Działanie transformatora mocy dla obciążeń czynnych, indukcyjnych i pojemnościowych

Transformator to maszyna elektryczna, która przetwarza prąd przemienny o jednym napięciu na prąd przemienny o innym napięciu. Zasada działania transformatora opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

Pierwsze sieci elektroenergetyczne wykorzystywały prąd stały. Napięcie w sieciach zależy od zdolności izolacyjnej zastosowanych materiałów i zwykle wynosi 110 V.

Wraz ze wzrostem mocy przesyłowych sieci konieczne stało się zwiększenie przekrojów przewodów, aby straty napięciowe pozostały w dopuszczalnych granicach.

I dopiero wynalezienie transformatora umożliwiło ekonomiczne wytwarzanie energii elektrycznej w dużych elektrowniach, przesyłanie jej wysokim napięciem na duże odległości, a następnie obniżenie napięcia do bezpiecznej wartości przed dostarczeniem energii elektrycznej do odbiorców.

Bez transformatorów dzisiejsze struktury sieci elektroenergetycznych z ich wysokimi i bardzo wysokimi, średnimi i niskimi poziomami napięcia po prostu nie byłyby możliwe. Transformatory są stosowane zarówno w jednofazowych, jak i trójfazowych sieciach elektrycznych.

Działanie trójfazowego transformatora mocy różni się znacznie w zależności od obsługiwanego obciążenia — aktywnego, indukcyjnego lub pojemnościowego. W warunkach rzeczywistych obciążenie transformatora jest obciążeniem czynno-indukcyjnym.

Rysunek 1 — Trójfazowy transformator mocy

1. Aktywny tryb obciążenia

W tym trybie napięcie uzwojenia pierwotnego jest zbliżone do znamionowego U1 = U1nom, prąd uzwojenia pierwotnego I1 jest określony przez obciążenie transformatora, a prąd wtórny przez prąd znamionowy I2nom = P2 / U2nom.

Zgodnie z danymi pomiarowymi sprawność transformatora określa się analitycznie:

Sprawność = P2 / P1,

gdzie P1 to moc czynna uzwojenia pierwotnego transformatora, P2 to moc dostarczona do obwodu zasilającego przez uzwojenie wtórne transformatora.

Zależność sprawności transformatora w zależności od prądu względnego uzwojenia pierwotnego pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2 — Zależność sprawności transformatora od względnego prądu uzwojenia pierwotnego

W trybie obciążenia czynnego wektor prądu uzwojenia wtórnego jest współrozszerzalny z wektorem napięcia uzwojenia wtórnego, dlatego wzrost prądu obciążenia powoduje spadek napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora.

Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć dla tego typu obciążenia transformatora pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3 — Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć obciążenia czynnego transformatora

2. Tryb pracy dla obciążenia indukcyjnego

W trybie obciążenia indukcyjnego wektor prądu uzwojenia wtórnego jest opóźniony o 90 stopni względem wektora napięcia uzwojenia wtórnego. Spadek wartości indukcyjności podłączonej do uzwojenia wtórnego transformatora powoduje wzrost prądu obciążenia, co skutkuje spadkiem napięcia wtórnego.

Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć dla tego typu obciążenia transformatora pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4 — Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć transformatora w trybie obciążenia indukcyjnego

3. Tryb pracy z obciążeniem pojemnościowym

W trybie obciążenia pojemnościowego wektor prądu uzwojenia wtórnego wyprzedza wektor napięcia uzwojenia wtórnego o 90 stopni. Wzrost pojemności podłączonej do uzwojenia wtórnego transformatora powoduje wzrost prądu obciążenia, co skutkuje wzrostem napięcia wtórnego.

Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć dla tego typu obciążenia transformatora pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5 — Uproszczony schemat wektorowy prądów i napięć w trybie obciążenia pojemnościowego transformatora