Funcionament del transformador de potència per a càrregues actives, inductives i capacitives
Un transformador és una màquina elèctrica que converteix el corrent altern d'una tensió en corrent altern d'una altra tensió. El principi de funcionament del transformador es basa en el fenomen de la inducció electromagnètica.
Les primeres xarxes de transmissió d'energia elèctrica utilitzaven corrent continu. La tensió a les xarxes depèn de la capacitat d'aïllament dels materials utilitzats i sol ser de 110 V.
Amb l'augment de la potència de transmissió de les xarxes, es va fer necessari augmentar la secció transversal dels cables per tal que les pèrdues de tensió es mantinguessin dins dels límits permesos.
I només la invenció del transformador va permetre generar econòmicament energia elèctrica en grans centrals elèctriques, transmetre-la a alta tensió a llargues distàncies i després reduir la tensió a un valor segur abans de lliurar electricitat als consumidors.
Sense transformadors, les estructures de xarxa elèctrica actuals amb els seus nivells de tensió alt i ultra alt, mitjà i baix simplement no serien possibles. Els transformadors s'utilitzen tant en xarxes elèctriques monofàsiques com trifàsiques.
El funcionament d'un transformador de potència trifàsic varia molt segons la càrrega que està operant: activa, inductiva o capacitiva. En condicions reals, la càrrega del transformador és una càrrega activa-inductiva.
Figura 1 — Transformador de potència trifàsic
1. Mode de càrrega activa
En aquest mode, la tensió del bobinat primari és propera al nominal U1 = U1nom, el corrent del bobinat primari I1 es determina per la càrrega del transformador i el corrent secundari està determinat pel corrent nominal I2nom = P2 / U2nom.
Segons les dades de mesura, l'eficiència del transformador es determina analíticament:
Eficiència = P2 / P1,
on P1 és la potència activa del bobinatge primari del transformador, P2 és la potència subministrada al circuit d'alimentació pel bobinatge secundari del transformador.
La dependència de l'eficiència del transformador en funció del corrent relatiu del bobinatge primari es mostra a la figura 2.
Figura 2 — Dependència de l'eficiència del transformador del corrent relatiu del bobinat primari
En mode de càrrega activa, el vector de corrent del bobinatge secundari és coextens amb el vector de tensió del bobinatge secundari, per tant, un augment del corrent de càrrega provoca una disminució de la tensió als terminals del bobinatge secundari del transformador.
A la figura 3 es mostra un diagrama vectorial simplificat dels corrents i tensions per a aquest tipus de càrrega del transformador.
Figura 3 — Diagrama vectorial simplificat dels corrents i tensions de càrrega activa del transformador
2. Mode de funcionament per a càrrega inductiva
En el mode de càrrega inductiva, el vector de corrent del bobinatge secundari retarda el vector de tensió del bobinatge secundari en 90 graus. Una disminució del valor de la inductància connectada al bobinatge secundari del transformador fa que el corrent de càrrega augmenti, donant lloc a una disminució de la tensió secundària.
A la figura 4 es mostra un diagrama vectorial simplificat dels corrents i tensions per a aquest tipus de càrrega del transformador.
Figura 4 — Diagrama vectorial simplificat de corrents i tensions del transformador en mode de càrrega inductiva
3. Mode de funcionament amb càrrega capacitiva
En mode de càrrega capacitiva, el vector actual del bobinatge secundari està per davant del vector de tensió del bobinatge secundari en 90 graus. Un augment de la capacitat connectada al bobinatge secundari del transformador fa que el corrent de càrrega augmenti, donant lloc a un augment de la tensió secundària.
A la figura 5 es mostra un diagrama vectorial simplificat dels corrents i tensions per a aquest tipus de càrrega del transformador.
Figura 5 — Diagrama vectorial simplificat dels corrents i tensions del mode de càrrega capacitiva del transformador