Efficienza del trasformatore

Introduzione all'efficienza del trasformatore

I trasformatori costituiscono il collegamento più importante tra i sistemi di alimentazione e il carico. L'efficienza del trasformatore influenza direttamente le sue prestazioni e l'invecchiamento. In generale, l'efficienza del trasformatore si trova nell'intervallo del 95-99%. Per i grandi trasformatori di potenza con perdite molto basse, l'efficienza può raggiungere fino al 99,7%. Le misurazioni in ingresso e in uscita del trasformatore non vengono effettuate sotto condizioni di carico, poiché le letture dei wattmetri inevitabilmente subiscono errori del 1-2%. Pertanto, per i calcoli di efficienza, si utilizzano i test OC e SC per calcolare le perdite nominali del nucleo e delle bobine del trasformatore. Le perdite nel nucleo dipendono dalla tensione nominale del trasformatore, mentre le perdite nei cavi dipendono dalle correnti che passano attraverso le bobine primarie e secondarie del trasformatore. Di conseguenza, l'efficienza del trasformatore è di fondamentale importanza per farlo funzionare in condizioni di tensione e frequenza costanti. L'aumento della temperatura del trasformatore a causa del calore generato influisce sulla durata delle proprietà dell'olio del trasformatore e determina il tipo di metodo di raffreddamento adottato. L'aumento della temperatura limita la capacità del dispositivo. L'efficienza del trasformatore è semplicemente data da:

• La potenza in uscita è il prodotto della frazione del carico nominale (volt-ampere) e del fattore di potenza del carico.

• Le perdite sono la somma delle perdite nei cavi nelle bobine + le perdite nel nucleo + le perdite dielettriche + le perdite di carico striscio.

• Le perdite nel nucleo includono le perdite di isteresi e di corrente indotta nel trasformatore. Queste perdite dipendono dalla densità di flusso all'interno del nucleo. Matematicamente,
  Perdita di isteresi :
  
  Perdita di corrente indotta :
  
  Dove kh e ke sono costanti, Bmax è la densità di campo magnetico picco, f è la frequenza della sorgente, e t è lo spessore del nucleo. Il potere 'n' nella perdita di isteresi è noto come costante di Steinmetz, il cui valore può essere quasi 2.
  

• Le perdite dielettriche avvengono all'interno dell'olio del trasformatore. Per i trasformatori a bassa tensione, possono essere trascurate.

• Il flusso di dispersione si collega alla cornice metallica, al serbatoio, ecc., per produrre correnti indotte e sono presenti intorno al trasformatore, quindi chiamate perdite di carico striscio, e dipendono dalla corrente di carico e quindi chiamate 'perdite di carico striscio.' Possono essere rappresentate da resistenze in serie alla reattività di dispersione.

Calcolo dell'efficienza del trasformatore

Il circuito equivalente del trasformatore riferito al lato primario è mostrato di seguito. Qui Rc tiene conto delle perdite nel nucleo. Utilizzando il test a corto circuito (SC), possiamo trovare la resistenza equivalente che tiene conto delle perdite nei cavi come

Definiamo x% come la percentuale del carico completo o nominale 'S' (VA) e sia Pcufl(watt) la perdita completa nei cavi a carico pieno e cosθ il fattore di potenza del carico. Inoltre, abbiamo definito Pi (watt) come perdita nel nucleo. Poiché le perdite nei cavi e nel nucleo sono le principali perdite nel trasformatore, solo questi due tipi di perdite vengono considerati durante il calcolo dell'efficienza. Allora l'efficienza del trasformatore può essere scritta come :

Dove, x2Pcufl = perdita nei cavi (Pcu) a qualsiasi carico x% del carico pieno.
L'efficienza massima (ηmax) si verifica quando le perdite variabili sono uguali alle perdite costanti. Poiché la perdita nei cavi dipende dal carico, è una quantità di perdita variabile. E la perdita nel nucleo viene considerata una quantità costante. Quindi, la condizione per l'efficienza massima è :

Ora possiamo scrivere l'efficienza massima come :

Questo mostra che possiamo ottenere l'efficienza massima a carico pieno con una selezione appropriata delle perdite costanti e variabili. Tuttavia, è difficile ottenere l'efficienza massima poiché le perdite nei cavi sono molto superiori alle perdite fisse nel nucleo.
La variazione dell'efficienza con il carico può essere rappresentata dalla figura seguente :

Possiamo vedere dalla figura che l'efficienza massima si verifica con un fattore di potenza unitario. E l'efficienza massima si verifica allo stesso carico indipendentemente dal fattore di potenza del carico.

Efficienza giornaliera del trasformatore