26.2 : Układy równoważne dla praktycznych transformatorów

Praktyczne schematy zastępcze jednofazowych transformatorów dwuuzwojeniowych wykazują znaczne odchylenia od ich wersji idealnych ze względu na wrodzone właściwości rezystancji uzwojenia i skończoną przenikalność magnetyczną rdzenia. Właściwości te skutkują stratami mocy czynnej i biernej, co wpływa na wydajność transformatora. Zrozumienie tych odchyleń jest kluczowe dla projektowania bardziej wydajnych transformatorów.

W praktycznym transformatorze każde uzwojenie wykazuje rezystancję i reaktancję upływu. Rezystancja uzwojenia przyczynia się do strat rezystancyjnych, objawiających się jako ciepło, podczas gdy reaktancja upływu, związana ze strumieniem upływu, powoduje spadek napięcia i skutkuje utratą mocy biernej. Elementy te są modelowane szeregowo, przy czym każde uzwojenie znajduje się w obwodzie równoważnym transformatora, zapewniając dokładniejsze przedstawienie zachowania transformatora w warunkach obciążenia.

Skończona przenikalność magnetyczna rdzenia transformatora oznacza, że ​​wymagana jest niezerowa siła magnetomotoryczna (MMF), jak opisano w prawie Ohma dla obwodów magnetycznych. Wymaganie to skutkuje powstaniem prądu magnesującego, który jest niezbędny do ustalenia strumienia magnetycznego w rdzeniu. Gdy weźmie się pod uwagę napięcie indukowane w uzwojeniu pierwotnym, prąd magnesujący opóźnia się o 90 stopni względem napięcia indukowanego. Ta relacja jest reprezentowana przez induktor bocznikowy w obwodzie równoważnym, dokładnie modelujący składową mocy biernej wynikającą z namagnesowania rdzenia.

Straty rdzenia, głównie z powodu histerezy i prądów wirowych w materiale rdzenia, są reprezentowane przez rezystor bocznikowy w obwodzie równoważnym. Ten rezystor modeluje prąd strat rdzenia, który jest w fazie z napięciem indukowanym. Gdy prąd uzwojenia wtórnego wynosi zero, prąd pierwotny składa się z dwóch składników: prądu magnesującego i prądu strat rdzenia. Składniki te odpowiadają odpowiednio za straty mocy biernej i czynnej.

Aby zmniejszyć te straty, do materiału rdzenia często stosuje się stal stopową wysokiej jakości. Materiał ten ma lepsze właściwości magnetyczne, redukując straty histerezy i prądów wirowych, co poprawia wydajność transformatora.

Dla praktycznego transformatora można skonstruować trzy podstawowe alternatywne obwody zastępcze:

1. Gdy rezystancja i reaktancja upływu odnoszą się do uzwojenia pierwotnego.
2. Gdy dla uproszczenia zaniedbamy prąd wzbudzenia (sumę prądu magnesującego i prądu strat rdzenia).
3. Pomijając rezystancję uzwojeń, skupiamy się wyłącznie na elementach reaktywnych.

Każdy z tych obwodów równoważnych dostarcza wglądu w różne aspekty wydajności transformatora i upraszcza analizę dla konkretnych zastosowań. Poprzez zrozumienie i modelowanie tych nieidealnych cech inżynierowie mogą projektować transformatory, które lepiej spełniają wymagania różnych systemów elektrycznych.