Funzionamento con trasformatore di potenza per carichi attivi, induttivi e capacitivi

Un trasformatore è una macchina elettrica che converte la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di un'altra tensione. Il principio di funzionamento del trasformatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Le prime reti di trasmissione di energia elettrica utilizzavano la corrente continua. La tensione nelle reti dipende dalla capacità di isolamento dei materiali utilizzati ed è solitamente di 110 V.

Con l'aumentare della potenza trasmissiva delle reti si è reso necessario aumentare la sezione dei conduttori affinché le perdite di tensione si mantenessero entro i limiti consentiti.

E solo l'invenzione del trasformatore ha permesso di generare economicamente energia elettrica in grandi centrali elettriche, trasmetterla ad alta tensione su lunghe distanze e quindi ridurre la tensione a un valore sicuro prima di consegnare elettricità ai consumatori.

Senza trasformatori, le odierne strutture di rete elettrica con i loro livelli di alta e altissima, media e bassa tensione semplicemente non sarebbero possibili. I trasformatori sono utilizzati in reti elettriche sia monofase che trifase.

Il funzionamento di un trasformatore di potenza trifase varia notevolmente a seconda del carico che sta operando: attivo, induttivo o capacitivo. In condizioni reali, il carico del trasformatore è un carico induttivo attivo.

Figura 1 — Trasformatore di potenza trifase

1. Modalità di carico attiva

In questa modalità, la tensione dell'avvolgimento primario è vicina al valore nominale U1 = U1nom, la corrente dell'avvolgimento primario I1 è determinata dal carico del trasformatore e la corrente secondaria è determinata dalla corrente nominale I2nom = P2 / U2nom.

In base ai dati di misurazione, l'efficienza del trasformatore viene determinata analiticamente:

Efficienza = P2 / P1,

dove P1 è la potenza attiva dell'avvolgimento primario del trasformatore, P2 è la potenza fornita al circuito di alimentazione dall'avvolgimento secondario del trasformatore.

La dipendenza dell'efficienza del trasformatore in funzione della corrente relativa dell'avvolgimento primario è mostrata in figura 2.

Figura 2 — Dipendenza dell'efficienza del trasformatore dalla corrente relativa dell'avvolgimento primario

In modalità di carico attivo, il vettore della corrente dell'avvolgimento secondario è coestensivo con il vettore della tensione dell'avvolgimento secondario, pertanto un aumento della corrente di carico provoca una diminuzione della tensione ai capi dell'avvolgimento secondario del trasformatore.

Un diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni per questo tipo di carico del trasformatore è mostrato nella Figura 3.

Figura 3 — Diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni di carico attivo del trasformatore

2. Modalità di funzionamento per carico induttivo

Nella modalità di carico induttivo, il vettore della corrente dell'avvolgimento secondario ritarda di 90 gradi il vettore della tensione dell'avvolgimento secondario. Una diminuzione del valore dell'induttanza collegata all'avvolgimento secondario del trasformatore provoca un aumento della corrente di carico, con conseguente diminuzione della tensione secondaria.

Un diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni per questo tipo di carico del trasformatore è mostrato nella Figura 4.

Figura 4 — Diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni del trasformatore in modalità di carico induttivo

3. Modalità di funzionamento con carico capacitivo

Nella modalità di carico capacitivo, il vettore di corrente dell'avvolgimento secondario è in anticipo rispetto al vettore di tensione dell'avvolgimento secondario di 90 gradi. Un aumento della capacità collegata all'avvolgimento secondario del trasformatore provoca un aumento della corrente di carico, con conseguente aumento della tensione secondaria.

Un diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni per questo tipo di carico del trasformatore è mostrato nella Figura 5.

Figura 5 — Diagramma vettoriale semplificato delle correnti e delle tensioni della modalità di carico capacitivo del trasformatore