変圧器の動作モード
負荷の値に応じて、変圧器は 3 つのモードで動作できます。
1. 負荷抵抗 zn = ∞ でのアイドル動作。
2. zn = 0 での短絡。
3. 0 <zn <∞ での充電モード。
等価回路のパラメータがあれば、変圧器のあらゆる動作モードを解析できます。パラメータ自体は無負荷および短絡実験に基づいて決定されます。アイドル時、変圧器の二次巻線はオープンです。
無負荷変圧器試験は、変圧比、鋼材の電力損失、等価回路の磁化分岐パラメータを決定するために実行され、通常は一次巻線の定格電圧で実行されます。
ために 単相変圧器 アイドル テストのデータに基づいて、次の計算が可能です。
— 変換係数
— 無負荷電流の割合
分岐磁化のアクティブ抵抗 r0 は条件によって決まります
— 磁化ブランチの合計抵抗
— 磁化ブランチの誘導抵抗
アイドル力率は、次のように定義されることもよくあります。
場合によっては、無負荷試験は、一次巻線電圧のいくつかの値（U1 ≈ 0.3U1n から U1 ≈ 1.1U1n）に対して実行されます。得られたデータに基づいて、電圧 U1 の関数としての P0、z0、r0、および cosφ の依存性であるアイドル特性が描画されます。無負荷特性を利用して、電圧U1の任意の値で指定された量の値を設定することが可能です。
短絡電圧を決定するには、巻線の損失と抵抗 rk および xk を短絡回路でテストします。この場合、短絡した変圧器巻線の電流が公称値、つまり I1k = I1n、I2k = I2n になるように、このような低減された電圧が 1 次巻線に印加されます。指定された条件が満たされる一次巻線の電圧は、公称短絡電圧 Ukn と呼ばれます。
Ucn が通常 U1n の 5 ～ 10% にすぎないことを考慮すると、短絡試験中の変圧器鉄心の相互誘導磁束は公称モードよりも数十倍小さく、変圧器鋼は飽和していません。したがって、鋼材の損失は無視され、一次巻線に供給される電力 Pcn はすべて巻線の加熱に費やされ、有効短絡抵抗 rc の値が決定されると考えられます。
実験中、一次コイルの電圧 Ukn、電流 I1k = I1n、および電力 Pkn が測定されます。このデータに基づいて、次のことを判断できます。
— 短絡電圧の割合
— アクティブ短絡抵抗
— 一次巻線と減少した二次巻線の有効抵抗、短絡抵抗のほぼ半分に等しい
— 短絡インピーダンス
— 短絡誘導抵抗
— 一次巻線と減少した二次巻線の誘導抵抗、短絡誘導抵抗の約半分に等しい
— 実際の変圧器の二次巻線の抵抗:
— 誘導性、アクティブ、および合計パーセンテージ短絡電圧:
V 負荷モードでは、負荷パラメータが二次巻線の端子の効率と電圧変動にどのような影響を与えるかを知ることが非常に重要です。
変圧器の効率は、負荷に供給される有効電力と変圧器に供給される有効電力の比です。
変圧器の効率は非常に重要です。低電力変圧器の場合、これは約 0.95 ですが、数万キロボルトアンペアの容量を持つ変圧器の場合、それは 0.995 に達します。
直接測定した電力 P1 と P2 を使用して式で効率を求めると、大きな誤差が生じます。この式を別の形式で表すとより便利です。
ここで、 は変圧器の損失の合計です。
変圧器には 2 種類の損失があります。磁気回路を磁束が通過することによって生じる磁気損失と、巻線を流れる電流によって生じる電気損失です。
U1 = const での変圧器の磁束と二次電流のゼロから公称値までの変化は実質的に一定のままであるため、この負荷範囲での磁気損失も一定で無負荷損失と等しいと仮定できます。
巻線の銅における電気損失 ΔPm は、電流の 2 乗に比例します。定格電流で得られる短絡損失 Pcn として表すと便利です。
ここで、β は負荷率、
変圧器の効率を決定するための計算式は次のとおりです。
ここで、Sn は変圧器の公称皮相電力です。 φ2 は負荷の電圧と電流間の位相角です。
最大効率は、一次微分値をゼロとみなすことによって見つけることができます。この場合、定数（電流に依存しない）損失P0が交流（電流に依存する）損失に等しいときに、そのような負荷で効率が最大値になることがわかります。
最新の電力用油変圧器の場合、βopt = 0.5 — 0.7。このような負荷では、変圧器は動作中に動作することがほとんどです。
依存性 η = f (β) のグラフを図 1 に示します。
図 1. 負荷率に応じた変圧器効率の変化曲線
単相変圧器の二次電圧の変化率を求めるには、次の式を使用します。
ここで、uKA と uKR は、パーセンテージで表された短絡電圧の有効成分と無効成分です。
変圧器電圧の変化は、負荷率 (β)、その性質 (角度 φ2)、および短絡電圧の成分 (uKA および uKR) によって決まります。
トランスの外観特性 は、U1 = const および cosφ2 = const における依存関係です (図 2)。
図 2. さまざまな種類の負荷に対する中出力および高出力トランスの外部特性