変圧器の負荷条件

負荷条件下的変圧器動作

変圧器が負荷下にあるとき、その二次巻線は抵抗性、誘導性、または容量性の負荷に接続されます。二次巻線を流れる電流 I₂ の大きさは端子電圧 V₂ と負荷インピーダンスによって決定されます。二次電流と電圧の位相角は負荷特性によって異なります。

変圧器の負荷動作の説明

変圧器の負荷下での動作は以下の通りです：

変圧器の二次側がオープン回路である場合、主電源から無負荷電流を引き出す。この無負荷電流は磁束発生力を誘導し N₀I₀ として表され、変圧器コア内に磁束 Φ を生成する。変圧器の無負荷状態の回路構成は以下の図に示されている：

変圧器の負荷電流の相互作用

変圧器の二次側に負荷が接続されたとき、二次巻線を流れる電流 I₂ は磁束発生力 (MMF) N₂I₂ を誘導する。この MMF はコア内で磁束 ϕ2 を生成し、レンツの法則により元の磁束 ϕ に対して反対方向に働く。

変圧器における位相差と力率

V1 と I1 の間の位相差は、変圧器の一次側の力率角度 ϕ1 を定義する。二次側の力率は変圧器に接続された負荷の種類によって異なる：

• 誘導性負荷（上記ベクトル図参照）の場合、力率は遅れ。

• 容量性負荷の場合、力率は進む。

総一次電流 I1 は無負荷電流 I0 と補償電流 I'1 のベクトル和であり、すなわち、

誘導性負荷を持つ変圧器のベクトル図

実際の変圧器の誘導性負荷時のベクトル図は以下の通りです：

ベクトル図の作成手順

• 磁束 Φ を基準とする。

• 誘導起電力 E₁ と E₂ は磁束に対して90度遅れる。

• 一次側の適用電圧成分 E₁ をバランスさせるものは V'₁ （すなわち V'1 = -E1) で表される。

• 無負荷電流 I0 は V'₁ に対して90度遅れる。

• 遅れ力率負荷の場合、電流 I₂ は E₂ に対して角度 ϕ_{2 だけ遅れる。}

• 巻線抵抗と漏れリアクタンスによる電圧降下により、二次端子電圧は：V₂ = E₂ −(voltage drops)

• I₂R₂ は I₂ と同相。

• I₂X₂ は I₂ に対して直交。

• 一次電流 I₁ は I'₁ と I0 のベクトル和であり、I'₁ = -I₂ である。

• 一次適用電圧：V1 = V'1 + (primary voltage drops)

• I₁R₁ は I₁ と同相。

• I₁X₁ は I₁ に対して直交。

• V₁ と I₁ の間の位相差は一次側の力率角度 ϕ1 を定義する。

• 二次側の力率：

• 誘導性負荷の場合（ベクトル図参照）、遅れ。

• 容量性負荷の場合、進む。

 容量性負荷のベクトル図の描画手順

• 磁束 Φ を基準とする。

• 誘導起電力 E₁ と E₂ は磁束に対して90度遅れる。

• 一次側の適用電圧成分 E₁ をバランスさせるものは V'₁ （すなわち V'₁ = -E₁）で表される。

• 無負荷電流 I₀ は V'₁ に対して90度遅れる。

• 進行力率負荷の場合、電流 I₂ は E₂ に対して角度 ϕ₂ だけ進む。

• 巻線抵抗と漏れリアクタンスによる電圧降下により、二次端子電圧は：V₂ = E₂ −(voltage drops)

• I₂R₂ は I₂ と同相。

• I₂X₂ は I₂ に対して直交。

• 補償電流 I'₁ = -I₂（I₂ と同じ大きさで逆位相）。

• 一次電流 I₁ は I'₁ と I₀ のベクトル和であり：I₁=I₁′+I₀

• 一次適用電圧 V₁ は V'₁ と一次電圧降下のベクトル和であり：V₁ = V'₁ +(primary voltage drops)

• I₁R₁ は I₁ と同相。

• I₁X₁ は I₁ に対して直交。

• 力率角度：

• V₁ と I₁ の間の位相差は一次側の力率角度 ϕ₁ を定義する。

• 二次側の力率（容量性負荷の場合進行）は接続された負荷の種類によって完全に決まる。