Tipi di trasformatori

Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico statico contenente da due a più bobine situate su un circuito magnetico comune e quindi collegate induttivamente tra loro. Serve come trasformatore per convertire l'energia elettrica dalla corrente alternata mediante induzione elettromagnetica senza modificare la frequenza della corrente. I trasformatori vengono utilizzati sia per la conversione della tensione CA che per isolamento galvanico in vari campi dell'ingegneria elettrica ed elettronica.

In tutta onestà, notiamo che in alcuni casi il trasformatore può contenere un solo avvolgimento (autotrasformatore) e il nucleo può essere completamente assente (trasformatore HF), ma la maggior parte dei trasformatori ha un nucleo (circuito magnetico) fatto di materiale ferromagnetico magnetico morbido, e due o più bobine di nastro o filo isolate coperte da un flusso magnetico comune, ma prima in primo luogo. Diamo un'occhiata a quali tipi di trasformatori sono, come sono disposti e per cosa vengono utilizzati.

Trasformatore di potenza

Questo tipo di trasformatori a bassa frequenza (50-60 Hz) viene utilizzato nelle reti elettriche, nonché negli impianti per la ricezione e la conversione dell'energia elettrica. Perché si chiama potere? Perché è questo tipo di trasformatore che viene utilizzato per fornire e ricevere elettricità da e verso le linee elettriche, dove la tensione può raggiungere i 1150 kV.

Nelle reti elettriche urbane, la tensione raggiunge i 10 kV. Attraverso esattamente potenti trasformatori a bassa frequenza la tensione scende anche ai 0,4 kV, 380/220 volt richiesti dai consumatori.

Strutturalmente, un tipico trasformatore di potenza può contenere due, tre o più avvolgimenti disposti su un nucleo di acciaio elettrico corazzato, con alcuni degli avvolgimenti di bassa tensione alimentati in parallelo (trasformatore ad avvolgimento diviso).

Questo è utile per aumentare la tensione ricevuta da più generatori contemporaneamente. Di norma, il trasformatore di potenza viene posto in un serbatoio con olio per trasformatori e, nel caso di esemplari particolarmente potenti, viene aggiunto un sistema di raffreddamento attivo.

I trasformatori di potenza trifase con una capacità fino a 4000 kVA sono installati nelle sottostazioni e nelle centrali elettriche. I trifase sono più comuni, poiché si ottengono perdite fino al 15% in meno rispetto a tre monofase.

Trasformatore di rete

Negli anni '80 e '90, i trasformatori di linea si potevano trovare in quasi tutti gli apparecchi elettrici. Con l'aiuto di un trasformatore di rete (solitamente monofase), la tensione di una rete domestica da 220 volt con una frequenza di 50 Hz viene ridotta al livello richiesto da un apparecchio elettrico, ad esempio 5, 12, 24 o 48 volt.

I trasformatori di linea sono spesso realizzati con più avvolgimenti secondari in modo che più sorgenti di tensione possano essere utilizzate per alimentare diverse parti del circuito. In particolare, i trasformatori TN (trasformatore a incandescenza) si potevano sempre (e si possono ancora trovare) nei circuiti dove sono presenti tubi radio.

I trasformatori di linea moderni sono costruiti su nuclei a forma di W, a forma di asta o toroidali di un insieme di piastre elettriche in acciaio su cui sono avvolte le bobine. La forma toroidale del circuito magnetico consente di ottenere un trasformatore più compatto.

Se confrontiamo trasformatori con la stessa potenza totale dei nuclei toroidali e a forma di W, il toroidale occuperà meno spazio, inoltre la superficie del circuito magnetico toroidale è completamente ricoperta dagli avvolgimenti, non c'è giogo vuoto, così come la cassa con nuclei corazzati a forma di W oa bastoncino. La rete elettrica comprende, in particolare, trasformatori di saldatura con una potenza fino a 6 kW. I trasformatori di rete sono, ovviamente, classificati come trasformatori a bassa frequenza.

Autotrasformatore

Un tipo di trasformatore a bassa frequenza è un autotrasformatore in cui l'avvolgimento secondario fa parte del primario o il primario fa parte del secondario. Cioè, nell'autotrasformatore, gli avvolgimenti sono collegati non solo magneticamente, ma anche elettricamente. Diversi cavi sono realizzati da una bobina e consentono di ottenere tensioni diverse da una sola bobina.

Il vantaggio principale dell'autotrasformatore è il suo minor costo, poiché viene utilizzato meno filo per gli avvolgimenti, meno acciaio per il nucleo e, di conseguenza, il peso è inferiore a quello di un trasformatore convenzionale.Lo svantaggio è la mancanza di isolamento galvanico delle bobine.

Gli autotrasformatori sono utilizzati nei dispositivi di controllo automatico e sono ampiamente utilizzati anche nelle reti elettriche ad alta tensione. Gli autotrasformatori trifase con connessione a triangolo oa stella nelle reti elettriche sono oggi molto richiesti.

