Nozioni di base sul trasformatore

I trasformatori in genere sono dispositivi in ​​grado di convertire quantità da un valore all'altro. Per questo articolo, ci concentreremo sul trasformatore di tensione che è un componente elettrico statico in grado di convertire la tensione CA da un valore all'altro senza cambiare la frequenza utilizzando i principi dell'induzione elettromagnetica.

In uno dei nostri precedenti articoli sulla corrente alternata, abbiamo accennato a quanto sia stato importante il trasformatore, nella storia della corrente alternata. È stato il principale fattore abilitante che ha reso possibile la corrente alternata. Inizialmente, quando venivano utilizzati sistemi basati su CC, non potevano essere trasferiti su lunghe distanze a causa della perdita di potenza nelle linee all'aumentare della distanza (lunghezza), il che significa che le centrali elettriche CC dovevano essere collocate ovunque, quindi l'obiettivo principale di CA era per risolvere il problema della trasmissione e senza il trasformatore, ciò non sarebbe stato possibile in quanto le perdite sarebbero comunque esistite anche con AC.

Con il trasformatore in posizione, la corrente alternata potrebbe essere trasmessa dalle centrali di generazione ad una tensione molto alta ma a bassa corrente che elimina le perdite nella linea (fili) dovute al valore di I ² R (che fornisce la perdita di potenza in una linea). Il trasformatore viene quindi utilizzato per convertire l'energia ad alta tensione e bassa corrente in energia a bassa tensione e alta corrente per la distribuzione finale all'interno di una comunità senza cambiare la frequenza e alla stessa potenza che è stata trasmessa dalla stazione di generazione (P = IV).

Per comprendere meglio il trasformatore di tensione, è meglio utilizzare il suo modello più semplificato che è il trasformatore monofase.

Trasformatore monofase

Il trasformatore monofase è il tipo più comune (in termini di numero in uso) di trasformatori di tensione. È presente nella maggior parte degli apparecchi "collegati" che usiamo a casa e ovunque.

È usato per descrivere il principio di funzionamento, la costruzione ecc. Di un trasformatore perché altri trasformatori sono come una variazione o modifica del trasformatore monofase. Ad esempio, alcune persone si riferiscono al trasformatore trifase come composto da 3 trasformatori monofase.

Il trasformatore monofase è costituito da due bobine / avvolgimento (la bobina primaria e la bobina secondaria). Questi due avvolgimenti sono disposti in modo tale che non esista alcun collegamento elettrico tra di loro, quindi sono avvolti attorno a un ferro magnetico comune generalmente indicato come nucleo del trasformatore, quindi le due bobine hanno solo una connessione magnetica tra di loro. Ciò garantisce che la potenza venga trasmessa solo tramite induzione elettromagnetica e rende i trasformatori utili anche per i collegamenti di isolamento.

Principio di funzionamento del trasformatore:

Come accennato in precedenza, il trasformatore è costituito da due bobine; le bobine primaria e secondaria. La bobina primaria rappresenta sempre l'ingresso al trasformatore mentre la bobina secondaria, l'uscita dal trasformatore.

Due effetti principali definiscono il funzionamento del trasformatore:

Il primo è che una corrente che scorre attraverso un filo crea un campo magnetico attorno al filo. L'entità del campo magnetico risultante è sempre direttamente proporzionale alla quantità di corrente che passa attraverso il filo. L'ampiezza del campo magnetico aumenta se il filo è avvolto in una forma simile a una bobina. Questo è il principio con cui il magnetismo viene indotto dalla bobina primaria. Applicando una tensione alla bobina primaria, induce un campo magnetico attorno al nucleo del trasformatore.

Il secondo effetto che, combinato con il primo, spiega il principio di funzionamento del trasformatore che si basa sul fatto che, se un conduttore viene avvolto attorno a un pezzo di magnete e il campo magnetico cambia, il cambiamento del campo magnetico indurrà una corrente in il conduttore, la cui grandezza sarà determinata dal numero di spire della bobina del conduttore. Questo è il principio con cui si eccita la bobina secondaria.

Quando una tensione viene applicata alla bobina primaria, crea un campo magnetico attorno al nucleo la cui forza dipende dalla corrente applicata. Il campo magnetico creato induce quindi una corrente nella bobina secondaria che è una funzione dell'ampiezza del campo magnetico e del numero di spire della bobina secondaria.

Questo principio di funzionamento del trasformatore spiega anche perché è stato necessario inventare l'AC perché il trasformatore funzionerà solo quando c'è un'alternanza nella tensione o corrente applicata poiché solo allora funzionano i principi dell'induzione elettromagnetica. Quindi il trasformatore non poteva essere utilizzato per CC allora.

Costruzione del trasformatore

Fondamentalmente, un trasformatore è composto da due parti che includono; due bobine induttive e un'anima in acciaio laminato. Le bobine sono isolate l'una dall'altra e anche isolate per evitare il contatto con il nucleo.

La costruzione del trasformatore sarà quindi esaminata sotto la bobina e la costruzione del nucleo.

Transformer's Core

Il nucleo del trasformatore è sempre costruito impilando insieme lamiere laminate di acciaio, assicurando che esista un traferro minimo. Il nucleo dei trasformatori negli ultimi tempi è sempre costituito da un nucleo in acciaio laminato anziché da nuclei di ferro per ridurre le perdite dovute alle correnti parassite.

Ci sono tre forme principali delle lamiere di acciaio laminato tra cui scegliere, che sono E, I e L.

Quando si impilano insieme il laminato per formare il nucleo, vengono sempre impilati in modo tale che i lati del giunto siano alternati. Ad esempio, i fogli vengono assemblati come fronte durante il primo assemblaggio, saranno rivestiti per il successivo assemblaggio come mostrato nell'immagine sotto. Questo viene fatto per prevenire un'elevata riluttanza alle articolazioni.

