Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico utilizzato per convertire la corrente alternata di una tensione e di una frequenza in corrente alternata di un'altra (o uguale) tensione e della stessa frequenza.
Contenuto
Design e funzione di un trasformatore
Nel caso più semplice Trasformatore contiene un avvolgimento primario con il numero di avvolgimenti W1 e un secondario con W2. L'energia è collegata all'avvolgimento primario, il carico è collegato all'avvolgimento secondario. Il trasferimento di energia avviene per induzione elettromagnetica. Per migliorare l'accoppiamento elettromagnetico, gli avvolgimenti sono di solito montati su un nucleo chiuso (nucleo magnetico).
Se la tensione alternata U1viene applicato all'avvolgimento primario, la corrente alternata I1che induce un flusso magnetico F della stessa forma nel nucleo. Questo flusso magnetico induce un EMF nell'avvolgimento secondario. Se un carico è collegato al circuito secondario, una corrente secondaria I2.
La tensione nell'avvolgimento secondario è determinata dal rapporto delle spire W1 e W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, dove k rapporto di trasformazione.
Se k<1 allora U2>U1e un tale trasformatore è chiamato trasformatore di step-up. Se k>1 , allora U2
Un trasformatore può avere più di un avvolgimento secondario con diversi rapporti di trasformazione. Per esempio, un trasformatore da 220 volt per alimentare le lampadine domestiche può avere un avvolgimento secondario, per esempio 500 volt per alimentare i circuiti anodici e 6 volt per alimentare i circuiti a incandescenza. Nel primo caso k<1, nel secondo caso k>1.
Un trasformatore funziona solo con tensioni alternate - il flusso magnetico deve cambiare perché si verifichi un EMF nell'avvolgimento secondario.
Tipi di nucleo per trasformatori
In pratica, si usano nuclei non solo della forma indicata. A seconda dell'uso previsto del dispositivo, i nuclei magnetici possono essere realizzati in modi diversi.
Nuclei centrali
I nuclei dei trasformatori a bassa frequenza sono fatti di acciaio con proprietà magnetiche pronunciate. Per ridurre le correnti parassite, la matrice del nucleo è fatta di piastre individuali che sono elettricamente isolate l'una dall'altra. Per le alte frequenze, si usano altri materiali come la ferrite.
Il nucleo discusso sopra è chiamato un array di nuclei e consiste di due aste. Per i trasformatori monofase, si usano anche nuclei a tre nuclei. Hanno un flusso di dispersione magnetica inferiore e una maggiore efficienza. In questo caso, sia l'avvolgimento primario che quello secondario sono posti sul nucleo centrale.
I trasformatori trifase sono anche realizzati su nuclei trifase. Gli avvolgimenti primari e secondari di ogni fase sono ciascuno su un nucleo separato. In alcuni casi, vengono utilizzati cinque core. Hanno la stessa disposizione, i nuclei primari e secondari su ogni lato del nucleo, i due nuclei più esterni su ogni lato sono utilizzati per accoppiare i flussi magnetici in certe operazioni.
Nuclei corazzati
I trasformatori monofase sono fatti con nuclei corazzati - entrambe le bobine sono poste sul nucleo centrale del nucleo magnetico. Il flusso magnetico in questo nucleo è accoppiato in modo simile a un'unità a tre nuclei, cioè attraverso le pareti laterali. Il flusso di dispersione è molto piccolo in questo caso.
Il vantaggio di questo design è che c'è un certo guadagno in dimensioni e peso dovuto alla possibilità di riempire la finestra del nucleo più densamente con gli avvolgimenti, quindi è vantaggioso usare nuclei corazzati per trasformatori di bassa potenza. La conseguenza di ciò è anche un circuito magnetico più corto, che porta a minori perdite a vuoto.
Gli svantaggi sono che gli avvolgimenti sono più difficili da raggiungere per l'ispezione e la riparazione, e l'isolamento per le alte tensioni è più complesso da fabbricare.
Toroidale
Con i nuclei toroidali il flusso magnetico è completamente racchiuso all'interno del nucleo e non c'è praticamente nessuna perdita di flusso magnetico. Ma questi trasformatori sono difficili da avvolgere, quindi sono usati solo raramente, per esempio in autotrasformatori regolati di piccole capacità o in applicazioni ad alta frequenza dove l'immunità alle interferenze è importante.
