Cos'è il trasformatore di potenza e come funziona?

In alcuni dei nostri articoli precedenti abbiamo discusso delle basi del trasformatore e dei suoi diversi tipi. Uno dei trasformatori importanti e comunemente usati è il trasformatore di alimentazione. È ampiamente utilizzato per aumentare e diminuire la tensione rispettivamente nella stazione di generazione di energia elettrica e nella stazione di distribuzione (o sottostazione).

Ad esempio, considera lo schema a blocchi mostrato sopra. Qui il trasformatore di potenza viene utilizzato due volte mentre fornisce energia elettrica a un consumatore che è lontano dalla stazione di generazione.

• La prima volta è nella stazione di generazione di energia per aumentare la tensione generata dal generatore eolico.
• Il secondo è alla stazione di distribuzione (o sottostazione) per abbassare la tensione ricevuta alla fine della linea di trasmissione.

Perdita di potenza nelle linee di trasmissione

Ci sono molte ragioni per utilizzare un trasformatore di potenza nei sistemi di alimentazione elettrica. Ma uno dei motivi più importanti e semplici per utilizzare il trasformatore di potenza è ridurre le perdite di potenza durante la trasmissione di energia elettrica.

Vediamo ora come si riduce notevolmente la perdita di potenza utilizzando un trasformatore di potenza:

Innanzitutto, l'equazione della perdita di potenza P = I * I * R.

Qui I = corrente attraverso il conduttore e R = Resistenza del conduttore.

Quindi, la perdita di potenza è direttamente proporzionale al quadrato della corrente che scorre attraverso il conduttore o la linea di trasmissione. Quindi abbassare l'entità della corrente che attraversa il conduttore minori le perdite di potenza.

Come trarremo vantaggio da questa teoria è spiegato di seguito:

• Diciamo che la tensione iniziale = 100 V e il carico assorbe = 5 A e la potenza erogata = 500 watt. Quindi le linee di trasmissione qui devono trasportare una corrente di magnitudo 5A dalla sorgente al carico. Ma se aumentiamo la tensione nella fase iniziale a 1000 V, le linee di trasmissione devono trasportare solo 0,5 A per fornire la stessa potenza di 500 Watt.
• Quindi, aumenteremo la tensione all'inizio della linea di trasmissione usando un trasformatore di potenza e useremo un altro trasformatore di potenza per abbassare la tensione alla fine della linea di trasmissione.
• Con questa configurazione, l'ampiezza del flusso di corrente attraverso la linea di trasmissione di 100+ chilometri viene ridotta considerevolmente riducendo così la perdita di potenza durante la trasmissione.

Differenza tra trasformatore di potenza e trasformatore di distribuzione

• Il trasformatore di potenza viene solitamente azionato a pieno carico perché è progettato per avere un'alta efficienza al 100% del carico. D'altra parte, il trasformatore di distribuzione ha un'alta efficienza quando il carico rimane tra il 50% e il 70%. Quindi, i trasformatori di distribuzione non sono adatti per funzionare al 100% in modo continuo.
• Poiché il trasformatore di potenza porta ad alte tensioni durante l'aumento e la riduzione, gli avvolgimenti hanno un elevato isolamento rispetto ai trasformatori di distribuzione e ai trasformatori di misura.
• Poiché utilizzano un isolamento di alto livello, sono di dimensioni molto voluminose e sono anche molto pesanti.
• Poiché i trasformatori di potenza di solito non sono collegati direttamente alle case, subiscono meno fluttuazioni di carico, mentre dall'altro i trasformatori di distribuzione subiscono forti fluttuazioni di carico.
• Questi vengono caricati completamente per 24 ore al giorno, quindi le perdite di rame e ferro si verificano durante il giorno e rimangono quasi le stesse per tutto il tempo.
• La densità del flusso nel trasformatore di potenza è superiore al trasformatore di distribuzione.

Principio di funzionamento del trasformatore di potenza

Il trasformatore di potenza funziona secondo il principio della "legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica". È la legge fondamentale dell'elettromagnetismo che spiega il principio di funzionamento di induttori, motori, generatori e trasformatori elettrici.

La legge afferma " Quando un conduttore a circuito chiuso o in cortocircuito si avvicina a un campo magnetico variabile, il flusso di corrente viene generato in quel circuito chiuso" .

Per capire meglio la legge, discutiamola in modo più dettagliato. Innanzitutto, consideriamo uno scenario di seguito.

Considera un magnete permanente e un conduttore viene prima avvicinato l'uno all'altro.

• Quindi il conduttore viene cortocircuitato ad entrambe le estremità utilizzando un filo come mostrato in figura.
• In questo caso, non ci sarà flusso di corrente nel conduttore o nel loop perché il campo magnetico che taglia il loop è stazionario e come menzionato nella legge, solo un campo magnetico variabile o mutevole può forzare la corrente nel loop.
• Quindi nel primo caso del campo magnetico stazionario, ci sarà flusso zero nel circuito del conduttore.

quindi il campo magnetico che taglia il ciclo continua a cambiare. Poiché in questo caso è presente un campo magnetico variabile, le leggi di Faraday entreranno in gioco e quindi possiamo vedere un flusso di corrente nel circuito del conduttore.

Come puoi vedere nella figura, dopo che il magnete si muove avanti e indietro, vediamo un "io" di corrente che scorre attraverso il conduttore e il circuito chiuso.

per sostituirlo con altre sorgenti di campo magnetico variabile come di seguito.

