Erőátviteli transzformátoros működés aktív, induktív és kapacitív terhelésekhez

A transzformátor olyan elektromos gép, amely az egyik feszültségű váltakozó áramot egy másik feszültségű váltakozó árammá alakítja. A transzformátor működési elve az elektromágneses indukció jelenségén alapul.

Az első villamos energiaátviteli hálózatok egyenáramot használtak. A hálózatok feszültsége a felhasznált anyagok szigetelőképességétől függ, és általában 110 V.

A hálózatok átviteli teljesítményének növekedésével szükségessé vált a vezetékek keresztmetszetének növelése, hogy a feszültségveszteségek a megengedett határokon belül maradjanak.

És csak a transzformátor feltalálása tette lehetővé az elektromos energia gazdaságos előállítását nagy erőművekben, nagy feszültséggel nagy távolságra történő továbbítását, majd a feszültség biztonságos értékre való csökkentését, mielőtt az áramot a fogyasztókhoz szállítanák.

Transzformátorok nélkül a mai elektromos hálózatok magas és ultramagas, közepes és alacsony feszültségszintjeikkel egyszerűen nem lennének megvalósíthatók. A transzformátorokat egyfázisú és háromfázisú elektromos hálózatokban egyaránt használják.

A háromfázisú teljesítménytranszformátor működése nagymértékben változik attól függően, hogy milyen terhelést működtet – aktív, induktív vagy kapacitív. Valós körülmények között a transzformátor terhelése aktív-induktív terhelés.

1. ábra – Háromfázisú transzformátor

1. Aktív terhelési mód

Ebben az üzemmódban a primer tekercs feszültsége közel van a névleges U1 = U1nom értékhez, az I1 primer tekercs áramát a transzformátor terhelése, a szekunder áramot pedig az I2nom = P2 / U2nom névleges áram határozza meg.

A mérési adatok alapján a transzformátor hatásfokát analitikusan határozzuk meg:

Hatékonyság = P2 / P1,

ahol P1 a transzformátor primer tekercsének aktív teljesítménye, P2 a tápáramkörre a transzformátor szekunder tekercsével biztosított teljesítmény.

A transzformátor hatásfokának a primer tekercs relatív áramától való függése a 2. ábrán látható.

2. ábra – A transzformátor hatásfokának függése a primer tekercs relatív áramától

Aktív terhelési módban a szekunder tekercs áramvektora egybeesik a szekunder tekercs feszültségvektorával, ezért a terhelési áram növekedése a feszültség csökkenését okozza a transzformátor szekunder tekercsének kivezetésein.

Az ilyen típusú transzformátorterhelés áramainak és feszültségeinek egyszerűsített vektordiagramja a 3. ábrán látható.

3. ábra – A transzformátor aktív terhelési áramainak és feszültségeinek egyszerűsített vektordiagramja

2. Üzemmód induktív terheléshez

Induktív terhelési módban a szekunder tekercs áramvektora 90 fokkal elmarad a szekunder tekercs feszültségvektorától. A transzformátor szekunder tekercsére kapcsolt induktivitás értékének csökkenése a terhelési áram növekedését okozza, ami a szekunder feszültség csökkenését eredményezi.

Az ilyen típusú transzformátorterhelés áramainak és feszültségeinek egyszerűsített vektordiagramja a 4. ábrán látható.

4. ábra – A transzformátoráramok és feszültségek egyszerűsített vektordiagramja induktív terhelési módban

3. Üzemmód kapacitív terheléssel

A kapacitív terhelési módban a szekunder tekercs áramvektora 90 fokkal megelőzi a szekunder tekercs feszültségvektorát. A transzformátor szekunder tekercsére csatlakoztatott kapacitás növekedése a terhelési áram növekedését okozza, ami a szekunder feszültség növekedését eredményezi.

Az ilyen típusú transzformátorterhelés áramainak és feszültségeinek egyszerűsített vektordiagramja az 5. ábrán látható.

5. ábra – A transzformátor kapacitív terhelési mód áramainak és feszültségeinek egyszerűsített vektordiagramja