Regimul de functionare in gol al transformatoarelor electrice

Regimul de functionare in gol al transformatoarelor electrice

Transformatorul se afla in regim de functionare in gol, cand infasurarii pri-mare i se aplica tensiunea nominala, iar infasurarea lui secundara este deschisa, adica nu trece curent prin ea (i₂=0, contactorul de sarcina k_S este deschis, ). In acest regim nu se cedeaza energie electrica prin transformator catre consuma-tori, adica transformatorul functioneaza in gol.

In fig.2.4 se prezinta schema de principiu a transformatorului in regim de functionare in gol. Datorita faptului ca infasurarea secundara este deschisa (i₂=0), in acest regim transformatorul in fond reprezinta o bobina cu miez magnetic co-nectata la reteaua de tensiune alternativ sinusoidala u₁. Prezenta insa a doua infasurari deter-mina descompunerea fluxului magnetic, creat de infasurarea primara a transfor-matorului, in doua fluxuri - fluxul magnetic de baza si fluxul de dispersie. Fluxul este flux de inductie mutuala ce se inchide prin miezul magnetic si in-duce in infasurarile primara si secundara ale transformatorului, in mod corespun-zator t.e.m. de autoinductie E₁ si t.e.m. de inductie mutuala E₂, care sunt defazate in urma lui () cu 90.

Fluxul de dispersie si fluxul magnetic se creaza de una si aceeasi t.m.m. w₁i₁₀, iar fluxul este mult mai mic decat . Aceasta este asa, intrucat se inchide prin aer, adica prin mediu cu reluctanta magnetica mare si din acest motiv la functionarea in gol el este numai in jur de 0,25% din . Pe langa aceasta, fluxul este defazat in urma cu unghiul determinat fata de t.m.m. w₁i₁₀ (respectiv fata de curentul i₁₀), datorita pierderilor prin curenti turbionari si histerezis din circuitul magnetic (miezul magnetic al transformatorului). Fluxul , datorita absentei pierderilor in aer, este in faza cu t.m.m w₁i₁₀ (respectiv cu curentul i₁₀).

Fluxul de dispersie se inlantuie numai cu spirele infasurarii primare si induce in ea t.e.m. de dispersie, stabilita cu relatia:

(2.5)

Aceasta este t.e.m. de autoinductie. Fluxul total de dispersie este proportional cu curentul de functionare in gol i₁₀, adica:

de unde rezulta ca:

(2.7)

unde:

- inductivitatea de dispersie a infasurarii primare, constanta ca marime, deoarece fluxul se inchide prin aer.

T.e.m. indusa de fluxul de dispersie determina in mod corespunzator caderea inductiva de tensiune egala si de semn opus cu ea, adica. Daca se aplica metoda simbolica se obtine ca:

(2.8)

unde:

- reactanta de dispersie a infasurarii primare.

Infasurarea primara prezinta rezistenta R₁, si in acest caz, daca sunt cunoscute R₁ si , se poate stabili schema echivalenta a transformatorului la functionarea in gol, care contine numai parametrii infasurarii primare (fig.2.5).

Fig.2.5 Schema echivalenta a transformatorului la functionarea in gol

ce contine numai parametrii infasurarii primare

Daca se introduce curentul sinusoidal echivalent i₁₀, in schema echivalenta, potrivit legii a II-a lui Kirchhoff, se stabileste ecuatia de echilibru a valorilor momentane a t.e.m. si caderilor de tensiune:

de unde rezulta ca:

Prin utilizarea metodei simbolice, ecuatia (2.10) in forma complexa devine:

Dupa substituirea relatiei (2.8) in ecuatia (2.11) se obtine:

unde:

- impedanta complexa totala a infasurarii primare.

Ecuatia (2.12) permite a se construi diagrama fazoriala a transformatorului la functionarea in gol, care reprezinta rezolvarea grafica a acestei ecuatii (fig.2.7).

