Operação do transformador de potência para cargas ativas, indutivas e capacitivas

Um transformador é uma máquina elétrica que converte corrente alternada de uma voltagem em corrente alternada de outra voltagem. O princípio de funcionamento do transformador é baseado no fenômeno da indução eletromagnética.

As primeiras redes de transmissão de energia elétrica usavam corrente contínua. A tensão nas redes depende da capacidade de isolamento dos materiais utilizados e costuma ser de 110 V.

Com o aumento da potência de transmissão das redes, tornou-se necessário aumentar a seção transversal dos fios para que as perdas de tensão ficassem dentro dos limites permitidos.

E somente a invenção do transformador tornou possível gerar energia elétrica de forma econômica em grandes usinas, transmiti-la em alta tensão por longas distâncias e, a seguir, reduzir a tensão a um valor seguro antes de entregar eletricidade aos consumidores.

Sem transformadores, as atuais estruturas de rede elétrica com seus níveis de alta e ultra-alta, média e baixa tensão simplesmente não seriam possíveis. Os transformadores são usados ​​em redes elétricas monofásicas e trifásicas.

A operação de um transformador de potência trifásico varia muito para a carga em que está operando - ativa, indutiva ou capacitiva. Em condições reais, a carga do transformador é uma carga ativo-indutiva.

Figura 1 — Transformador de potência trifásico

1. Modo de carregamento ativo

Neste modo, a tensão do enrolamento primário está próxima da nominal U1 = U1nom, a corrente do enrolamento primário I1 é determinada pela carga do transformador e a corrente secundária é determinada pela corrente nominal I2nom = P2 / U2nom.

De acordo com os dados de medição, a eficiência do transformador é determinada analiticamente:

Eficiência = P2 / P1,

onde P1 é a potência ativa do enrolamento primário do transformador, P2 é a potência fornecida ao circuito de alimentação pelo enrolamento secundário do transformador.

A dependência da eficiência do transformador dependendo da corrente relativa do enrolamento primário é mostrada na figura 2.

Figura 2 — Dependência da eficiência do transformador na corrente relativa do enrolamento primário

No modo de carga ativa, o vetor de corrente do enrolamento secundário é coextensivo com o vetor de tensão do enrolamento secundário, portanto, um aumento na corrente de carga causa uma diminuição na tensão nos terminais do enrolamento secundário do transformador.

Um diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões para este tipo de carga do transformador é mostrado na Figura 3.

Figura 3 — Diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões de carga ativa do transformador

2. Modo de operação para carga indutiva

No modo de carga indutiva, o vetor de corrente do enrolamento secundário está atrasado em relação ao vetor de tensão do enrolamento secundário em 90 graus. Uma diminuição no valor da indutância conectada ao enrolamento secundário do transformador faz com que a corrente de carga aumente, resultando em uma diminuição na tensão secundária.

Um diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões para este tipo de carga do transformador é mostrado na Figura 4.

Figura 4 — Diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões do transformador no modo de carga indutiva

3. Modo de operação com carga capacitiva

No modo de carga capacitiva, o vetor de corrente do enrolamento secundário está à frente do vetor de tensão do enrolamento secundário em 90 graus. Um aumento na capacitância conectada ao enrolamento secundário do transformador faz com que a corrente de carga aumente, resultando em um aumento na tensão secundária.

Um diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões para este tipo de carga do transformador é mostrado na Figura 5.

Figura 5 — Diagrama vetorial simplificado das correntes e tensões do modo de carga capacitiva do transformador