Il dispositivo e il principio di funzionamento del trasformatore

Per convertire una tensione elettrica di una grandezza in una tensione elettrica di un'altra grandezza, cioè per convertire l'energia elettrica, utilizzare trasformatori elettrici.

Un trasformatore può solo convertire la corrente alternata in corrente alternata, quindi, per ottenere corrente continua, la corrente alternata dal trasformatore viene rettificata se necessario. A questo scopo servono raddrizzatori.

In un modo o nell'altro, ogni trasformatore (sia esso un trasformatore di tensione, un trasformatore di corrente o un trasformatore di impulsi) funziona per il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che si manifesta in tutto il suo splendore proprio con la corrente alternata o impulsiva.

Dispositivo trasformatore

Nella sua forma più semplice, un trasformatore monofase è costituito da sole tre parti principali: un nucleo ferromagnetico (circuito magnetico), nonché avvolgimenti primari e secondari. In linea di principio, un trasformatore può avere più di due avvolgimenti, ma almeno due. In alcuni casi, la funzione dell'avvolgimento secondario può essere svolta da parte delle spire dell'avvolgimento primario (vedi Fig. tipi di trasformatori), ma tali soluzioni sono piuttosto rare rispetto a quelle usuali.

La parte principale del trasformatore è un nucleo ferromagnetico. Quando il trasformatore è in funzione, il campo magnetico variabile si trova all'interno del nucleo ferromagnetico. La fonte del campo magnetico variabile nel trasformatore è la corrente alternata dell'avvolgimento primario.

Tensione dell'avvolgimento secondario del trasformatore

È noto che ogni corrente elettrica è accompagnata da un campo magnetico; di conseguenza, una corrente alternata è accompagnata da un campo magnetico alternato (che cambia in intensità e direzione).

Pertanto, fornendo corrente alternata all'avvolgimento primario del trasformatore, otteniamo un campo magnetico variabile della corrente dell'avvolgimento primario. E quindi il campo magnetico è concentrato principalmente nel nucleo del trasformatore, questo nucleo è costituito da un materiale ad alta permeabilità magnetica, migliaia di volte maggiore di quella dell'aria, quindi la parte principale del flusso magnetico dell'avvolgimento primario sarà chiuso esattamente all'interno del nucleo, non attraverso l'aria.

Pertanto, il campo magnetico alternato dell'avvolgimento primario è concentrato nel volume del nucleo del trasformatore, che è realizzato in acciaio per trasformatori, ferrite o altro materiale adatto, a seconda della frequenza operativa e dello scopo di un particolare trasformatore.

L'avvolgimento secondario del trasformatore si trova su un nucleo comune con il suo avvolgimento primario. Pertanto, il campo magnetico alternato dell'avvolgimento primario penetra anche nelle spire dell'avvolgimento secondario.

UN fenomeno di induzione elettromagnetica sta semplicemente nel fatto che un campo magnetico variabile nel tempo provoca un campo elettrico variabile nello spazio circostante. E poiché c'è un secondo filo della bobina in questo spazio attorno al campo magnetico variabile, il campo elettrico alternato indotto agisce sui portatori di carica all'interno di questo filo.

Questa azione del campo elettrico provoca un EMF con ogni giro della bobina secondaria. Di conseguenza, appare una tensione elettrica alternata tra i terminali dell'avvolgimento secondario. Quando l'avvolgimento secondario del trasformatore collegato non è caricato, il trasformatore è vuoto.

Funzionamento del trasformatore sotto carico

Se un determinato carico è collegato all'avvolgimento secondario di un trasformatore funzionante, attraverso il carico si genera una corrente nell'intero circuito secondario del trasformatore.

Questa corrente genera il proprio campo magnetico, che, secondo la legge di Lenz, ha una direzione tale da opporsi alla "causa che lo provoca". Ciò significa che il campo magnetico della corrente dell'avvolgimento secondario in ogni istante di tempo tende a ridurre il campo magnetico crescente dell'avvolgimento primario oppure tende a sostenere il campo magnetico dell'avvolgimento primario quando questo diminuisce, punta sempre al campo magnetico campo della bobina primaria.