Gli autotrasformatori di potenza sono disponibili con capacità fino a centinaia di megawatt. Gli autotrasformatori vengono utilizzati anche per avviare potenti motori CA. Gli autotrasformatori sono particolarmente utili per bassi rapporti di trasformazione.

Autotrasformatore da laboratorio

Un caso speciale di un autotrasformatore è un autotrasformatore da laboratorio (LATR). Consente di regolare agevolmente la tensione fornita all'utente. Il design LATR è trasformatore toroidale con un unico avvolgimento che presenta una "pista" non isolata da spira a spira, ovvero è possibile collegarsi a ciascuna delle spire dell'avvolgimento. Il contatto con il cingolo è fornito da una spazzola di carbone scorrevole controllata da una manopola.

Quindi puoi ottenere la tensione effettiva con diverse grandezze sul carico. I tipici azionamenti monofase consentono di accettare tensioni da 0 a 250 volt e trifase - da 0 a 450 volt. I LATR con potenza da 0,5 a 10 kW sono molto popolari nei laboratori per la messa a punto di apparecchiature elettriche.

Trasformatore di corrente

Trasformatore di corrente è chiamato trasformatore il cui avvolgimento primario è collegato a una sorgente di corrente e l'avvolgimento secondario a dispositivi di protezione o misurazione che hanno una bassa resistenza interna. Il tipo più comune di trasformatore di corrente è un trasformatore di corrente per strumenti.

L'avvolgimento primario del trasformatore di corrente (di solito solo una spira, un filo) è collegato in serie nel circuito in cui si desidera misurare la corrente alternata. Si scopre che la corrente dell'avvolgimento secondario è proporzionale alla corrente del primario, mentre l'avvolgimento secondario deve necessariamente essere caricato, perché altrimenti la tensione dell'avvolgimento secondario può essere abbastanza alta da rompere l'isolamento. Inoltre, se l'avvolgimento secondario del TA si apre, il circuito magnetico si brucerà semplicemente a causa delle correnti indotte non compensate.

La costruzione del trasformatore di corrente è un nucleo in acciaio elettrico laminato a freddo in silicio laminato sul quale sono avvolti uno o più avvolgimenti secondari isolati. L'avvolgimento primario è spesso semplicemente una sbarra collettrice o un filo con una corrente misurata fatta passare attraverso la finestra del circuito magnetico (a proposito, questo principio è usato da pinza amperometrica). La caratteristica principale di un trasformatore di corrente è il rapporto di trasformazione, ad esempio 100/5 A.

I trasformatori di corrente sono ampiamente utilizzati per la misurazione della corrente e nei circuiti di protezione dei relè. Sono sicuri perché i circuiti misurati e secondari sono isolati galvanicamente l'uno dall'altro. Tipicamente, i trasformatori di corrente industriali sono realizzati con due o più gruppi di avvolgimenti secondari, uno dei quali è collegato a dispositivi di protezione, l'altro a un dispositivo di misura, come i contatori.

Trasformatore di impulsi

In quasi tutti i moderni alimentatori di rete, in vari inverter, nelle saldatrici e in altri convertitori elettrici di potenza e di bassa potenza, vengono utilizzati trasformatori di impulsi.Oggi i circuiti a impulsi hanno quasi completamente sostituito i pesanti trasformatori a bassa frequenza con nuclei in acciaio laminato.

Un tipico trasformatore di impulsi è un trasformatore con nucleo di ferrite. La forma del nucleo (circuito magnetico) può essere completamente diversa: anello, asta, coppa, a forma di W, a forma di U. Il vantaggio delle ferriti rispetto all'acciaio per trasformatori è ovvio: i trasformatori a base di ferrite possono funzionare a frequenze fino a 500 kHz o più.

Poiché il trasformatore di impulsi è un trasformatore ad alta frequenza, le sue dimensioni si riducono notevolmente all'aumentare della frequenza. È necessario meno filo per gli avvolgimenti e la corrente di campo è sufficiente per ottenere una corrente ad alta frequenza nell'anello primario, IGBT o un transistor bipolare, a volte diversi, a seconda della topologia del circuito di alimentazione a impulsi (avanti - 1, push-pull - 2, semiponte - 2, ponte - 4).

Per essere onesti, notiamo che se viene utilizzato un circuito di alimentazione inverso, il trasformatore è essenzialmente un doppio induttore, poiché i processi di accumulo e rilascio di elettricità nel circuito secondario sono separati nel tempo, cioè non procedono contemporaneamente, quindi, al circuito di controllo flyback, è ancora una bobina ma non un trasformatore.

I circuiti a impulsi con trasformatori e induttanze in ferrite si trovano oggi ovunque, dai reattori di lampade a risparmio energetico e caricabatterie di vari gadget, alle saldatrici e ai potenti inverter.