• Ora una sorgente di tensione alternata e un conduttore vengono utilizzati per generare un campo magnetico variabile.
• Dopo che il loop del conduttore si è avvicinato al campo del campo magnetico, possiamo vedere un EMF generato attraverso il conduttore. A causa di questo EMF indotto, avremo un flusso di corrente "io".
• L'entità della tensione indotta è proporzionale all'intensità del campo sperimentata dal secondo anello, quindi maggiore è l'intensità del campo magnetico, maggiore è il flusso di corrente nel circuito chiuso.

Sebbene sia possibile utilizzare un unico conduttore predisposto per comprendere la legge di Faraday. Ma per prestazioni pratiche migliori è preferibile utilizzare una bobina su entrambi i lati.

Qui, una corrente alternata scorre attraverso la bobina primaria1 che genera il campo magnetico variabile attorno alle bobine del conduttore. E quando la bobina2 entra nel campo del campo magnetico generato dalla bobina1, viene generata una tensione EMF attraverso la bobina2 a causa della legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. E a causa di quella tensione nella bobina2 una corrente "I" scorre attraverso il circuito secondario chiuso.

Ora devi ricordare che entrambe le bobine sono sospese nell'aria quindi il mezzo di conduzione utilizzato dal campo magnetico è l'aria. E l'aria ha una resistenza maggiore rispetto ai metalli nel caso della conduzione del campo magnetico, quindi se usiamo un nucleo di metallo o ferrite per agire come mezzo per il campo elettromagnetico, possiamo sperimentare l'induzione elettromagnetica più a fondo.

Quindi ora sostituiamo il mezzo dell'aria con il mezzo del ferro per una maggiore comprensione.

Come mostrato nella figura, possiamo utilizzare un nucleo di ferro o ferrite per ridurre la perdita di flusso magnetico durante la trasmissione di potenza da una bobina all'altra. Durante questo periodo il flusso magnetico fuoriuscito nell'atmosfera sarà considerevolmente inferiore rispetto al tempo in cui abbiamo utilizzato il mezzo d'aria poiché un nucleo è un ottimo conduttore del campo magnetico.

Una volta che il campo è generato dalla bobina1, fluirà attraverso il nucleo di ferro raggiungendo la bobina2 e, a causa della legge di Faradays, la bobina2 genera un EMF che verrà letto dal galvanometro collegato alla bobina2.

Ora, se osservi attentamente, troverai questa configurazione simile a un trasformatore monofase. E sì, ogni trasformatore presente oggi funziona secondo lo stesso principio.

Ora esaminiamo la costruzione semplificata del trasformatore trifase.

Trasformatore trifase

• Lo scheletro del trasformatore è progettato picchettando lamiere laminate che vengono utilizzate per trasportare il flusso magnetico. Nel diagramma, puoi vedere lo scheletro dipinto di grigio. Lo scheletro ha tre colonne su cui sono avvolti gli avvolgimenti di tre fasi.
• L'avvolgimento a tensione inferiore viene avvolto per primo ed è avvolto più vicino al nucleo mentre l'avvolgimento a tensione più alta è avvolto sopra l'avvolgimento a tensione inferiore. Ricorda, entrambi gli avvolgimenti sono separati da uno strato isolante.
• Qui ogni colonna rappresenta una fase, quindi per tre colonne, abbiamo un avvolgimento trifase.
• L'intera configurazione dello scheletro e dell'avvolgimento è immersa in un serbatoio sigillato riempito con olio industriale per una migliore conduttività termica e isolamento.
• Dopo l'avvolgimento, i terminali di estremità di tutte e sei le bobine sono stati portati fuori dal serbatoio sigillato attraverso un isolante HV.
• I terminali sono fissati a una discreta distanza l'uno dall'altro per evitare salti di scintilla.

Caratteristiche del trasformatore di potenza

Potenza nominale	3 MVA fino a 200 MVA
Tensioni primarie tipicamente	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Tensioni secondarie tipicamente	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV o specifiche personalizzate
Fasi	Trasformatori monofase o trifase
Frequenza nominale	50 o 60 Hz
Toccando	Commutatori sotto carico o sotto carico
Aumento della temperatura	60 / 65C o specifica personalizzata
Tipo di raffreddamento	ONAN (oil natural air natural) o altri tipi di raffreddamento come KNAN (max 33kV) su richiesta
Radiatori	Pannelli del radiatore di raffreddamento montati sul serbatoio
Gruppi vettoriali	Dyn11 o qualsiasi altro gruppo vettoriale secondo IEC 60076
Regolazione del voltaggio	Tramite commutatore sotto carico (con relè AVR di serie)
Terminali HV e LV	Tipo di scatola del cavo dell'aria (33kV max) o boccole aperte
Installazioni	Interno o esterno
Livello audio	Secondo ENATS 35 o NEMA TR1

Applicazioni del trasferimento di potenza

• Il trasformatore di potenza viene utilizzato principalmente nella generazione di energia elettrica e nelle stazioni di distribuzione.
• Viene anche utilizzato in trasformatori di isolamento, trasformatori di messa a terra, trasformatori raddrizzatori a sei impulsi e dodici impulsi, trasformatori per parchi solari fotovoltaici, trasformatori per parchi eolici e nell'avviatore per autotrasformatori Korndörfer.
• Viene utilizzato per ridurre le perdite di potenza durante la trasmissione di energia elettrica.
• Viene utilizzato per aumentare e diminuire l'alta tensione.
• È preferibile durante i casi di consumatori a lunga distanza.
• E preferito nei casi in cui il carico viene eseguito a piena capacità 24x7.