Krafttransformatordrift för aktiva, induktiva och kapacitiva laster
En transformator är en elektrisk maskin som omvandlar växelström av en spänning till växelström av en annan spänning. Funktionsprincipen för transformatorn är baserad på fenomenet elektromagnetisk induktion.
De första elektriska kraftöverföringsnäten använde likström. Spänningen i nätverken beror på isoleringsförmågan hos de material som används och är vanligtvis 110 V.
Med ökningen av överföringseffekten i nätverken blev det nödvändigt att öka ledningarnas tvärsnitt för att spänningsförlusterna skulle hålla sig inom de tillåtna gränserna.
Och endast uppfinningen av transformatorn gjorde det möjligt att ekonomiskt generera elektrisk energi i stora kraftverk, överföra den med hög spänning över långa avstånd och sedan minska spänningen till ett säkert värde innan el levereras till konsumenterna.
Utan transformatorer skulle dagens elnätsstrukturer med sina höga och ultrahöga, mellan- och lågspänningsnivåer helt enkelt inte vara möjliga. Transformatorer används i både enfasiga och trefasiga elektriska nätverk.
Driften av en trefas krafttransformator varierar mycket beroende på vilken belastning den är aktiv, induktiv eller kapacitiv. Under verkliga förhållanden är transformatorbelastningen en aktiv-induktiv last.
Figur 1 — Trefas krafttransformator
1. Aktivt laddningsläge
I detta läge är primärlindningsspänningen nära den nominella U1 = U1nom, primärlindningsströmmen I1 bestäms av transformatorbelastningen och sekundärströmmen bestäms av den nominella strömmen I2nom = P2 / U2nom.
Enligt mätdata bestäms transformatorns effektivitet analytiskt:
Effektivitet = P2 / P1,
där P1 är den aktiva effekten av transformatorns primärlindning, P2 är den effekt som tillförs matningskretsen av transformatorns sekundärlindning.
Beroendet av transformatorns effektivitet beroende på primärlindningens relativa ström visas i figur 2.
Figur 2 — Transformatorverkningsgradens beroende av primärlindningens relativa ström
I aktivt belastningsläge är sekundärlindningsströmvektorn lika omfattande med sekundärlindningsspänningsvektorn, därför orsakar en ökning av belastningsströmmen en minskning av spänningen vid terminalerna på transformatorns sekundärlindning.
Ett förenklat vektordiagram över strömmarna och spänningarna för denna typ av transformatorbelastning visas i figur 3.
Figur 3 — Förenklat vektordiagram över transformatorns aktiva lastströmmar och spänningar
2. Driftläge för induktiv last
I induktivt belastningsläge släpar sekundärlindningsströmvektorn efter sekundärlindningsspänningsvektorn med 90 grader. En minskning av värdet på induktansen kopplad till transformatorns sekundärlindning gör att belastningsströmmen ökar, vilket resulterar i en minskning av sekundärspänningen.
Ett förenklat vektordiagram över strömmarna och spänningarna för denna typ av transformatorbelastning visas i figur 4.
Figur 4 — Förenklat vektordiagram över transformatorströmmar och spänningar i induktivt belastningsläge
3. Driftsätt med kapacitiv belastning
I kapacitivt belastningsläge ligger sekundärlindningens strömvektor 90 grader före spänningsvektorn för sekundärlindningen. En ökning av kapacitansen kopplad till transformatorns sekundärlindning gör att belastningsströmmen ökar, vilket resulterar i en ökning av sekundärspänningen.
Ett förenklat vektordiagram över strömmarna och spänningarna för denna typ av transformatorbelastning visas i figur 5.
Figur 5 — Förenklat vektordiagram över transformatorns kapacitiva lastlägesströmmar och spänningar