Stany pracy transformatorów

Po włączeniu transformatora do sieci zasilającej wyróżnia się trzy charakterystyczne stany jego pracy, to jest stan jałowy, obciążenia oraz zwarcia. Transformator pracuje w stanie jałowym, jeśli obwód strony wtórnej jest otwarty, czyli gdy prąd wtórny jest równy zeru. Po włączeniu odbiornika transformator znajduje się w stanie obciążenia, przy czym zmniejszeniu impedancji odbiornika odpowiada zwiększenie prądu wtórnego. Transformator jest obciążony znamionowo, jeśli prąd wtórny jest równy prądowi znamionowemu. Jeśli prąd wtórny jest większy od prądu znamionowego, transformator jest przeciążony. Po zmniejszeniu impedancji obciążenia do zera, czyli po zwarciu uzwojenia wtórnego, następuje stan zwarcia transformatora.

Prąd pierwotny, nazywany prądem stanu jałowego Io1, rozkłada się na składową czynną IFe1 oraz składową bierną Iμ1. Pod wpływem strumienia Φ w uzwojeniu pierwotnym transformatora indukuje się siła elektromotoryczna E1 równa przeliczonej na stronę uzwojenia pierwotnego sile elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu wtórnym. Składową bierną prądu stanu jałowego, nazywa się prądem magnesującym, składową czynną prądu stanu jałowego reprezentują straty mocy w rdzeniu transformatora. Wstanie jałowym transformatora napięcie wtórne U20 jest równe sile elektromotorycznej E2 indukowanej w uzwojeniu wtórnym. W stanie jałowym transformatora wykonuje się pomiary przekładni napięciowej ϑu oraz strat w rdzeniu ΔPFe. Po zamknięciu obwodu wtórnego, przez zmianę impedancji obciążenia nastawia się wartość prądu obciążenia. Ponieważ przepływ wypadkowy jest sumą wektorową przepływu uzwojenia pierwotnego i wtórnego, o wartości prądu pierwotnego i napięcia wtórnego, przy stałej wartości napięcia pierwotnego, decyduje nie tylko wartość prądu wtórnego, ale również jego faza. Faza prądu wtórnego zależy wyłącznie od charakteru impedancji odbiornika. Dla utrzymania stałego poziomu napięcia, zapewniającego prawidłową pracę zasilanych odbiorników, niezbędne jest ciągłe nastawianie (regulacja) napięcia. Zwarciem transformatora nazywa się przypadek, w którym obwód wtórny transformatora jest zwarty. Rozróżnia się zwarcie ruchowe transformatora oraz zwarcie pomiarowe (próbę stanu zwarcia). Zwarcie ruchowe powstaje wówczas, gdy w transformatorze zasilanym napięciem znamionowym impedancja odbiornika w sposób nagły zmaleje do zera. Po zwarciu obwodu wtórnego, przez kilka lub kilkanaście okresów, trwa w transformatorze stan nieustalony (przejściowy), który przechodzi następnie w stan ustalony charakteryzujący się ustalonym prądem zwarcia. Wartość skuteczną ustalonego prądu zwarcia transformatora oblicza się ze wzoru:

Prąd stanu jałowego jest bardzo mały. Impedancję zwarcia transformatora wyznacza się na podstawie próby stanu zwarcia. Próba stanu zwarcia(zwarcie pomiarowe) przeprowadza się w taki sposób, że po zwarciu zacisków uzwojenia wtórnego uzwojenie pierwotne zasila się napięciem nastawnym od zera do takiej wartości, przy której przez uzwojenia transformatora przepływać będą prądy znamionowe. Napięcie pierwotne, przy którym przez uzwojenia zwartego transformatora przepływają prądy znamionowe In, nazywa się napięciem zwarcia transformatora, Uz, czyli:

Impedancja zwarcia transformatora zależy od rezystancji uzwojeń oraz reaktancji rozproszenia. Przy próbie zwarcia, przy pominięciu prądu stanu jałowego, przez uzwojenia przepływają prądy znamionowe, występują więc znamionowe straty mocy w uzwojeniach ΔPCun, które są równe znamionowym stratom mocy w stanie zwarcia. Znamionowe straty mocy w stanie zwarcia należą do charakterystycznych parametrów transformatora i są podawane jako wartości procentowe odniesione do mocy znamionowej transformatora. Po załączeniu transformatora do sieci zasilającej powstaje w transformatorze stan nieustalony, w czasie którego przez uzwojenie pierwotne płynie prąd załączania transformatora. Stan nieustalony powstaje również po zwarciu obwodu wtórnego transformatora pracującego przy znamionowym napięciu pierwotnym.