Učinkovitost transformatora
Uvod u učinkovitost transformatora
Transformatori predstavljaju najvažniju vezu između sustava snabdijevanja i opterećenja. Učinkovitost transformatora direktno utječe na njegovu performansu i starenje. Općenito, učinkovitost transformatora se nalazi u rasponu od 95 – 99 %. Za velike snagačke transformatore s vrlo niskim gubitcima, učinkovitost može doseći do 99,7%. Mjerenja unosa i ispisa transformatora ne obavljaju se pod opterećenim uvjetima, jer čitači vataometara neizborno trpe greške od 1 – 2%. Stoga, za svrhe izračuna učinkovitosti, koriste se testovi OC i SC kako bi se izračunali nominalni gubici jezgra i ovoja u transformatoru. Gubici jezgra ovisi o nominalnom naponu transformatora, a bakrene gubitke o strujama kroz primarni i sekundarni ovoje transformatora. Stoga je učinkovitost transformatora od ključne važnosti za njegovo funkcioniranje pod konstantnim uvjetima napona i frekvencije. Povećanje temperature transformatora zbog generiranog toplinskog zračenja utječe na svojstva transformatorskog ulja i odlučuje o vrsti usvajane metode hlađenja. Povećanje temperature ograničava ocjenu opreme. Učinkovitost transformatora jednostavno se daje kao:
Izlazna snaga je proizvod razlomka nominalnog opterećenja (volt-amper) i faktora snage opterećenja.
Gubitci su zbroj bakrenih gubitaka u ovojima + željezni gubitak + dielektrični gubitak + strani gubitak opterećenja.
Željezni gubitci uključuju gubitke histerese i cirkularnih struja u transformatoru. Ovi gubitci ovisi o gustoći fluksa unutar jezgra. Matematički,
Gubitak histerese :
Gubitak cirkularnih struja :
gdje su kh i ke konstante, Bmax je maksimalna gustoća magnetskog polja, f je izvorna frekvencija, a t je debljina jezgra. Snaga 'n' u gubitku histerese poznata je kao Steinmetzova konstanta čija vrijednost može biti približno 2.
Dielektrični gubitci događaju se unutar transformatorskog ulja. Za transformatore s niskim napajanjem, oni se mogu zanemariti.
Strani fluks povezuje se s metalnim okvirom, rezervoarom itd. kako bi stvorio cirkularne struje i prisutni su diljem cijelog transformatora, stoga se zovu strani gubitak, a ovisi o strujama opterećenja, pa se naziva 'strani gubitak opterećenja.' Može se prikazati otpornikom u seriji s reaktancijom curenja.
Izračun učinkovitosti transformatora
Ekvivalentni krug transformatora referentni na primarnu stranu prikazan je ispod. Ovdje Rc računa gubitke jezgra. Koristeći test kratkog spoja (SC), možemo pronaći ekvivalentni otpor koji računa bakrene gubitke kao
Neka x% bude postotak punog ili nominalnog opterećenja 'S' (VA) i neka Pcufl(vat) bude bakreni gubitak punog opterećenja i cosθ bude faktor snage opterećenja. Također smo definirali Pi (vat) kao gubitak jezgra. Bakreni i željezni gubitci su glavni gubitci u transformatoru, stoga se samo ovi dvije vrste gubitaka uzimaju u obzir prilikom izračuna učinkovitosti. Tada se učinkovitost transformatora može napisati kao :
gdje x2Pcufl = bakreni gubitak (Pcu) na bilo kojem opterećenju x% punog opterećenja.
Maksimalna učinkovitost (ηmax) nastupa kada varijabilni gubitci jednaki su konstantnim gubitcima. Budući da bakreni gubitak ovisi o opterećenju, to je varijabilna količina gubitka. A gubitak jezgra smatra se konstantnom količinom. Stoga uvjet za maksimalnu učinkovitost jest :
Sada možemo napisati maksimalnu učinkovitost kao :
Ovo pokazuje da možemo postići maksimalnu učinkovitost na punom opterećenju pravilnim odabirom konstantnih i varijabilnih gubitaka. Međutim, teško je postići maksimalnu učinkovitost jer su bakreni gubitci mnogo veći od fiksiranih gubitaka jezgra.
Varijanca učinkovitosti s opterećenjem može se prikazati sljedećom slikom :
Možemo vidjeti iz slike da maksimalna učinkovitost nastupa kod faktora snage jednog. I maksimalna učinkovitost nastupa na istom opterećenju bez obzira na faktor snage opterećenja.
