能動負荷、誘導負荷、容量負荷に対する電源トランスの動作

変圧器は、ある電圧の交流を別の電圧の交流に変換する電気機械です。変圧器の動作原理は電磁誘導現象に基づいています。

最初の電力伝送ネットワークは直流を使用しました。ネットワーク内の電圧は使用される材料の絶縁能力によって異なり、通常は 110 V です。

ネットワークの送電電力の増加に伴い、電圧損失を許容範囲内に抑えるためにワイヤの断面積を増やす必要がありました。

そして、変圧器の発明によってのみ、大規模な発電所で電気エネルギーを経済的に生成し、それを高電圧で長距離に送電し、消費者に電力を供給する前に電圧を安全な値に下げることが可能になりました。

変圧器がなければ、高電圧、超高電圧、中電圧、低電圧レベルを備えた今日の電力網構造は不可能です。変圧器は、単相と三相の両方の電気ネットワークで使用されます。

三相電力変圧器の動作は、動作している負荷 (能動負荷、誘導負荷、容量負荷) によって大きく異なります。実際の条件では、変圧器負荷は能動誘導負荷です。

図1｜三相電源変圧器

1. アクティブロードモード

このモードでは、一次巻線電圧は公称 U1 = U1nom に近く、一次巻線電流 ​​I1 は変圧器負荷によって決まり、二次電流は公称電流 I2nom = P2 / U2nom によって決まります。

測定データに従って、変圧器の効率は分析的に決定されます。

効率 = P2 / P1、

ここで、P1 は変圧器の一次巻線の有効電力、P2 は変圧器の二次巻線によって電源回路に供給される電力です。

一次巻線の相対電流に応じた変圧器の効率の依存性を図 2 に示します。

図 2 — 変圧器効率の一次巻線の相対電流への依存性

能動負荷モードでは、二次巻線の電流ベクトルは二次巻線の電圧ベクトルと同一の広がりを持つため、負荷電流の増加により、変圧器の二次巻線の端子の電圧が低下します。

このタイプの変圧器負荷の電流と電圧の簡略化されたベクトル図を図 3 に示します。

図 3 — 変圧器の有効負荷電流と電圧の簡略化したベクトル図

2. 誘導負荷の動作モード

誘導負荷モードでは、二次巻線電流ベクトルは二次巻線電圧ベクトルより 90 度遅れます。トランスの二次巻線に接続されたインダクタンスの値が減少すると、負荷電流が増加し、二次電圧が低下します。

このタイプの変圧器負荷の電流と電圧の簡略ベクトル図を図 4 に示します。

図4 — 誘導負荷モードにおける変圧器の電流と電圧の簡略化したベクトル図

3. 容量性負荷での動作モード

容量性負荷モードでは、二次巻線の電流ベクトルは二次巻線の電圧ベクトルより 90 度進みます。トランスの二次巻線に接続される静電容量が増加すると、負荷電流が増加し、二次電圧が増加します。

このタイプの変圧器負荷の電流と電圧の簡略ベクトル図を図 5 に示します。

図 5 — トランスの容量性負荷モードの電流と電圧の簡略ベクトル図