Autotrasformatore
In alcuni casi è consigliabile utilizzare trasformatori in cui gli avvolgimenti non sono solo collegati magneticamente, ma anche elettricamente. Cioè, in un dispositivo step-up, l'avvolgimento primario è parte dell'avvolgimento secondario e in un dispositivo step-down, l'avvolgimento secondario è parte dell'avvolgimento primario. Un tale dispositivo è chiamato autotrasformatore (AT).
Un autotrasformatore step-down non è un semplice divisore di tensione - anche l'accoppiamento magnetico è coinvolto nel trasferimento di energia al circuito secondario.
I vantaggi degli autotrasformatori sono:
- minori perdite;
- la possibilità di regolazione continua della tensione;
- dimensioni ridotte (gli autotrasformatori sono più economici, più facili da trasportare);
- Costo inferiore grazie al minore fabbisogno di materiale.
Gli svantaggi includono la necessità di un isolamento a tensione più alta di entrambi gli avvolgimenti e la mancanza di isolamento galvanico tra ingresso e uscita, che può trasferire gli effetti degli agenti atmosferici dal primario al circuito secondario. Allo stesso tempo, gli elementi del circuito secondario non devono essere messi a terra. Inoltre, l'aumento delle correnti di cortocircuito è considerato uno svantaggio dell'AT. Con gli autotrasformatori trifase, gli avvolgimenti sono generalmente collegati a stella con un neutro messo a terra, altri schemi di collegamento sono possibili, ma troppo complicati e ingombranti. Questo è anche uno svantaggio che può limitare l'uso degli autotrasformatori.
Applicazioni dei trasformatori
La proprietà dei trasformatori di aumentare o diminuire la tensione è ampiamente utilizzata nell'industria e nelle case private.
Trasformazione della tensione
Il livello di tensione industriale ha diversi requisiti in diverse fasi. Per varie ragioni, non è redditizio utilizzare generatori ad alta tensione nella produzione di elettricità. Questo è il motivo per cui, per esempio, i generatori di 6...35 kV sono utilizzati nelle centrali idroelettriche. Al contrario, per il trasporto dell'elettricità sono necessarie tensioni più elevate, da 110 kV a 1.150 kV, a seconda della distanza. Questa tensione è poi ridotta di nuovo a 6...10 kV, distribuita alle sottostazioni locali da dove è ridotta a 380 (220) volt e consegnata al consumatore finale. Per gli apparecchi domestici e industriali deve essere ulteriormente ridotto, di solito a 3...36 volt.
Tutti questi passi sono eseguiti per mezzo di trasformatori di potenza. Questi possono essere del tipo a secco o ad olio. In quest'ultimo, il nucleo e gli avvolgimenti sono contenuti in un serbatoio di olio, che funge da mezzo isolante e di raffreddamento.
Isolamento galvanico
L'isolamento galvanico aumenta la sicurezza degli apparecchi elettrici. Se l'apparecchio non è alimentato direttamente dalla rete 220 volt, dove uno dei conduttori è collegato a terra, ma tramite un trasformatore 220/220 volt, la tensione di alimentazione rimane la stessa. Ma se la terra e le parti secondarie che trasportano corrente si toccano allo stesso tempo, non ci sarà nessun circuito per il flusso di corrente e il rischio di elettrocuzione sarà molto più basso.
Misura della tensione
In tutte le installazioni elettriche il livello di tensione deve essere monitorato. Se si utilizza una classe di tensione fino a 1000 volt, i voltmetri sono montati direttamente sulle parti in tensione. Nelle installazioni sopra i 1000 volt questo non è possibile - i dispositivi saranno troppo ingombranti e potrebbero non essere sicuri in caso di un guasto di isolamento. Pertanto, in tali sistemi, i voltmetri sono collegati ai conduttori di alta tensione tramite trasformatori con un adeguato rapporto di trasformazione. Per esempio, per le reti da 10 kV, si usano trasformatori 1:100 e la tensione di uscita è un 100 volt standard. Se la tensione primaria cambia in ampiezza, cambia anche nel secondario allo stesso tempo. La scala di un voltmetro è solitamente graduata nella gamma di tensione primaria.
I trasformatori sono abbastanza complessi e costosi da produrre e mantenere. Tuttavia, in molte applicazioni questi dispositivi sono indispensabili e non ci sono alternative.
Articoli correlati:
