NOZIONI DI BASE SUI TRASFORMATORI
Teoria, funzionamento e prestazioni.
1. Introduzione ai trasformatori
I trasformatori sono componenti essenziali nei moderni sistemi elettrici ed elettronici.
Garantiscono un isolamento elettrico essenziale e consentono la trasformazione della tensione per varie applicazioni.
Anche se il processo di progettazione può talvolta essere visto come un'“arte”, la sua costruzione e funzionalità si basano su principi fisici fondamentali.
Questo articolo presenta la teoria fondamentale, il funzionamento e le prestazioni dei trasformatori, offrendo approfondimenti sulle caratteristiche chiave e sulle considerazioni pratiche di progettazione e su come il tester dei componenti avvolti AT5600 di Voltech ottimizza i moderni test sui trasformatori.
2. Teoria di base del trasformatore
I trasformatori svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'isolamento elettrico tra i circuiti, essenziale sia per la sicurezza che per la funzionalità.
Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico attorno al quale sono avvolte bobine primarie e secondarie.
Applicando una tensione alternata alla bobina primaria, si genera una corrente alternata che corrisponde al flusso magnetico alternato nel nucleo.
Questo flusso induce una tensione sia nella bobina secondaria che in quella primaria, mettendo così in atto la legge di induzione di Faraday.
La figura sopra rappresenta gli elementi essenziali di un trasformatore: un nucleo magnetico con una bobina primaria e una secondaria avvolte sui rami del nucleo magnetico.
Una tensione alternata (Vp) applicata al primario crea una corrente alternata (Ip) attraverso il primario.
Questa corrente produce un flusso magnetico alternato nel nucleo magnetico.
Questo flusso magnetico alternato induce una tensione in ogni spira del primario e in ogni spira del secondario.
Poiché il flusso è costante, cioè uguale sia nel primario che nel secondario:
Questa equazione mostra che un trasformatore può essere utilizzato per aumentare o diminuire una tensione alternata controllando il rapporto tra spire primarie e secondarie. (Azione del trasformatore di tensione).
Si può anche dimostrare che:
Volt Ampere Primari = Volt Ampere Secondari
Questa equazione mostra che un trasformatore può essere utilizzato per aumentare o diminuire una corrente alternata controllando il rapporto tra spire primarie e secondarie.
(Azione del trasformatore di corrente)
Si noti che non esiste alcuna connessione elettrica tra gli avvolgimenti primario e secondario.
I trasformatori consentono quindi:
- Trasformazione della tensione: aumentare o diminuire la tensione CA.
- Trasformazione di corrente: aumentare o diminuire la corrente alternata.
- Isolamento elettrico: fornisce isolamento senza collegamento elettrico diretto tra avvolgimenti primari e secondari.
Queste caratteristiche rendono i trasformatori indispensabili nella maggior parte dei dispositivi elettrici ed elettronici.
3. Curve BH
Le proprietà magnetiche del materiale del nucleo sono fondamentali per le prestazioni del trasformatore.
Quando la bobina primaria viene energizzata, la corrente magnetizzante crea una forza magnetizzante (H), che genera flusso magnetico (B) nel nucleo. Questa relazione tra B e H è rappresentata dalla curva BH del materiale.
La forza magnetizzante (H) è uguale al prodotto della corrente magnetizzante per il numero di spire ed è espressa in Ampere - Giri.
Le curve BH illustrano la densità del flusso in funzione della forza magnetizzante, ovvero all'aumentare di (H), (B) aumenta fino a quando il materiale del nucleo non è saturo.
A saturazione, ulteriori aumenti di (H) non aumentano significativamente (B) ed è per questo che progettare trasformatori che funzionino al di sotto del punto di saturazione è fondamentale per garantire prestazioni efficienti.
Dalla curva BH si può vedere che, aumentando la forza magnetizzante da zero, il flusso aumenta fino a un certo valore massimo.
Al di sopra di questo livello, ulteriori aumenti della forza magnetizzante non comportano alcun aumento significativo del flusso. Il materiale magnetico è detto "saturo".
Un trasformatore è normalmente progettato per garantire che la densità del flusso magnetico sia al di sotto del livello che causerebbe la saturazione.
La densità di flusso può essere determinata utilizzando la seguente equazione:
Dove :
E rappresenta il valore RMS della tensione applicata.
N rappresenta il numero di spire dell'avvolgimento.
B rappresenta il valore massimo della densità del flusso magnetico nel nucleo (Tesla).
A rappresenta l'area della sezione trasversale del materiale magnetico nel nucleo (metri quadrati).
f rappresenta la frequenza dei volt applicati.
Nota
1 Tesla = 1 Weber/metro²
1 Weber/m² = 10.000 Gauss
1 Ampere-giro per metro = 4 px 10-3 Oersted
In pratica, tutti i materiali magnetici, una volta magnetizzati, mantengono parte della loro magnetizzazione anche quando la forza magnetizzante viene ridotta a zero.
Questo effetto è noto come "rimanenza" e fa sì che la curva BH del materiale mostri una risposta a una forza magnetizzante decrescente diversa dalla risposta a una forza magnetizzante crescente.
