Modos de funcionamiento del transformador

Dependiendo del valor de la carga, el transformador puede operar en tres modos:

1. Funcionamiento en vacío con resistencia de carga zn = ∞.

2. Cortocircuito en zn = 0.

3. Modo de carga a 0 <zn <∞.

Teniendo los parámetros del circuito equivalente, puede analizar cualquier modo de operación del transformador... Los parámetros en sí mismos se determinan en base a experimentos sin carga y de cortocircuito. En reposo, el devanado secundario del transformador está abierto.

Se realiza un ensayo de transformador en vacío para determinar la relación de transformación, las pérdidas de potencia en el acero y los parámetros de la rama magnetizante del circuito equivalente, generalmente realizado a la tensión nominal del devanado primario.

Para transformador monofásico en base a los datos de la prueba inactiva es posible calcular:

— factor de transformación

— porcentaje de corriente sin carga

¿La resistencia activa de la magnetización de la rama r0 está determinada por la condición

— resistencia total de la rama magnetizante

— resistencia inductiva de la rama magnetizante

El factor de potencia inactivo también se define a menudo como:

En algunos casos, la prueba sin carga se realiza para varios valores de la tensión del devanado primario: desde U1 ≈ 0.3U1n hasta U1 ≈ 1.1U1n. Con base en los datos obtenidos, se dibujan las características de reposo, que son la dependencia de P0, z0, r0 y cosφ en función del voltaje U1. Usando las características sin carga, es posible establecer los valores de las cantidades especificadas en cualquier valor del voltaje U1.

Para determinar la tensión de cortocircuito, se prueban las pérdidas en los devanados y las resistencias rk y xk en un cortocircuito. En este caso, dicho voltaje reducido se aplica al devanado primario para que las corrientes de los devanados del transformador en cortocircuito sean iguales a sus valores nominales, es decir, I1k = I1n, I2k = I2n. El voltaje del devanado primario, en el que se cumplen las condiciones especificadas, se denomina voltaje de cortocircuito nominal Ukn.

Dado que Ucn suele ser solo el 5-10 % de U1n, el flujo de inducción mutua del núcleo del transformador durante la prueba de cortocircuito es decenas de veces menor que en el modo nominal, y el acero del transformador no está saturado. Por tanto, se desprecian las pérdidas en el acero y se considera que toda la potencia Pcn suministrada al devanado primario se gasta en calentar los devanados y determina el valor de la resistencia activa de cortocircuito rc.

Durante el experimento se miden la tensión Ukn, la corriente I1k = I1n y la potencia Pkn de la bobina primaria. Con base en estos datos, puede determinar:

— porcentaje de tensión de cortocircuito

— resistencia de cortocircuito activa

— resistencias activas de los devanados primario y secundario reducido, aproximadamente igual a la mitad de la resistencia de cortocircuito

— impedancia de cortocircuito

— resistencia inductiva de cortocircuito

— resistencia inductiva del devanado primario y secundario reducido, aproximadamente igual a la mitad de la resistencia inductiva de cortocircuito

— resistencia del devanado secundario de un transformador real:

— tensión de cortocircuito porcentual inductiva, activa y total:

Modo de carga V es muy importante saber cómo los parámetros de carga afectan la eficiencia y la variación de voltaje en las terminales del devanado secundario.

La eficiencia del transformador es la relación entre la potencia activa entregada a la carga y la potencia activa suministrada al transformador.

La eficiencia del transformador es de gran importancia. Para transformadores de potencia de baja potencia, es de aproximadamente 0,95, y para transformadores con una capacidad de varias decenas de miles de kilovoltios-amperios, alcanza 0,995.

Determinar la eficiencia mediante la fórmula usando las potencias P1 y P2 medidas directamente da un gran error. Es más conveniente presentar esta fórmula en una forma diferente:

donde es la suma de pérdidas en el transformador.

Hay dos tipos de pérdidas en un transformador: pérdidas magnéticas causadas por el paso de flujo magnético a través del circuito magnético y pérdidas eléctricas resultantes del flujo de corriente a través de los devanados.

Dado que el flujo magnético del transformador en U1 = constante y el cambio de la corriente secundaria de cero a nominal prácticamente permanece constante, las pérdidas magnéticas en este rango de cargas también se pueden suponer constantes e iguales a las pérdidas sin carga.

Las pérdidas eléctricas en el cobre de los devanados ∆Pm son proporcionales al cuadrado de la corriente. Es conveniente expresarlas como pérdidas por cortocircuito Pcn obtenidas a corriente nominal,

donde β es el factor de carga,

Fórmulas de cálculo para determinar la eficiencia del transformador:

donde Sn es la potencia aparente nominal del transformador; φ2 es el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente en la carga.

La eficiencia máxima se puede encontrar igualando la primera derivada a cero. En este caso, encontramos que la eficiencia tiene valores máximos en tal carga cuando las pérdidas constantes (independientes de la corriente) P0 son iguales a las pérdidas alternas (dependientes de la corriente), de donde

Para transformadores de aceite de potencia modernos βopt = 0,5 — 0,7. Con tal carga, el transformador funciona con mayor frecuencia durante la operación.

La gráfica de la dependencia η = f (β) se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Curva de cambio en la eficiencia del transformador en función del factor de carga

Para determinar el cambio porcentual en el voltaje secundario de un transformador monofásico, use la ecuación

donde uKA y uKR son los componentes activo y reactivo de la tensión de cortocircuito, expresados ​​en porcentaje.

El cambio en el voltaje del transformador depende del factor de carga (β), su naturaleza (ángulo φ2) y los componentes del voltaje de cortocircuito (uKA y uKR).

Características externas del transformador es la dependencia en U1 = const y cosφ2 = const (Figura 2).

Figura 2. Características externas de transformadores de media y alta potencia para diferentes tipos de carga