Modos de operação do transformador

Dependendo do valor da carga, o transformador pode operar em três modos:

1. Operação em marcha lenta na resistência de carga zn = ∞.

2. Curto-circuito em zn = 0.

3. Modo de carregamento em 0 <zn <∞.

Tendo os parâmetros do circuito equivalente, você pode analisar qualquer modo de operação do transformador... Os próprios parâmetros são determinados com base em experimentos sem carga e de curto-circuito. Em marcha lenta, o enrolamento secundário do transformador está aberto.

Um teste de transformador sem carga é realizado para determinar a relação de transformação, as perdas de potência no aço e os parâmetros do ramo magnetizante do circuito equivalente, geralmente realizado na tensão nominal do enrolamento primário.

Para transformador monofásico com base nos dados do teste de marcha lenta é possível calcular:

- fator de transformação

- porcentagem de corrente sem carga

A resistência ativa da magnetização do ramo r0 é determinada pela condição

— resistência total do ramo magnetizante

— resistência indutiva do ramo magnetizante

O fator de potência ocioso também é frequentemente definido como:

Em alguns casos, o teste sem carga é realizado para vários valores da tensão do enrolamento primário: de U1 ≈ 0,3U1n a U1 ≈ 1,1U1n. Com base nos dados obtidos, são traçadas as características de marcha lenta, que são a dependência de P0, z0, r0 e cosφ em função da tensão U1. Usando as características sem carga, é possível definir os valores das quantidades especificadas em qualquer valor da tensão U1.

Para determinar a tensão de curto-circuito, as perdas nos enrolamentos e as resistências rk e xk são testadas em um curto-circuito. Nesse caso, essa tensão reduzida é aplicada ao enrolamento primário para que as correntes dos enrolamentos do transformador em curto-circuito sejam iguais aos seus valores nominais, ou seja, I1k = I1n, I2k = I2n. A tensão do enrolamento primário, na qual as condições especificadas são atendidas, é chamada de tensão nominal de curto-circuito Ukn.

Dado que Ucn é geralmente apenas 5-10% de U1n, o fluxo de indução mútua do núcleo do transformador durante o teste de curto-circuito é dezenas de vezes menor do que no modo nominal, e o aço do transformador é insaturado. Portanto, as perdas no aço são desprezadas e considera-se que toda a potência Pcn fornecida ao enrolamento primário é gasta no aquecimento dos enrolamentos e determina o valor da resistência ativa de curto-circuito rc.

Durante o experimento, a tensão Ukn, a corrente I1k = I1n e a potência Pkn da bobina primária são medidas. Com base nesses dados, você pode determinar:

- porcentagem de tensão de curto-circuito

— resistência de curto-circuito ativa

— resistências ativas dos enrolamentos primário e secundário reduzido, aproximadamente iguais à metade da resistência de curto-circuito

- impedância de curto-circuito

- resistência indutiva de curto-circuito

— resistência indutiva do enrolamento primário e secundário reduzido, aproximadamente igual à metade da resistência indutiva de curto-circuito

— resistência do enrolamento secundário de um transformador real:

— tensão de curto-circuito indutiva, ativa e percentual total:

V modo de carga é muito importante saber como os parâmetros de carga afetam a eficiência e a variação de tensão nos terminais do enrolamento secundário.

A eficiência do transformador é a razão entre a potência ativa fornecida à carga e a potência ativa fornecida ao transformador.

A eficiência do transformador é de grande importância. Para transformadores de baixa potência, é de aproximadamente 0,95 e, para transformadores com capacidade de várias dezenas de milhares de quilovolts-ampères, chega a 0,995.

Determinar a eficiência pela fórmula usando potências medidas diretamente P1 e P2 dá um grande erro. É mais conveniente apresentar esta fórmula de uma forma diferente:

onde é a soma das perdas no transformador.

Existem dois tipos de perdas em um transformador: as perdas magnéticas causadas pela passagem do fluxo magnético pelo circuito magnético e as perdas elétricas resultantes do fluxo de corrente pelos enrolamentos.

Como o fluxo magnético do transformador em U1 = const e a mudança da corrente secundária de zero para nominal permanece praticamente constante, então as perdas magnéticas nessa faixa de cargas também podem ser consideradas constantes e iguais às perdas sem carga.

As perdas elétricas no cobre dos enrolamentos ∆Pm são proporcionais ao quadrado da corrente. É conveniente expressá-las como perdas de curto-circuito Pcn obtidas na corrente nominal,

onde β é o fator de carga,

Fórmulas de cálculo para determinar a eficiência do transformador:

onde Sn é a potência nominal aparente do transformador; φ2 é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente na carga.

A eficiência máxima pode ser encontrada igualando a primeira derivada a zero. Nesse caso, descobrimos que a eficiência tem valores máximos em tal carga quando as perdas constantes (independentes da corrente) P0 são iguais às perdas alternadas (dependentes da corrente), de onde

Para transformadores a óleo modernos, βopt = 0,5 — 0,7. Com essa carga, o transformador costuma funcionar durante a operação.

O gráfico da dependência η = f (β) é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Curva de variação da eficiência do transformador em função do fator de carga

Para determinar a variação percentual na tensão secundária de um transformador monofásico, use a equação

onde uKA e uKR são as componentes ativas e reativas da tensão de curto-circuito, expressas em porcentagem.

A variação da tensão do transformador depende do fator de carga (β), de sua natureza (ângulo φ2) e das componentes da tensão de curto-circuito (uKA e uKR).

Características externas do transformador é a dependência em U1 = const e cosφ2 = const (Figura 2).

Figura 2. Características externas de transformadores de média e alta potência para diferentes tipos de carga