In pratica i materiali magnetici reali hanno una curva BH come segue:
La curva mostrata sopra è definita ciclo di "isteresi" del materiale e rappresenta la vera risposta BH del materiale. (La prima curva BH rappresenta la media o lo standard della vera risposta del ciclo BH).
La pendenza della curva BH, il livello di saturazione e la dimensione del ciclo di isteresi dipendono dal tipo di materiale utilizzato e da altri fattori.
Ciò è illustrato dai seguenti esempi:
 | Nucleo di ferro di bassa qualità Densità di flusso ad alta saturazione Ciclo grande = grande perdita di isteresi Adatto per 50/60Hz |
 | Nucleo di ferro di alta qualità Densità di flusso ad alta saturazione Ciclo medio = perdita di isteresi media Adatto per trasformatori da 400 Hz |
 | Nucleo in ferrite - senza traferro Densità di flusso di saturazione media Piccolo ciclo = piccola perdita di isteresi Adatto per trasformatori ad alta frequenza |
 | Nucleo di ferrite - grande traferro Piccolo ciclo = piccola perdita di isteresi Adatto per induttori ad alta frequenza con grande corrente continua |
4. Perdita di isteresi nei trasformatori
La curva BH presenta un fenomeno chiamato isteresi.
Si tratta di un fenomeno in cui la magnetizzazione del materiale del nucleo è in ritardo rispetto alla forza magnetizzante: le perdite di energia risultanti da questo evento sono note come perdita per isteresi.
I materiali con cicli di isteresi più grandi subiscono perdite maggiori.
Questa perdita è rappresentata dall'area racchiusa nel ciclo di isteresi BH.
Per questo motivo, i nuclei dei trasformatori sono progettati con materiali che presentano una bassa perdita di isteresi per migliorarne l'efficienza.
5. Perdite di correnti parassite nei trasformatori
Le correnti parassite (chiamate anche correnti di Foucault) sono circuiti di corrente elettrica indotti nel materiale del nucleo dal flusso magnetico alternato.
Le correnti creano una perdita resistiva che porta al riscaldamento del nucleo, fenomeno noto come perdita per correnti parassite, poiché ha l'aspetto di mulinelli o vortici.
Per ridurre al minimo le perdite, i nuclei dei trasformatori sono realizzati con fogli laminati o materiali di ferrite , che limitano i percorsi di queste correnti.
6. Circuito equivalente del trasformatore
Un trasformatore ideale con un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari può essere rappresentato come mostrato di seguito:
Un tale trasformatore ha le seguenti caratteristiche:
- Nessuna perdita
- Accoppiamento perfetto tra tutti gli avvolgimenti
- Impedenza a circuito aperto infinita (vale a dire, nessuna corrente di ingresso quando i secondari sono a circuito aperto).
- Isolamento infinito tra gli avvolgimenti
In pratica, i trasformatori differiscono dal modello ideale a causa di varie caratteristiche non ideali. I circuiti equivalenti dei trasformatori incorporano questi aspetti:
- Resistenze di avvolgimento
- Capacità
- Perdite di base
- Induttanza magnetizzante
- Induttanze di dispersione
Queste variabili aiutano a prevedere le prestazioni del trasformatore e gli scostamenti dal modello ideale.
Molte di queste caratteristiche possono essere rappresentate da un circuito equivalente del trasformatore:
Dove:
R1, R2, R3 rappresentano la resistenza del filo dell'avvolgimento.
C1, C2, C3 rappresentano la capacità tra gli avvolgimenti.
Rp rappresenta le perdite dovute alle perdite di corrente parassita e di isteresi. Queste sono le perdite di potenza reali, a volte chiamate perdite di nucleo, che possono essere misurate eseguendo una misurazione della potenza a circuito aperto. Poiché non c'è corrente di carico, c'è una perdita di rame I 2 R molto piccola nell'avvolgimento energizzato e i watt misurati senza carico sono quasi tutti dovuti al nucleo.
Lp rappresenta l'impedenza dovuta alla corrente magnetizzante. Questa è la corrente che genera la forza magnetizzante, H, utilizzata nei diagrammi del loop BH. Si noti che questa corrente potrebbe non essere una semplice onda sinusoidale, ma può avere una forma distorta e a picco, se il trasformatore viene azionato nella regione non lineare della curva BH. Questo è solitamente il caso dei trasformatori di tipo laminato a frequenza di linea.
L1, L2, L3 rappresentano l'induttanza di dispersione di ciascuno degli avvolgimenti. (Questo è discusso in dettaglio in " Misurazione dell'induttanza di dispersione ".)
7. Conclusion
La comprensione del circuito equivalente di un trasformatore fornisce preziose informazioni sulle sue prestazioni nel mondo reale, incluso il modo in cui vari fattori influenzano l'efficienza. La conoscenza della teoria dei trasformatori, del funzionamento e delle considerazioni pratiche è essenziale per gli ingegneri per progettare e testare i trasformatori in modo efficace in diverse applicazioni.
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