Pertanto, quando l'avvolgimento secondario del trasformatore viene caricato, si verifica una forza controelettromotrice nel suo avvolgimento primario, costringendo l'avvolgimento primario del trasformatore ad assorbire più corrente dalla rete di alimentazione.

Fattore di trasformazione

Il rapporto delle spire degli avvolgimenti primario N1 e secondario N2 di un trasformatore determina il rapporto tra le sue tensioni di ingresso U1 e di uscita U2 e le correnti di ingresso I1 e di uscita I2 quando il trasformatore funziona sotto carico. Questo rapporto è chiamato rapporto di trasformazione del trasformatore:

Il fattore di trasformazione è maggiore di uno se il trasformatore è abbassato e minore di uno se il trasformatore è aumentato.

Trasformatore di tensione

Un trasformatore di tensione è un tipo di trasformatore step-down progettato per isolare galvanicamente i circuiti ad alta tensione dai circuiti a bassa tensione.

Di solito, quando si tratta di alta tensione, significano 6 kilovolt o più (sull'avvolgimento primario del trasformatore di tensione), e bassa tensione significa valori dell'ordine di 100 volt (sull'avvolgimento secondario).

Tale trasformatore viene utilizzato, di norma, a scopo di misurazione… Riduce, ad esempio, l'alta tensione della linea elettrica a una conveniente bassa tensione per la misura, essendo anche in grado di isolare galvanicamente i circuiti di misura, protezione e controllo dal circuito ad alta tensione. Questi tipi di trasformatori di solito funzionano in modalità inattiva.

Fondamentalmente qualsiasi cosa può essere definita un trasformatore di tensione trasformatore di potenzautilizzato per convertire l'energia elettrica.

Trasformatore di corrente

In un trasformatore di corrente, l'avvolgimento primario, che di solito è costituito da una sola spira, è collegato in serie con il circuito della sorgente di corrente. Questa svolta può essere una sezione del filo del circuito in cui è necessario misurare la corrente.

Il filo viene semplicemente fatto passare attraverso la finestra del nucleo del trasformatore e diventa questo singolo giro, il giro dell'avvolgimento primario. Il suo avvolgimento secondario, che ha molte spire, è collegato a un dispositivo di misura che ha una bassa resistenza interna.

I trasformatori di questo tipo vengono utilizzati per misurare i valori di corrente alternata nei circuiti di potenza. Qui la corrente e la tensione dell'avvolgimento secondario sono proporzionali alla corrente misurata dell'avvolgimento primario (circuito di corrente).

I trasformatori di corrente sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di protezione dei relè per i sistemi di alimentazione, quindi hanno un'elevata precisione. Rendono le misurazioni sicure, in quanto isolano galvanicamente in modo affidabile il circuito di misurazione dal circuito primario (di solito ad alta tensione - decine e centinaia di kilovolt).

Trasformatore di impulsi

Questo trasformatore è progettato per convertire una forma di impulso di corrente (tensione). Brevi impulsi, generalmente rettangolari, applicati al suo avvolgimento primario fanno funzionare il trasformatore praticamente in condizioni transitorie.

Tali trasformatori sono utilizzati nei convertitori di tensione a impulsi e in altri dispositivi a impulsi, nonché nei trasformatori di differenziazione.

L'utilizzo di trasformatori di impulsi consente di ridurre il peso e il costo dei dispositivi in ​​cui vengono utilizzati, semplicemente a causa della maggiore frequenza di conversione (decine e centinaia di kilohertz) rispetto ai trasformatori di rete operanti a una frequenza di 50-60 Hz. Gli impulsi rettangolari, il cui tempo di salita è molto inferiore alla durata dell'impulso stesso, vengono solitamente trasformati con una bassa distorsione.