Fig.2.6 Diagrama fazoriala a transformatorului la functionarea in gol

Constructia diagramei fazoriale incepe de la fazorul fluxului magnetic de baza . Cu unghiul de 90 se traseaza in urma fazorului , fazorii t.e.m. in-duse. Curentul este defazat inaintea fluxului magnetic cu unghiul datorita pierderilor de energie din miezul magnetic si este in faza cu fluxul de dispersie, care se inchide in principal prin aer, unde nu exista pierderi. Cu unghiul de 90 in urma fazorului fluxului se traseaza fazorul t.e.m. de dispersie. In continuare, pentru obtinerea fazorului tensiunii , este necesar a se continua constructia, ce reprezinta solutionarea grafica a ecuatiei (2.12).

In acest scop, fazorul ce reprezinta t.e.m. E₁, se construieste in sens invers (E₁ in ecuatia 2.12 este cu semnul minus), si lui i se adauga fazorul caderii active de tensiune pe rezistenta si fazorul caderii reactive de tensiune pe reactanta de dispersie . Caderea de tensiune este in faza cu curentul , iar caderea este defazata inainte cu 90. Fazorul caderii reactive de tensiune este egal ca marime si de sens invers fazorului ce reprezinta t.e.m..

Din diagrama fazoriala, se observa ca diferenta de faza dintre tensiunea U₁ si curentul este aproape egala cu 90. Prin urmare, transformatorul la functiona-rea in gol poate fi examinat ca consumator cu caracter aproape pur inductiv, ce inrautateste factorul de putere al retelei. Trebuie a se sublinia ca, curentul la functionarea in gol este mult mai mic decat curentul nominal I_1n adica .

Daca se are in vedere valoarea mica a curentului la functionarea in gol si ca rezistentele infasurarilor transformatorului sunt mult mai mici (in medie de trei ori mai mici decat reactantele), se observa ca in comparatie cu t.e.m. E₁ caderea de tensiune este sensibil mai mica. Sub alt aspect, este in jur de 0,25% , incat . In acest caz, caderile de tensiune pe rezistenta si pe reactanta infasurarii primare, se pot neglija, iar ecuatia (2.12) capata forma:

(2.13)

adica la functionarea in gol, tensiunea aplicata U₁ se echilibreaza aproape in intre-gime cu t.e.m. E₁. In baza acesteia, in fig.2.7 se prezinta digrama fazoriala simpli-ficata a transformatorului in regimul de functionare in gol.

Fig.2.7 Digrama fazoriala simplificata

a transformatorului in regimul de functionare in gol.

Fazorii t.e.m. E₁ si E₂ sunt in faza, deoarece ele sunt induse de unul si acelasi flux magnetic . Diferenta intre marimile lor se datoreaza numerelor de spire continute de infasurarile primara si secundara.

Deoarece in regimul de functionare in gol prin infasurarea secundara a trans-formatorului nu trece curent, in aceasta nu se obtine cadere de tensiune. Astfel, ten-siunea masurata la bornele infasurarii secundare este egala cu t.e.m. indusa, adica:

(2.14)

Daca se au in vedere egalitatile (2.13) si (2.14) pentru raportul de transfor-mare se obtine:

Pe aceasta dependenta se bazeaza determinarea experimentala a raportului de transformare. Din aceeasi dependenta (2.15) rezulta, ca in regimul de functio-nare in gol, transformatorul se poate utiliza pentru transformarea intr-un raport relativ exact a tensiunilor inalte in tensiuni mai joase in scopul realizarii masurarii lor cu voltmetre obisnuite. Transformatoarele special construite in acest scop se numesc transformatoare de masura a tensiunii. In practica, foarte adesea, pe langa aceste transformatoare in circuitele de inalta tensiune se includ diferite echipamente de protectie sau reglare.

In regimul de functionare in gol, transformatorul se poate examina ca consu-mator cu caracter aproape inductiv ce inrautateste factorul de putere al retelei. Datorita factorului de putere redus si curentului mic la functionarea in gol , puterea activa P=UI consumata de transformator in acest regim este mica. Deoarece in regimul de functionare in gol transformatorul nu cedeaza ener-gie catre consumatori (I₂=0), rezulta ca puterea activa P₁₀ absorbita din retea se pierde in transformator, adica P₁₀ reprezinta pierderile de putere activa din transformator la functionarea in gol.