Trasformatore di corrente a impulsi

Per misurare l'ampiezza e (o) la direzione della corrente nei circuiti ad impulso, vengono spesso utilizzati trasformatori di corrente ad impulso, che sono un nucleo di ferrite, spesso a forma di anello (toroidale), con un avvolgimento.Un filo viene fatto passare attraverso l'anello del nucleo, la cui corrente deve essere esaminata, e la bobina stessa viene caricata su un resistore.

Ad esempio, l'anello contiene 1000 giri di filo, quindi il rapporto tra le correnti del primario (filo filettato) e l'avvolgimento secondario sarà 1000 a 1. Se l'avvolgimento dell'anello è caricato su un resistore di valore noto, quindi la tensione misurata ai suoi capi sarà proporzionale alla corrente della bobina, il che significa che la corrente misurata è 1000 volte la corrente attraverso questo resistore.

L'industria produce trasformatori di corrente ad impulso con diversi rapporti di trasformazione. Il progettista deve solo collegare un resistore e un circuito di misurazione a tale trasformatore. Se vuoi conoscere la direzione della corrente, non la sua grandezza, l'avvolgimento del trasformatore di corrente viene semplicemente caricato da due diodi zener opposti.

Comunicazione tra macchine elettriche e trasformatori

I trasformatori elettrici sono sempre inclusi nei corsi di macchine elettriche studiati in tutte le specialità di ingegneria elettrica delle istituzioni educative. In sostanza, un trasformatore elettrico non è una macchina elettrica, ma un apparato elettrico, non essendoci parti in movimento, la cui presenza è un tratto caratteristico di qualsiasi macchina come tipologia di meccanismo, per questo motivo i citati corsi, in a scanso di equivoci, dovrebbe chiamarsi "corsi di macchine elettriche e trasformatori elettrici".

L'inclusione dei trasformatori in tutti i corsi di macchine elettriche è dovuta a due motivi.Uno è di origine storica: le stesse fabbriche che costruivano macchine elettriche in corrente alternata costruivano anche trasformatori, perché la semplice presenza di trasformatori dava alle macchine in corrente alternata un vantaggio rispetto alle macchine in corrente continua, che alla fine portò al loro predominio nel settore. E ora è impossibile immaginare una grande installazione CA senza trasformatori.

Tuttavia, con lo sviluppo della produzione di macchine e trasformatori in corrente alternata, si è reso necessario concentrare la produzione di trasformatori in apposite fabbriche di trasformazione. Il fatto è che a causa della possibilità di trasmettere corrente alternata utilizzando trasformatori su lunghe distanze, l'aumento della tensione più elevata dei trasformatori è stato molto più rapido dell'aumento della tensione delle macchine elettriche a corrente alternata.

Allo stadio attuale di sviluppo delle macchine elettriche a corrente alternata, la tensione razionale più alta per esse è di 36 kV. Allo stesso tempo, la tensione più alta nei trasformatori elettrici effettivamente implementati ha raggiunto i 1150 kV. Tali tensioni elevate del trasformatore e il loro funzionamento su linee elettriche aeree esposte ai fulmini hanno portato a problemi del trasformatore molto specifici che sono estranei alle macchine elettriche.

Ciò ha portato alla produzione di problemi tecnologici così diversi dai problemi tecnologici dell'ingegneria elettrica che la separazione dei trasformatori in una produzione indipendente è diventata inevitabile. Scomparve così la prima ragione, la connessione industriale che avvicinava i trasformatori alle macchine elettriche.

Il secondo motivo è di carattere fondamentale e consiste nel fatto che i trasformatori elettrici utilizzati nella pratica, così come le macchine elettriche, sono basati su il principio dell'induzione elettromagnetica (legge di Faraday), — rimane un legame incrollabile tra di loro. Allo stesso tempo, per comprendere molti fenomeni nelle macchine a corrente alternata, è assolutamente necessaria una conoscenza dei processi fisici che avvengono nei trasformatori e, inoltre, la teoria di un'ampia classe di macchine a corrente alternata può essere ridotta alla teoria di trasformatori, facilitando così la loro considerazione teorica.

Pertanto, nella teoria delle macchine a corrente alternata, la teoria dei trasformatori occupa un posto forte, da cui, tuttavia, non segue che i trasformatori possano essere chiamati macchine elettriche. Inoltre, va tenuto presente che i trasformatori hanno una definizione degli obiettivi e un processo di conversione dell'energia diversi rispetto alle macchine elettriche.

Lo scopo di una macchina elettrica è quello di convertire energia meccanica in energia elettrica (generatore) o, viceversa, energia elettrica in energia meccanica (motore), mentre in un trasformatore si tratta della conversione di un tipo di energia elettrica a corrente alternata in alternata energia elettrica attuale. corrente di tipo diverso.