Principali caratteristiche del trasformatore
Caratteristiche esterne del trasformatore
È noto che la tensione ai capi dell'avvolgimento secondario trasformatore dipende dalla corrente di carico collegata a quella bobina. Questa dipendenza è chiamata la caratteristica esterna del trasformatore.
La caratteristica esterna del trasformatore viene rimossa a una tensione di alimentazione costante, quando con una variazione del carico, infatti con una variazione della corrente di carico, la tensione ai terminali dell'avvolgimento secondario, ad es. cambia anche la tensione secondaria di un trasformatore.
Questo fenomeno è spiegato dal fatto che sulla resistenza dell'avvolgimento secondario, con una variazione della resistenza di carico, cambia anche la caduta di tensione e, a causa della variazione della caduta di tensione attraverso la resistenza dell'avvolgimento primario, l'EMF di l'avvolgimento secondario cambia di conseguenza.
Poiché l'equazione di equilibrio EMF nell'avvolgimento primario contiene quantità vettoriali, la tensione attraverso l'avvolgimento secondario dipende sia dalla corrente di carico che dalla natura di quel carico: se è attivo, induttivo o capacitivo.
La natura del carico è evidenziata dal valore dell'angolo di fase tra la corrente attraverso il carico e la tensione attraverso il carico. Fondamentalmente, puoi inserire un fattore di carico che mostrerà quante volte la corrente di carico differisce dalla corrente nominale per un dato trasformatore:
Per calcolare con precisione le caratteristiche esterne del trasformatore, si può ricorrere a un circuito equivalente, in cui, modificando la resistenza di carico, è possibile fissare la tensione e la corrente dell'avvolgimento secondario.
Tuttavia, nella pratica si rivela utile la seguente formula, dove la tensione a vuoto e la "variazione di tensione secondaria", misurata in percentuale, vengono sostituite e calcolate come differenza aritmetica tra la tensione a circuito aperto e la tensione a un dato carico in percentuale della tensione a circuito aperto:
L'espressione per trovare la «variazione di tensione secondaria» si ottiene con alcune ipotesi dal circuito equivalente del trasformatore:
Qui vengono inseriti i valori delle componenti reattive e attive della tensione di cortocircuito. Queste componenti di tensione (attive e reattive) si trovano nei parametri del circuito equivalente o si trovano sperimentalmente in esperienza di cortocircuito.
L'esperienza del cortocircuito rivela molto sul trasformatore.La tensione di cortocircuito si trova come rapporto tra la tensione sperimentale di cortocircuito e la tensione primaria nominale. Il parametro "tensione di cortocircuito" è specificato in percentuale.
Nel corso dell'esperimento, l'avvolgimento secondario viene cortocircuitato al trasformatore, mentre al primario viene applicata una tensione molto inferiore a quella nominale, in modo che la corrente di cortocircuito sia pari al valore nominale. In questo caso, la tensione di alimentazione è bilanciata dalla caduta di tensione sugli avvolgimenti e il valore della tensione ridotta applicata è considerato come la caduta di tensione equivalente sugli avvolgimenti a una corrente di carico pari al valore nominale.
Per i trasformatori di alimentazione a bassa potenza e per i trasformatori di potenza, il valore della tensione di cortocircuito è compreso tra il 5% e il 15% e più potente è il trasformatore, minore è questo valore. Il valore esatto della tensione di cortocircuito è riportato nella documentazione tecnica di uno specifico trasformatore.
La figura mostra le caratteristiche esterne costruite secondo le formule precedenti, si può vedere che i grafici sono lineari, questo perché la tensione secondaria non dipende fortemente dal fattore di carico a causa della resistenza relativamente bassa dell'avvolgimento e del campo magnetico di funzionamento il flusso dipende poco dal carico.
La figura mostra che l'angolo di fase, a seconda della natura del carico, influisce sulla diminuzione o sull'aumento della caratteristica. Con un carico attivo o attivo-induttivo, la caratteristica diminuisce, con un carico attivo-capacitivo può aumentare, quindi il secondo termine nella formula per "variazione di tensione" diventa negativo.
Per i trasformatori a bassa potenza, la componente attiva di solito scende più di quella induttiva, quindi la caratteristica esterna con un carico attivo è meno lineare che con un carico attivo-induttivo. Per trasformatori più potenti è il contrario, quindi la caratteristica del carico attivo sarà più stringente.
Rendimento del trasformatore
L'efficienza del trasformatore è il rapporto tra la potenza elettrica utile fornita al carico e la potenza elettrica attiva consumata dal trasformatore:
La potenza consumata dal trasformatore è la somma della potenza consumata dal carico e delle perdite di potenza direttamente nel trasformatore. Inoltre, la potenza attiva è correlata alla potenza totale come segue:
Poiché la tensione di uscita del trasformatore è solitamente debolmente dipendente dal carico, il fattore di carico può essere correlato alla potenza apparente nominale come segue:
E la potenza consumata dal carico nel circuito secondario:
Le perdite elettriche nel carico di grandezza arbitraria possono essere espresse, tenendo conto delle perdite al carico nominale, dal fattore di carico:
Le perdite di carico nominali sono determinate in modo molto preciso dalla potenza consumata dal trasformatore nell'esperimento di cortocircuito e le perdite di natura magnetica sono pari alla potenza a vuoto consumata dal trasformatore. Questi componenti di perdita sono riportati nella documentazione del trasformatore. Quindi, se consideriamo i fatti di cui sopra, la formula dell'efficienza assumerà la seguente forma:
La figura mostra la dipendenza dell'efficienza del trasformatore dal carico.Quando il carico è zero, l'efficienza è zero.
All'aumentare del fattore di carico, aumenta anche la potenza fornita al carico e le perdite magnetiche rimangono invariate e l'efficienza, che è facile vedere, aumenta linearmente. Poi arriva il valore ottimale del fattore di carico, dove l'efficienza raggiunge il suo limite, a questo punto si ottiene la massima efficienza.
Dopo aver superato il fattore di carico ottimale, l'efficienza inizia a diminuire gradualmente. Questo perché le perdite elettriche aumentano, sono proporzionali al quadrato della corrente e, di conseguenza, al quadrato del fattore di carico. L'efficienza massima per i trasformatori ad alta potenza (la potenza è misurata in unità di kVA o più) è compresa tra il 98% e il 99%, per i trasformatori a bassa potenza (meno di 10 VA) l'efficienza può essere intorno al 60%.
Di norma, in fase di progettazione cercano di realizzare trasformatori in modo tale che l'efficienza raggiunga il suo valore massimo con un fattore di carico ottimale compreso tra 0,5 e 0,7, quindi con un fattore di carico reale compreso tra 0,5 e 1, l'efficienza sarà vicina al suo massimo. Con riduzione fattore di potenza (coseno phi) del carico collegato all'avvolgimento secondario diminuisce anche la potenza di uscita, mentre rimangono invariate le perdite elettriche e magnetiche, quindi il rendimento in questo caso diminuisce.
La modalità ottimale di funzionamento del trasformatore, ad es. modalità nominale, sono generalmente impostati in base alle condizioni di funzionamento senza problemi e in base al livello di riscaldamento consentito durante un determinato periodo di funzionamento.Questa è una condizione estremamente importante affinché il trasformatore, pur erogando la potenza nominale durante il funzionamento in modalità nominale, non si surriscaldi.