Odbiorniki nieliniowe wywołują w zasilających je transformatorach energetycznych dodatkowe straty, które należy kompensować przez stosowanie miedzi zamiast aluminium (ze względu na jej wyższą przewodność elektryczną), odpowiednią konfigurację uzwojeń i przewymiarowanie.
Transformatory energetyczne są często stosowane do zasilania odbiorników nieliniowych takich, jak prostowniki statyczne, napędy z regulowaną prędkością i zasilacze elektroniczne. Podczas gdy napięcie zasilające jest sinusoidalne, to prądy płynące pod jego wpływem są odkształcone i oprócz składowej podstawowej zawierają wyższe harmoniczne. Prądy harmoniczne powodują dodatkowe straty i związane z nimi dodatkowe nagrzewanie, co ma wpływ na projektowanie i budowę transformatora.
Straty podstawowe i dodatkowe – podstawy teoretyczne
Straty czynne (I2R), stanowiące główną składową strat obciążeniowych, są łatwe do wyznaczenia, ponieważ zależą one od amplitudy a nie od częstotliwości prądu, zatem w celu wyliczenia całkowitych podstawowych strat obciążeniowych, mogą być sumowane arytmetycznie dla wszystkich harmonicznych.
Niemniej wyznaczenie dodatkowych strat obciążeniowych może być dosyć złożone. Rozkład prądu w przekroju poprzecznym przewodnika nie jest równomierny. Nierównomierność ta jest większa w pobliżu innych uzwojeń i zależy od takich czynników, jak przewodność, częstotliwość, geometria uzwojeń, odległości między uzwojeniami i cewkami, wymiary przekładek, itp. W wyniku tego efektywne pole przekroju poprzecznego przewodu ulega zmniejszeniu a jego rezystancja wzrasta.
Inne zjawiska wpływające na straty to: przepływ prądu między równoległymi sekcjami, niedokładna kompensacja amperozwojów, efekt zbliżenia i zjawisko naskórkowości, straty od składowej promieniowej strumienia rozproszenia i innych strumieni rozproszenia. Wszystkie te czynniki powodują, że teoretyczne wyznaczenie strat dodatkowych jest niezwykle trudnym zadaniem.
Straty dodatkowe – wyniki badań eksperymentalnych
W celu określenia i porównania odpowiednich składowych dodatkowych strat obciążeniowych przy prądach sinusoidalnych i niesinusoidalnych przeprowadzono badania eksperymentalne dwóch transformatorów różniących się konstrukcją, geometrią, konfiguracją uzwojeń, materiałem przewodzącym i materiałami izolacyjnymi. Oto trzy główne wnioski wynikające z tych badań:
- Dodatkowe straty obciążeniowe stanowią znaczącą część (do 20%) całkowitych strat obciążeniowych, zatem nie można ich pomijać;
- Dodatkowe straty obciążeniowe w transformatorach o podobnej wielkości zmieniają się w szerokim zakresie (do 3 krotnie) w zależności od konstrukcji transformatora;
- Przy prądach niesinusoidalnych dodatkowe straty obciążeniowe silnie wzrastają (do 2,5 krotnie).
Wnioski dla projektowania i budowy transformatora
Ponieważ dodatkowe straty obciążeniowe silnie zależą od geometrii transformatora, konfiguracji uzwojeń oraz materiału przewodzącego i materiałów izolacyjnych, należy w procesie projektowania poświęcić tym elementom szczególną uwagę zwłaszcza, jeżeli transformator ma być przeznaczony do zasilania odbiorników nieliniowych. W szczególności, rozkład prądu w przewodach miedzianych jest bardziej równomierny dzięki wyższej przewodności elektrycznej miedzi. Ponadto, transformator musi być odpowiednio przewymiarowany ze względu na dodatkowe nagrzewanie powodowane przez niesinusoidalne prądy pochodzące od nieliniowego obciążenia.
Literatura:
Losses due to poor PQ in Power Transformers, Angelo Baggini, Uniwersytet Bergamo, Włochy