Condizione del trasformatore sotto carico

Campo: Interruttore elettrico

China

Funzionamento del trasformatore in condizioni di carico

Quando un trasformatore è sotto carico, il suo avvolgimento secondario è collegato a un carico, che può essere resistivo, induttivo o capacitivo. Una corrente $I 2$ fluisce attraverso l'avvolgimento secondario, la cui intensità è determinata dalla tensione ai capi $V 2$ e dall'impedenza del carico. L'angolo di fase tra la corrente secondaria e la tensione dipende dalle caratteristiche del carico.

Spiegazione del funzionamento del trasformatore sotto carico

Il comportamento operativo di un trasformatore sotto carico è dettagliato come segue:

Quando il secondario del trasformatore è aperto, esso attrae una corrente a vuoto dalla rete principale. Questa corrente a vuoto induce una forza magnetomotrice $N 0 I 0$ , che stabilisce un flusso Φ nel nucleo del trasformatore. La configurazione del circuito del trasformatore in condizioni a vuoto è illustrata nel diagramma sottostante:

Interazione della corrente di carico del trasformatore

Quando un carico è collegato al secondario del trasformatore, una corrente $I 2$ fluisce attraverso l'avvolgimento secondario, inducendo una forza magnetomotrice (FMM) $N 2 I 2$ . Questa FMM genera un flusso ϕ2 nel nucleo, che si oppone al flusso originale ϕ secondo la legge di Lenz.

Differenza di fase e fattore di potenza nel trasformatore

La differenza di fase tra $V1$ e $I1$ definisce l'angolo del fattore di potenza ϕ1 sul lato primario del trasformatore. Il fattore di potenza sul lato secondario dipende dal tipo di carico connesso al trasformatore:

Per un carico induttivo (come mostrato nel diagramma fasore sopra), il fattore di potenza è sfasato.
Per un carico capacitivo, il fattore di potenza è anticipato.

La corrente primaria totale $I1$ è la somma vettoriale della corrente a vuoto $I0$ e della corrente di compensazione $I'1$ , cioè,

Diagramma fasore del trasformatore con carico induttivo

Il diagramma fasore di un trasformatore reale sotto carico induttivo è illustrato di seguito:

Passaggi per costruire il diagramma fasore

Prendere il flusso Φ come riferimento.
Le f.e.m. indotte $E 1$ e $E 2$ sono sfasate rispetto al flusso di 90°.
La componente di tensione applicata primaria che bilancia $E 1$ è denotata come $V' 1$ (cioè, $V'1 = -E1)$ .
La corrente a vuoto $I0$ è sfasata rispetto a $V' 1$ di 90°.
Per un carico con fattore di potenza sfasato, la corrente $I 2$ è sfasata rispetto a $E 2$ di un angolo ϕ₂.
La resistenza dell'avvolgimento e la reattanza di dispersione causano cali di tensione, rendendo la tensione ai capi secondari: $V 2 = E 2 − (cali di tensione)$

$I 2 R$ ₂ è in fase con $I 2$ .
$I 2 X 2$ è ortogonale a $I 2$ .

La corrente primaria $I 1$ è la somma vettoriale di $I' 1$ e $I0$ , dove $I' 1 = -I 2$ .
Tensione applicata primaria: $V1 = V'1 + (cali di tensione primaria)$

$I 1 R 1$ è in fase con $I 1$ .
$I 1 X 1$ è ortogonale a $I 1$ .

La differenza di fase tra $V 1$ e $I 1$ definisce l'angolo del fattore di potenza primario ϕ1.
Fattore di potenza secondario:

Sfasato per carichi induttivi (come nel diagramma fasore).
Anticipato per carichi capacitivi.

Passaggi per disegnare il diagramma fasore per carico capacitivo

Prendere il flusso Φ come riferimento.
Le f.e.m. indotte $E 1$ e $E 2$ sono sfasate rispetto al flusso di 90°.
La componente di tensione applicata primaria che bilancia $E 1$ è denotata come $V' 1$ (cioè, $V' 1 = -E 1$ ).
La corrente a vuoto $I 0$ è sfasata rispetto a $V' 1$ di 90°.
Per un carico con fattore di potenza anticipato, la corrente $I 2$ anticipa $E 2$ di un angolo ϕ_$2$.
La resistenza dell'avvolgimento e la reattanza di dispersione causano cali di tensione, rendendo la tensione ai capi secondari: $V 2 = E 2 − (cali di tensione)$

$I 2 R 2$ è in fase con $I 2$ .
$I 2 X 2$ è ortogonale a $I 2$ .

Corrente di compensazione $I' 1 = -I 2$ (uguale in magnitudine, opposta in fase a $I 2$ ).
La corrente primaria $I 1$ è la somma vettoriale di $I' 1$ e $I 0$ : $I^{1} = I^{1 ′} + I^{0}$
Tensione applicata primaria $V 1$ è la somma vettoriale di $V' 1$ e dei cali di tensione primaria: $V 1 = V' 1 +(cali di tensione primaria)$

$I 1 R 1$ è in fase con $I 1$ .
$I 1 X 1$ è ortogonale a $I 1$ .

Angoli del fattore di potenza:

La differenza di fase tra $V 1$ e $I 1$ definisce l'angolo del fattore di potenza primario ϕ_$1$.
Il fattore di potenza secondario (anticipato per carichi capacitivi) dipende interamente dal tipo di carico connesso.