Bobina

Quando si costruisce un trasformatore, diventa molto importante specificare il tipo di trasformatore in aumento o in diminuzione poiché ciò determina il numero di spire che esisterà nella bobina primaria o secondaria.

Tipi di trasformatori:

Principalmente ci sono tre tipi di trasformatori di tensione;

1. Step Down Transformers

2. Step Up Transformers

3. Trasformatori di isolamento

I trasformatori elevatori sono trasformatori che danno un valore ridotto della tensione applicata all'avvolgimento primario in corrispondenza dell'avvolgimento secondario, mentre per un trasformatore elevatore il trasformatore fornisce un valore maggiorato della tensione applicata all'avvolgimento primario, al secondario bobina.

I trasformatori di isolamento sono trasformatori che forniscono la stessa tensione applicata al primario al secondario e quindi fondamentalmente utilizzati per isolare i circuiti elettrici.

Dalla spiegazione di cui sopra, la creazione di un particolare tipo di trasformatore può essere ottenuta solo progettando il numero di spire in ciascuna delle bobine primaria e secondaria per fornire l'uscita richiesta, questo può quindi essere determinato dal rapporto spire. Puoi leggere il tutorial collegato per saperne di più sui diversi tipi di trasformatori.

Rapporto di svolta del trasformatore ed equazione EMF:

Il rapporto di giri del trasformatore (n) è dato dall'equazione;

n = Np / Ns = Vp / Vs

dove n = rapporto spire

Np = Numero di spire nella bobina primaria

Ns = Numero di spire nella bobina secondaria

Vp = Tensione applicata al primario

Vs = Tensione al secondario

Queste relazioni sopra descritte possono essere utilizzate per calcolare ciascuno dei parametri nell'equazione.

La formula sopra è nota come azione di tensione dei trasformatori.

Dato che abbiamo detto che il potere rimane lo stesso anche dopo la trasformazione;

Questa formula sopra è indicata come l' azione corrente del trasformatore. Che serve come prova che il trasformatore non solo trasforma la tensione, ma trasforma anche la corrente.

Equazione EMF:

Il numero di spire della bobina della bobina primaria o secondaria determina la quantità di corrente che induce o è indotta da essa. Quando la corrente applicata al primario si riduce, la forza del campo magnetico si riduce e lo stesso per la corrente indotta nell'avvolgimento secondario.

E = N (dΦ / dt)

La quantità di tensione indotta nell'avvolgimento secondario è data dall'equazione:

Dove N è il numero di spire nell'avvolgimento secondario.

Poiché il flusso varia sinusoidalmente, il flusso magnetico Φ = Φ _max sinwt

così

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

Il valore quadratico medio della radice dell'emf indotta si ottiene dividendo il valore massimo dell'emf per √2

Questa equazione è nota come equazione EMF dei trasformatori.

Dove: N è il numero di spire nell'avvolgimento della bobina

f è la frequenza del flusso in hertz

Φ è la densità del flusso magnetico in Weber

con tutti questi valori determinati, il trasformatore può così essere costruito.

Energia elettrica

Come spiegato in precedenza, i trasformatori sono stati creati per garantire che il valore della potenza elettrica generata nelle centrali di generazione venga consegnato agli utenti finali con poca o nessuna perdita, quindi in un trasformatore Ideale, la potenza in uscita (avvolgimento secondario) è sempre la stessa di la potenza in ingresso. I trasformatori sono quindi indicati come dispositivi a potenza costante, mentre possono modificare i valori di tensione e corrente, è sempre fatto in modo tale che la stessa potenza in ingresso sia disponibile in uscita.

Così

P _s = P _p

dove Ps è la potenza al secondario e Pp è la potenza al primario.

Poiché P = IvcosΦ allora I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Efficienza di un trasformatore

L'efficienza di un trasformatore è data dall'equazione;

Efficienza = (potenza in uscita / potenza in ingresso) * 100%

Mentre la potenza in uscita di un trasformatore Ideal dovrebbe essere la stessa della potenza in ingresso, la maggior parte dei trasformatori sono lontani dal trasformatore Ideal e subiscono perdite dovute a diversi fattori.

Di seguito sono elencate alcune delle perdite che possono essere subite da un trasformatore;

1. Perdite di rame

2. Perdite per isteresi

3. Perdite da correnti parassite

1. Perdite di rame

Queste perdite sono a volte indicate come perdite di avvolgimento o perdite I ² R. Queste perdite sono associate alla potenza dissipata dal conduttore utilizzato per l'avvolgimento al passaggio di corrente per effetto della resistenza del conduttore. Il valore di questa perdita può essere calcolato utilizzando la formula;

P = I ² R

2. Perdite per isteresi

Si tratta di una perdita legata alla riluttanza dei materiali utilizzati per il nucleo del trasformatore. Poiché la corrente alternata inverte la sua direzione, ha un impatto sulla struttura interna del materiale utilizzato per il nucleo in quanto tende a subire cambiamenti fisici che consumano anche parte dell'energia

3. Perdite di correnti parassite

Questa è una perdita tipicamente conquistata dall'uso di sottili lamiere di acciaio laminate. La perdita di correnti parassite deriva dal fatto che il nucleo è anche un conduttore e indurrà una fem nella bobina secondaria. Le correnti indotte nel nucleo secondo la legge di Faradays si opporranno al campo magnetico e porteranno alla dissipazione di energia.

Considerando l'effetto di queste perdite nei calcoli di efficienza del trasformatore, abbiamo;

Efficienza = (potenza in ingresso - perdite / potenza in ingresso) * 100% Tutti i parametri sono espressi in unità di potenza.