Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico utilizzato per convertire la corrente alternata di una tensione e frequenza in corrente alternata di una tensione diversa (o uguale) e la stessa frequenza.
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Il dispositivo e il funzionamento del trasformatore
Nel caso più semplice trasformatore contiene un avvolgimento primario con il numero di giri W1 e uno secondario con il numero di giri W2. L'energia viene fornita all'avvolgimento primario, il carico è collegato al secondario. Il trasferimento di energia avviene per induzione elettromagnetica. Per migliorare l'accoppiamento elettromagnetico, nella maggior parte dei casi, gli avvolgimenti sono posti su un nucleo chiuso (circuito magnetico).
Se viene applicata una tensione alternata U all'avvolgimento primario1, quindi una corrente alternata I1, che crea un flusso magnetico Ф 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 è rapporto di trasformazione.
Se k<1, allora U2>U1e un tale trasformatore è chiamato step-up. Se k>1, allora U2<U1, tale il trasformatore è chiamato step down. Poiché la potenza di uscita del trasformatore è uguale alla potenza di ingresso (meno le perdite nel trasformatore stesso), possiamo dire che Pout \u003d Pin, U1*IO1=U2*IO2 e io2= io1*k=io1*(W1/W2). Pertanto, in un trasformatore senza perdite, le tensioni di ingresso e di uscita sono direttamente proporzionali al rapporto delle spire degli avvolgimenti. E le correnti sono inversamente proporzionali a questo rapporto.
Un trasformatore può avere più di un avvolgimento secondario con rapporti diversi. Pertanto, un trasformatore per l'alimentazione di apparecchiature per lampade domestiche da una rete a 220 volt può avere un avvolgimento secondario, ad esempio 500 volt per alimentare circuiti anodici e 6 volt per alimentare circuiti a incandescenza. Nel primo caso k<1, nel secondo - k>1.
Il trasformatore funziona solo con tensione alternata: per il verificarsi di campi elettromagnetici nell'avvolgimento secondario, il flusso magnetico deve cambiare.
Tipi di nuclei per trasformatori
In pratica si utilizzano anime non solo della forma indicata. A seconda dello scopo del dispositivo, i circuiti magnetici possono essere eseguiti in diversi modi.
Nuclei di canne
I circuiti magnetici dei trasformatori a bassa frequenza sono realizzati in acciaio con proprietà magnetiche pronunciate.Per ridurre le correnti parassite, il core array è assemblato da piastre separate elettricamente isolate l'una dall'altra. Per lavorare alle alte frequenze vengono utilizzati altri materiali, ad esempio le ferriti.
Il nucleo considerato sopra è chiamato nucleo ed è costituito da due aste. Per i trasformatori monofase vengono utilizzati anche circuiti magnetici a tre barre. Hanno un flusso di dispersione magnetica inferiore e una maggiore efficienza. In questo caso, sia l'avvolgimento primario che quello secondario si trovano sull'asta centrale del nucleo.
Anche i trasformatori trifase sono realizzati su nuclei a tre aste. Hanno gli avvolgimenti primari e secondari di ciascuna fase, ciascuno posizionato sul proprio nucleo. In alcuni casi vengono utilizzati circuiti magnetici a cinque barre. I loro avvolgimenti si trovano esattamente allo stesso modo: ciascuno primario e secondario sulla propria asta e le due aste estreme su ciascun lato sono destinate solo alla chiusura dei flussi magnetici in determinate modalità.
corazzato
Nel nucleo corazzato vengono realizzati trasformatori monofase: entrambe le bobine sono posizionate sul nucleo centrale del circuito magnetico. Il flusso magnetico in un tale nucleo si chiude in modo simile a una struttura a tre aste, attraverso le pareti laterali. In questo caso il flusso di dispersione è molto piccolo.
I vantaggi di questo design includono un certo aumento di dimensioni e peso dovuto alla possibilità di un riempimento più denso della finestra centrale con l'avvolgimento, quindi è vantaggioso utilizzare nuclei corazzati per la produzione di trasformatori a bassa potenza. Ciò si traduce anche in un circuito magnetico più corto, che porta a una riduzione delle perdite a vuoto.
Lo svantaggio è un accesso più difficile agli avvolgimenti per la revisione e la riparazione, nonché la maggiore complessità della produzione di isolamento per alte tensioni.
Toroidale
Nei nuclei toroidali, il flusso magnetico è completamente chiuso all'interno del nucleo e praticamente non c'è flusso magnetico di dispersione. Ma tali trasformatori sono difficili da avvolgere, quindi vengono utilizzati abbastanza raramente, ad esempio, negli autotrasformatori regolabili a bassa potenza o nei dispositivi ad alta frequenza in cui l'immunità al rumore è importante.
