Progettazione del trasformatore di potenza

Un trasformatore è una macchina elettrica che converte la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di un'altra tensione.

I principali elementi strutturali dei trasformatori di potenza: corpo, nucleo, avvolgimenti, dispositivo di raffreddamento, passanti e dispositivi di protezione (espansore, tubo di scarico e relè gas).

Gli avvolgimenti del trasformatore sono disposti in modo tale che il flusso magnetico creato dall'avvolgimento primario penetri nella maggior parte degli avvolgimenti secondari. Questo requisito è garantito dalla costruzione del nucleo in acciaio, che è un circuito magnetico chiuso. A seconda della disposizione reciproca degli avvolgimenti e del sistema magnetico, esistono due tipi principali di trasformatori: asta e armatura.

In un trasformatore a barra, gli avvolgimenti si trovano sulle barre del nucleo, che sono collegate da gioghi che chiudono il circuito magnetico. Il tipo ad asta viene utilizzato per alimentatori e una serie di trasformatori speciali. Un trasformatore corazzato utilizza un circuito magnetico ramificato che copre l'avvolgimento, come se lo "corazzasse".La struttura del nucleo simile ad un'armatura è particolarmente utilizzata per piccoli trasformatori monofase.

Trasformatore a stelo trifase:

Il circuito magnetico del trasformatore, chiamato nucleo, è assemblato da fogli di acciaio legato. Per non chiudere i fogli, vengono prerivestiti con un sottile strato di vernice o incollati con carta.

Il nucleo è costituito da aste portanti le spire e da un giogo che chiude il circuito magnetico. La sezione trasversale del nucleo dovrebbe essere il più vicino possibile alla forma delle bobine.

Negli avvolgimenti rettangolari, la sezione trasversale del nucleo è rettangolare. Con tondo: il nucleo ha una sezione a più livelli. Se il nucleo ha una grande sezione trasversale, vengono realizzati canali d'aria longitudinali per rimuovere il calore, dividendo il nucleo in pacchi separati.

I fogli vengono uniti con spilli o rivetti. I singoli fogli non devono essere collegati tra loro, poiché potrebbero verificarsi correnti parassite nel piano di contatto. Per evitare che i fogli si chiudano attraverso i perni e i rivetti, su di essi vengono posizionati dei tubi isolanti. I dadi e le teste dei rivetti sono isolati dalle piastre pressa anime con rondelle di cartone elettrico.

Nei trasformatori vengono utilizzati due tipi di avvolgimenti: disco e cilindrico.

Con un design di avvolgimento a forma di disco, gli avvolgimenti primari e secondari sono divisi in una serie di avvolgimenti piatti a forma di disco che si alternano in serie sul nucleo del trasformatore.

In un avvolgimento cilindrico, gli avvolgimenti primario e secondario sono disposti concentricamente l'uno rispetto all'altro. L'avvolgimento di bassa tensione è solitamente posizionato più vicino al nucleo in quanto è più facile isolarlo dall'acciaio.

Quando si realizzano gli avvolgimenti, è necessario distinguere tra l'isolamento dei singoli fili, l'isolamento tra strati e avvolgimenti, l'isolamento tra gli avvolgimenti primari e secondari (secondari) e l'isolamento degli avvolgimenti rispetto al nucleo.

Gli avvolgimenti del trasformatore sono realizzati in filo di rame ricoperto di isolante. Per isolare i fili di avvolgimento, vengono utilizzati carta, a volte filo di seta di cotone, lamina di vernice (smalto) o diversi strati di isolamento, ad esempio uno strato di vernice e uno strato di filo di seta, uno strato di carta e uno strato di filo di cotone , eccetera.

I separatori di carta vengono utilizzati come isolante tra gli strati. Gli avvolgimenti sono isolati con rondelle o guarnizioni di cartone elettrico avvolte con nastro imbevuto d'olio, carta o tela.

Le estremità degli avvolgimenti del trasformatore vengono portate fuori con l'ausilio di boccole, che le isolano dal corpo messo a terra (serbatoio).

Dispositivo trasformatore:

Esistono due modi fondamentali per collegare gli avvolgimenti di un trasformatore trifase: connessione a triangolo e connessione a stella. Quando gli avvolgimenti sono collegati a triangolo, la tensione di fase è uguale alla tensione di linea e la corrente di fase è 1,73 volte inferiore alla corrente di linea. Quando gli avvolgimenti sono collegati a stella, la tensione di fase è 1,73 volte inferiore alla tensione di linea e la corrente di fase è uguale alla linea.

Il metodo di collegamento degli avvolgimenti in un trasformatore trifase è di grande importanza, poiché l'angolo di fase della tensione secondaria rispetto al primario dipende da esso. Lo sfasamento tra la tensione dell'avvolgimento primario e secondario dipende anche dalla direzione di avvolgimento delle bobine. Per maggiori dettagli vedi qui: Schemi e gruppi per il collegamento degli avvolgimenti dei trasformatori di potenza

Dove sono progettati i trasformatori per lavori paralleli congiunti, è necessario che i potenziali istantanei delle fasi di questi trasformatori siano gli stessi. I trasformatori che hanno lo stesso sfasamento tra le tensioni di linea degli avvolgimenti ad alta e bassa tensione sono assegnati allo stesso gruppo di connessioni di avvolgimento, a cui viene assegnato un numero in base alla designazione dell'ora.

Per isolare l'avvolgimento dal nucleo e per isolare l'avvolgimento di alta tensione dall'avvolgimento di bassa tensione, vengono utilizzati cilindri rigidi pressati da carta cotta o cilindri di cartone elettrico, i cosiddetti cilindri morbidi.

Nella costruzione del trasformatore è ampiamente utilizzato uno speciale olio minerale (petrolio), che viene chiamato trasformatore… I serbatoi sono riempiti con olio per trasformatori e vi è immerso un nucleo con avvolgimenti. Questo design è adottato per trasformatori di potenza ad alta potenza, per trasformatori raddrizzatori ad alta potenza, per trasformatori ad impulsi ad alta potenza.

L'olio del trasformatore, da cui sono state rimosse l'umidità e le impurità, cioè essiccato e purificato, è un buon isolante tra gli avvolgimenti e l'involucro metallico. Inoltre, l'olio del trasformatore, che ha una conducibilità termica maggiore dell'aria, conduce bene il calore dalle parti attive del trasformatore alle superfici esterne del serbatoio.

All'aumentare della potenza del trasformatore, le perdite crescono più velocemente delle sue dimensioni geometriche, il che porta alla necessità di aumentare la sua superficie di raffreddamento. Vedi i dettagli qui: Sistemi di raffreddamento per trasformatori di potenza

In pratica vengono utilizzati dispositivi che convertono la tensione alternata, in cui gli avvolgimenti primario e secondario sono collegati elettricamente. Questi dispositivi sono chiamati autotrasformatori.

Un autotrasformatore differisce da un trasformatore convenzionale in quanto i suoi avvolgimenti primari e secondari sono collegati non solo induttivamente (come in un trasformatore convenzionale), ma anche elettricamente.

Guarda anche: Caratteristiche prestazionali dei trasformatori di potenza