Λειτουργία μετασχηματιστή ισχύος για ενεργά, επαγωγικά και χωρητικά φορτία

Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική μηχανή που μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα μιας τάσης σε εναλλασσόμενο ρεύμα μιας άλλης τάσης. Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Τα πρώτα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούσαν συνεχές ρεύμα. Η τάση στα δίκτυα εξαρτάται από τη μονωτική ικανότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται και είναι συνήθως 110 V.

Με την αύξηση της ισχύος μετάδοσης των δικτύων έγινε απαραίτητη η αύξηση της διατομής των καλωδίων για να παραμείνουν οι απώλειες τάσης στα επιτρεπτά όρια.

Και μόνο η εφεύρεση του μετασχηματιστή κατέστησε δυνατή την οικονομική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, τη μετάδοση της σε υψηλή τάση σε μεγάλες αποστάσεις και στη συνέχεια τη μείωση της τάσης σε ασφαλή τιμή πριν από την παράδοση ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές.

Χωρίς μετασχηματιστές, οι σημερινές δομές του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με τα υψηλά και υπερ-υψηλά, μεσαίας και χαμηλής τάσης επίπεδα απλά δεν θα ήταν δυνατά. Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται τόσο σε μονοφασικά όσο και σε τριφασικά ηλεκτρικά δίκτυα.

Η λειτουργία ενός τριφασικού μετασχηματιστή ισχύος ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το φορτίο που λειτουργεί—ενεργό, επαγωγικό ή χωρητικό. Σε πραγματικές συνθήκες, το φορτίο του μετασχηματιστή είναι ένα ενεργό-επαγωγικό φορτίο.

Εικόνα 1 — Τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος

1. Λειτουργία ενεργού φορτίου

Σε αυτή τη λειτουργία, η τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος είναι κοντά στην ονομαστική U1 = U1nom, το πρωτεύον ρεύμα περιέλιξης I1 καθορίζεται από το φορτίο του μετασχηματιστή και το δευτερεύον ρεύμα καθορίζεται από το ονομαστικό ρεύμα I2nom = P2 / U2nom.

Σύμφωνα με τα δεδομένα μέτρησης, η απόδοση του μετασχηματιστή προσδιορίζεται αναλυτικά:

Απόδοση = P2 / P1,

όπου P1 είναι η ενεργός ισχύς του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή, P2 είναι η ισχύς που παρέχεται στο κύκλωμα τροφοδοσίας από το δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή.

Η εξάρτηση της απόδοσης του μετασχηματιστή ανάλογα με το σχετικό ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος φαίνεται στο σχήμα 2.

Σχήμα 2 — Εξάρτηση της απόδοσης του μετασχηματιστή από το σχετικό ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος

Στη λειτουργία ενεργού φορτίου, το διάνυσμα ρεύματος δευτερεύουσας περιέλιξης είναι συνεκτεινόμενο με το διάνυσμα τάσης δευτερεύουσας περιέλιξης, επομένως μια αύξηση στο ρεύμα φορτίου προκαλεί μείωση της τάσης στους ακροδέκτες της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή.

Ένα απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα των ρευμάτων και των τάσεων για αυτόν τον τύπο φορτίου μετασχηματιστή φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3 — Απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων και τάσεων ενεργού φορτίου μετασχηματιστή

2. Τρόπος λειτουργίας για επαγωγικό φορτίο

Στη λειτουργία επαγωγικού φορτίου, το διάνυσμα ρεύματος δευτερεύουσας περιέλιξης υστερεί κατά 90 μοίρες από το διάνυσμα τάσης της δευτερεύουσας περιέλιξης. Η μείωση της τιμής της αυτεπαγωγής που συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή προκαλεί αύξηση του ρεύματος φορτίου, με αποτέλεσμα τη μείωση της δευτερεύουσας τάσης.

Ένα απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα των ρευμάτων και των τάσεων για αυτόν τον τύπο φορτίου μετασχηματιστή φαίνεται στο Σχήμα 4.

Σχήμα 4 — Απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων και τάσεων μετασχηματιστή σε λειτουργία επαγωγικού φορτίου

3. Τρόπος λειτουργίας με χωρητικό φορτίο

Στη λειτουργία χωρητικού φορτίου, το διάνυσμα ρεύματος της δευτερεύουσας περιέλιξης είναι μπροστά από το διάνυσμα τάσης της δευτερεύουσας περιέλιξης κατά 90 μοίρες. Η αύξηση της χωρητικότητας που συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή προκαλεί αύξηση του ρεύματος φορτίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της δευτερεύουσας τάσης.

Ένα απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα των ρευμάτων και των τάσεων για αυτόν τον τύπο φορτίου μετασχηματιστή φαίνεται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5 — Απλοποιημένο διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων και τάσεων λειτουργίας χωρητικού φορτίου μετασχηματιστή