Autotrasformatore
In alcuni casi è consigliabile utilizzare tali trasformatori, che hanno non solo un collegamento magnetico tra gli avvolgimenti, ma anche elettrico. Cioè, nei dispositivi step-up, l'avvolgimento primario fa parte del secondario e nei dispositivi step-down, la parte secondaria del primario. Tale dispositivo è chiamato autotrasformatore (AT).
Un autotrasformatore step-down non è un semplice divisore di tensione: l'accoppiamento magnetico è anche coinvolto nel trasferimento di energia al circuito secondario.
I vantaggi degli autotrasformatori sono:
- perdite minori;
- la possibilità di una regolazione regolare della tensione;
- indicatori di peso e dimensioni più piccoli (un autotrasformatore è più economico, è più facile trasportarlo);
- minor costo dovuto alla minore quantità di materiale richiesta.
Gli svantaggi includono la necessità di utilizzare l'isolamento di entrambi gli avvolgimenti, progettato per tensioni più elevate, nonché la mancanza di isolamento galvanico tra ingresso e uscita, che può trasferire gli effetti dei fenomeni atmosferici dal circuito primario al secondario. In questo caso, gli elementi del circuito secondario non possono essere messi a terra.Inoltre, lo svantaggio di AT è considerato l'aumento delle correnti di cortocircuito. Per gli autotrasformatori trifase, gli avvolgimenti sono solitamente collegati a stella con neutro collegato a terra, sono possibili altri schemi di collegamento, ma troppo complicati e ingombranti. Questo è anche uno svantaggio che restringe la portata degli autotrasformatori.
Applicazione dei trasformatori
La proprietà dei trasformatori di aumentare o diminuire la tensione è ampiamente utilizzata nell'industria e nella vita di tutti i giorni.
Trasformazione di tensione
Requisiti diversi sono imposti al livello di tensione industriale in fasi diverse. Quando si genera elettricità, non è redditizio utilizzare generatori ad alta tensione per vari motivi. Pertanto, ad esempio, nelle centrali idroelettriche vengono utilizzati generatori per 6 ... 35 kV. Per trasportare l'elettricità, al contrario, è necessaria una maggiore tensione, da 110 kV a 1150 kV, a seconda della distanza. Inoltre, questa tensione viene nuovamente ridotta al livello di 6 ... 10 kV, distribuita alle sottostazioni locali, da dove viene ridotta a 380 (220) volt e arriva al consumatore finale. Negli elettrodomestici e negli elettrodomestici deve anche essere abbassato, di solito a 3 ... 36 volt.
Tutte queste operazioni vengono eseguite con utilizzando trasformatori di potenza. Possono essere secchi o a base di olio. Nel secondo caso, il nucleo con gli avvolgimenti viene posto in un serbatoio con olio, che è un mezzo isolante e refrigerante.
Isolamento galvanico
L'isolamento galvanico aumenta la sicurezza degli apparecchi elettrici. Se il dispositivo è alimentato non direttamente da una rete a 220 volt, dove uno dei conduttori è collegato a terra, ma tramite un trasformatore a 220/220 volt, la tensione di alimentazione rimarrà la stessa.Ma con il contatto simultaneo della terra e delle parti secondarie del circuito che trasportano corrente per il flusso di corrente, non ci sarà flusso di corrente e il pericolo di scosse elettriche sarà molto più basso.
Misurazione della tensione
In tutti gli impianti elettrici è necessario controllare il livello di tensione. Se viene utilizzata una classe di tensione fino a 1000 volt, i voltmetri vengono collegati direttamente alle parti in tensione. Negli impianti elettrici superiori a 1000 volt, questo non funzionerà: i dispositivi in grado di resistere a tale tensione risultano troppo ingombranti e pericolosi in caso di guasto dell'isolamento. Pertanto, in tali sistemi, i voltmetri sono collegati a conduttori ad alta tensione tramite trasformatori con un conveniente rapporto di trasformazione. Ad esempio, per reti da 10 kV vengono utilizzati trasformatori di misura 1:100, l'uscita è una tensione standard di 100 volt. Se la tensione sull'avvolgimento primario cambia in ampiezza, cambia contemporaneamente sul secondario. La scala del voltmetro è solitamente graduata nella gamma di tensione primaria.
Il trasformatore è un elemento piuttosto complesso e costoso per la produzione e la manutenzione. Tuttavia, in molte aree questi dispositivi sono indispensabili e non ci sono alternative ad essi.
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