Funcționarea transformatorului de putere pentru sarcini active, inductive și capacitive
Un transformator este o mașină electrică care transformă curentul alternativ al unei tensiuni în curent alternativ al altei tensiuni. Principiul de funcționare al transformatorului se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică.
Primele rețele de transport de energie electrică foloseau curent continuu. Tensiunea din rețele depinde de capacitatea de izolație a materialelor utilizate și este de obicei de 110 V.
Odată cu creșterea puterii de transmisie a rețelelor, a devenit necesară creșterea secțiunii transversale a firelor pentru ca pierderile de tensiune să rămână în limitele admise.
Și numai invenția transformatorului a făcut posibilă generarea economică a energiei electrice în centralele mari, transmiterea acesteia la tensiune înaltă pe distanțe lungi și apoi reducerea tensiunii la o valoare sigură înainte de a livra energie electrică consumatorilor.
Fără transformatoare, structurile de rețea electrică de astăzi cu nivelurile lor de tensiune înaltă și ultra-înaltă, medie și joasă nu ar fi pur și simplu posibile. Transformatoarele sunt utilizate atât în rețelele electrice monofazate, cât și trifazate.
Funcționarea unui transformator de putere trifazat variază foarte mult în funcție de sarcina pe care o operează - activă, inductivă sau capacitivă. În condiții reale, sarcina transformatorului este o sarcină activ-inductivă.
Figura 1 — Transformator de putere trifazat
1. Modul de încărcare activă
În acest mod, tensiunea înfășurării primare este apropiată de valoarea nominală U1 = U1nom, curentul înfășurării primare I1 este determinat de sarcina transformatorului, iar curentul secundar este determinat de curentul nominal I2nom = P2 / U2nom.
Conform datelor de măsurare, eficiența transformatorului este determinată analitic:
Eficiență = P2 / P1,
unde P1 este puterea activă a înfășurării primare a transformatorului, P2 este puterea furnizată circuitului de alimentare de către înfășurarea secundară a transformatorului.
Dependența eficienței transformatorului în funcție de curentul relativ al înfășurării primare este prezentată în figura 2.
Figura 2 — Dependența eficienței transformatorului de curentul relativ al înfășurării primare
În modul de sarcină activă, vectorul de curent al înfășurării secundare este co-extensiv cu vectorul de tensiune al înfășurării secundare, prin urmare o creștere a curentului de sarcină determină o scădere a tensiunii la bornele înfășurării secundare ale transformatorului.
O diagramă vectorială simplificată a curenților și tensiunilor pentru acest tip de sarcină a transformatorului este prezentată în Figura 3.
Figura 3 — Diagrama vectorială simplificată a curenților și tensiunilor de sarcină activă a transformatorului
2. Mod de funcționare pentru sarcină inductivă
În modul de sarcină inductivă, vectorul de curent al înfășurării secundare întârzie vectorul de tensiune al înfășurării secundare cu 90 de grade. O scădere a valorii inductanței conectate la înfășurarea secundară a transformatorului determină creșterea curentului de sarcină, rezultând o scădere a tensiunii secundare.
O diagramă vectorială simplificată a curenților și tensiunilor pentru acest tip de sarcină a transformatorului este prezentată în Figura 4.
Figura 4 — Diagrama vectorială simplificată a curenților și tensiunilor transformatorului în modul de sarcină inductivă
3. Mod de operare cu sarcină capacitivă
În modul de sarcină capacitivă, vectorul curent al înfășurării secundare este înaintea vectorului de tensiune al înfășurării secundare cu 90 de grade. O creștere a capacității conectate la înfășurarea secundară a transformatorului determină creșterea curentului de sarcină, rezultând o creștere a tensiunii secundare.
O diagramă vectorială simplificată a curenților și tensiunilor pentru acest tip de sarcină a transformatorului este prezentată în Figura 5.
Figura 5 — Diagrama vectorială simplificată a curenților și tensiunilor în modul de sarcină capacitiv al transformatorului