. توان 'n' در تلفات هیستریس به عنوان ثابت استاینمتز شناخته می‌شود که مقدار آن تقریباً ۲ است.
  

• تلفات دی الکتریک در روغن ترانسفورماتور اتفاق می‌افتد. برای ترانسفورماتورهای ولتاژ پایین، می‌توان از آن صرف نظر کرد.

• فلاکس‌های گمشده به قاب فلزی، مخزن و غیره متصل می‌شوند تا جریان‌های القایی ایجاد کنند و در تمامی نقاط ترانسفورماتور وجود دارند، بنابراین به آن تلفات بار جانبی گفته می‌شود و به جریان بار بستگی دارد. می‌توان آن را با مقاومت سری به واکنش‌پذیری گمشده نمایش داد.

محاسبه کارایی ترانسفورماتور

مدار معادل ترانسفورماتور که به سمت اولیه ارجاع می‌شود در زیر نمایش داده شده است. در اینجا Rc برای تلفات هسته حساب می‌شود. با استفاده از آزمایش کوتاه‌مدار (SC)، می‌توان مقاومت معادل برای تلفات مس را به دست آورد

بیایید x% را به عنوان درصد بار کامل یا اسمی 'S' (VA) تعریف کنیم و Pcufl(وات) را به عنوان تلفات مس کامل بار و cosθ را به عنوان عامل توان بار تعریف کنیم. همچنین، Pi(وات) را به عنوان تلفات هسته تعریف کنیم. چون تلفات مس و آهن تلفات اصلی در ترانسفورماتور هستند، فقط این دو نوع تلفات در محاسبه کارایی در نظر گرفته می‌شوند. بنابراین، کارایی ترانسفورماتور می‌تواند به صورت زیر نوشته شود:

که، x2Pcufl = تلفات مس (Pcu) در هر بارگذاری x% از بار کامل.
کارایی ماکزیمم (ηmax) زمانی رخ می‌دهد که تلفات متغیر با تلفات ثابت برابر شوند. چون تلفات مس به بار بستگی دارد، بنابراین یک مقدار تلفات متغیر است. و تلفات هسته به عنوان مقدار ثابت در نظر گرفته می‌شود. بنابراین شرط کارایی ماکزیمم به صورت زیر است:

حالا می‌توانیم کارایی ماکزیمم را به صورت زیر بنویسیم:

این نشان می‌دهد که می‌توانیم با انتخاب صحیح تلفات ثابت و متغیر، کارایی ماکزیمم را در بار کامل به دست آوریم. با این حال، به دلیل اینکه تلفات مس بسیار بیشتر از تلفات هسته ثابت است، به دست آوردن کارایی ماکزیمم دشوار است.
تغییر کارایی با بارگذاری می‌تواند با نمودار زیر نشان داده شود: