I trasformatori elevatori e abbassatori utilizzano gli stessi principi fisici tramite induzione elettromagnetica per alterare la tensione AC su di essi, ma si trovano su entrambi i lati della rete elettrica e sono opposti l'uno all'altro per quanto riguarda le funzioni che svolgono in termini di tensione e corrente. Anche se lavorano con lo stesso meccanismo, ciò non significa che differiscano in termini di qualità costruttiva. Piuttosto, l'intera differenza tra di loro risiede nel fatto che un trasformatore ha una bobina con più spire rispetto all'altro e questo determinerà come il trasformatore influenzerà la tensione e la corrente a seconda del luogo di installazione e avrà anche un'enorme influenza sul prezzo della macchina. Questo articolo spiega tutte le caratteristiche dei tipi di trasformatori e fornisce consigli pratici ai loro acquirenti.
La risposta è la seguente: Il trasformatore elevatore è progettato con più spire avvolte sul suo secondario rispetto al primario, risultando in una tensione più alta all'uscita rispetto all'ingresso. Lo stesso principio viene applicato per ridurre le perdite resistive trasmettendo energia a tensioni più elevate utilizzando questo metodo. Un trasformatore abbassatore ha meno spire nel secondario rispetto al primario; pertanto, produce una tensione più bassa con un aumento proporzionale della corrente in uscita. Entrambi i tipi di trasformatori si basano sulla stessa equazione Vs/Vp = Ns/Np; tuttavia, con la corrente che è inversamente proporzionale. Un trasformatore funzionerà come uno o l'altro tipo, se installato al contrario, ma i trasformatori abbassatori potrebbero non sempre produrre la loro potenza nominale se trasformati in elevatori a causa della costruzione delle spire, dell'isolamento e del sistema di raffreddamento legato a una specifica modalità di flusso di potenza.
Quali sono i due tipi
Entrambi i dispositivi sono tipi di macchine statiche. Ognuno ha due o più avvolgimenti su un nucleo magnetico. L'avvolgimento primario trasporta una corrente alternata e produce un flusso variabile all'interno del nucleo magnetico. Il flusso produce una tensione indotta nell'altro, chiamato avvolgimento secondario. I due avvolgimenti non sono elettricamente connessi tra loro in un trasformatore a due avvolgimenti. In entrambi i dispositivi, non ci sono parti in movimento.
L'unica caratteristica di design che separa un trasformatore elevatore da un trasformatore abbassatore è il rapporto di spire. Nel caso in cui l'avvolgimento secondario abbia più spire dell'avvolgimento primario, la tensione indotta nell'avvolgimento secondario diventa più alta, e il trasformatore è un trasformatore elevatore. Se le spire nell'avvolgimento secondario sono inferiori a quelle nell'avvolgimento primario, significa che la sua tensione è più bassa e il trasformatore è un trasformatore abbassatore. Tutte le altre caratteristiche di un trasformatore si riferiscono al modo in cui viene realizzato il suddetto rapporto di spire.
È importante dire che questo è il punto esatto di un malinteso piuttosto diffuso. Il punto è che un trasformatore elevatore non è più potente di un trasformatore abbassatore. Il fatto che un trasformatore elevatore abbia una potenza nominale di 500 kVA non significa che sarà una macchina più potente di un trasformatore abbassatore della stessa potenza.
Come Funziona un Trasformatore Elevatore
L'uso di un trasformatore elevatore significa che l'alimentazione elettrica viene immessa nel avvolgimento con il numero minore di spire e l'utilizzo viene prelevato dall'avvolgimento con un numero maggiore. Se le spire del primario sono 100 e quelle del secondario sono 1.000, allora il rapporto di spire dà 1:10 e la tensione al punto secondario del trasformatore dovrebbe essere dieci volte superiore a quella al punto primario, con alcune eccezioni riguardanti le perdite e la regolazione.
Il punto principale è l'effetto sulla corrente. Poiché un trasformatore non crea ma trasferisce solo potenza, se la tensione aumenta, la corrente diminuisce. Ad esempio, se un trasformatore elevatore passa una tensione di 10.000 volt da un'alimentazione di 1.000 volt, la corrente scenderà a un decimo della corrente iniziale nell'avvolgimento primario. Questa relazione non è un difetto del trasformatore, ma il suo obiettivo principale in quanto è chiaro che una tensione più alta significa una corrente minore secondo la regola fisica generale.
Pertanto, si può trovare il bit del trasformatore elevatore in tutti i sistemi di potenza dal lato della generazione di energia. Il generatore produce elettricità a una tensione limitata dall'isolamento o più precisamente da 11 kV a 25 kV nei grandi generatori. Dopo di che, il trasformatore elevatore aumenta questa tensione al valore di trasmissione richiesto, che può variare da 275 kV a 400 kV e oltre. I fondamenti di come queste macchine sono costruite e dove si trovano in una rete sono esposti in la costruzione di base e il ruolo dei trasformatori di distribuzione, che condividono gli stessi principi su scala ridotta.
Come funziona un trasformatore abbassatore
In un trasformatore abbassatore l'ordine degli avvolgimenti è invertito, con l'alimentazione applicata all'avvolgimento con il numero maggiore di spire e il carico prelevato dall'avvolgimento con il numero minore di spire. Nell'esempio di un trasformatore abbassatore con un rapporto di 10:1, quando alimentato con 10.000 V fornirà 1.000 V, mentre la corrente in uscita aumenta anche con lo stesso fattore di 10.
Uno dei motivi per l'esistenza dei trasformatori step-down è che c'è una grande differenza tra la tensione che è efficiente per la trasmissione dal punto di generazione al punto di utilizzo. Mentre per la trasmissione a lunga distanza può essere impiegata una tensione di trasmissione di 275 kV, nessun edificio, attrezzatura o apparecchiatura può essere effettivamente collegato a una tensione così alta. La tensione deve essere ridotta gradualmente al livello che è adatto per un uso pratico. A questo scopo, può essere ridotta in molte fasi dalla trasmissione alla sub-trasmissione, poi alla distribuzione primaria e infine fino al livello che è accettabile per le installazioni. Potrebbero essere necessarie diverse trasformazioni step-down prima che l'alimentazione venga stabilita.
Alcune caratteristiche del funzionamento di un trasformatore step-down dovrebbero essere menzionate. Prima di tutto, se la tensione diminuisce, la corrente porta un valore molto più alto al secondario a bassa tensione rispetto al secondario ad alta tensione, ed è per questo che il secondario a bassa tensione deve essere realizzato più pesante rispetto al suo omologo ad alta tensione – è per questo che è facile riconoscere il secondario a bassa tensione del trasformatore. In secondo luogo, la stabilità della tensione è ritenuta più importante all'uscita poiché l'installazione è tollerabile solo entro un certo intervallo di tensione. L'insieme completo dei parametri della targa e delle specifiche, e come ciascuno influisce sul comportamento in servizio, è spiegato in l'interpretazione delle specifiche del trasformatore.
Confronto affiancato
| Parametro | Trasformatore step-up | Trasformatore step-down |
|---|---|---|
| Rapporto di avvolgimenti | Avvolgimenti secondari > avvolgimenti primari | Avvolgimenti secondari < avvolgimenti primari |
| Tensione | Uscita superiore all'entrata | Uscita inferiore all'entrata |
| Corrente | Uscita inferiore all'entrata, in proporzione inversa | Uscita superiore all'entrata, in proporzione inversa |
| Potenza | Invariato a parte le perdite | Invariato a parte le perdite |
| Funzione primaria | Aumentare la tensione per ridurre le perdite di trasmissione | Ridurre la tensione a un livello utilizzabile |
| Posizione tipica | Alla generazione, e nei punti in cui la tensione deve essere aumentata per la distribuzione | Alle sottostazioni, ai punti di alimentazione degli edifici, e in ogni punto di utilizzo |
| Coppie di tensione tipiche | 11-25 kV a 132-400 kV | 132-400 kV fino a 11-33 kV, poi a 400 V o 230 V |
| Avvolgimento più pesante | Secondario (alta tensione), anche se l'isolamento domina | Secondario (bassa tensione), perché la corrente è più alta |
| Enfasi sull'isolamento | Pesante — l'avvolgimento ad alta tensione guida il design e le distanze | Moderato sul lato alto, minimo sul lato basso |
| Costo relativo tipico a MVA uguali | Maggiore, a causa dei requisiti di isolamento e distanza | Inferiore per la stessa potenza apparente nominale |
| Efficienza | Molto alto, tipicamente 98-99% a grandi potenze | Molto alto, tipicamente 97-99% a seconda delle dimensioni |
| Reversibile in principio | Sì, se alimentato all'indietro entro i limiti di progetto | Sì, se alimentato all'indietro entro i limiti di progetto |
Una riga richiede alcune elaborazioni perché sorprende i clienti. Se entrambi i tipi di trasformatori gestiscono la stessa potenza, perché un trasformatore elevatore è più costoso del suo equivalente? La risposta è nel sistema di isolamento. Un trasformatore progettato con un secondario ad alta tensione deve gestire la tensione nell'isolamento degli avvolgimenti, nei manicotti, nelle distanze dalla terra e nella resistenza agli impulsi. Questi requisiti dipendono dalla tensione piuttosto che dalla potenza. Pertanto, un trasformatore elevatore da 50 MVA 11 kV/132 kV sarebbe solitamente grande e con un isolamento migliore e più costoso di un trasformatore abbassatore da 50 MVA 132 kV/11 kV, anche se entrambe le unità possono sembrare simili nelle specifiche.
How They Differ Physically
The external appearance of a step-up and a step-down transformer with the same specifications can be confusing due to the similar construction. And yet, there are certain features the transformer has that help determine its type.
- Bushing height and size. Thanks to the high-voltage winding, the bushing design is different. With that in mind, it is easy to tell which side is used for high-voltage transmission. In a step-up transformer that would be the secondary winding, while in a step-down transformer, it would be the primary one.
- Winding conductor cross-section. If there is an opportunity to make a visual check, it is possible to say whether the winding belongs to a step-up transformer or a step-down transformer by the thickness of the conductors.
- Cooling arrangement. In case of the larger units of both speculations, there are radiators, fans or pumps to provide oil for cooling, but it is not a distinguishing feature for both types, as the cooling class is given in the rating plate.
- Taps used in the winding. The tap changer is usually installed on the high-voltage winding, as this construction allows fine tuning of the transformer for the same number of turns in the winding.
In all cases, the nameplate proves to be of great help in deciding which type of the transformer is available.
Where Each Is Used
The two types occupy opposite ends of a chain that every unit of electricity passes through.
| Fase | Ruolo del trasformatore | Valutazione tipica |
|---|---|---|
| Generazione | Generator step-up transformer raises machine voltage to transmission level | 50-1,000 MVA |
| Trasmissione | Step-up and step-down at interconnection points between voltage levels | 100-1,000 MVA |
| Sotto-trasmissione | Step-down from transmission to sub-transmission voltage | 20-200 MVA |
| Distribuzione primaria | Step-down from sub-transmission to distribution voltage | 5-50 MVA |
| Sottostazione di distribuzione | Step-down to utilisation voltage for an area or a large site | 0.5-5 MVA |
| Point of use | Step-down to the installation’s operating voltage, or local step-up for a specific machine | 0.025-2.5 MVA |
| Specialist local use | Step-up for a specific process or test requirement, such as electrostatic precipitators or test benches | Varies widely |
It can be inferred from the last two rows that both forms of transformations can occur in the same factory facility. A factory can receive electricity by the step-down transformer and then it may have a small step-up transformer to use it for a specific process such as electrostatic precipitators or dielectric test sets, or special equipment which requires higher voltage than what is supplied through the distribution. The direction of the transformation depends on the needs and not on the place where it is located; thus, the sizing problem has to be solved based on the requirements in terms of voltage and power.Getting that arithmetic right is a prerequisite for specifying anything correctly, and the method is set out in the approach to transformer sizing and load calculation.
Tipi e configurazioni
The construction family of the transformers does not tally with the direction of transformation, since both step-up and step-down transformers belong to the same family of construction.
- Single-phase. Made up of two windings on one core, widely used for home and small equipment supply and distribution, commonly used for smaller capacities.
- Three-phase. Consisting of either three single-phase transformers, or one three-phase transformer which has three windings on the same core. The second design favours the majority of transformer constructions due to its inherent capacity for powering transformers of very large rating and in providing installation with other parameters related to transformer operation.
- Autotransformer. A transformer with a single winding on tap that has electromagnetic coupling of circuits. It is the most cost-effective solution when compared to a two-winding transformer for similar purpose.
- Isolation transformer. A transformer with two windings and 1:1 turns ratio designed for specific needs of galvanic isolation.
- Dry and oil-filled types. Their distinction lies in the location where they are used: the dry type can work in closed spaces and the oil-filled ones are mostly employed for transformers that are big enough and have higher capacities, since oil cooling is more effective than air one.
- Pad-mounted and pole-mounted transformers, or transformers in substations. They are rather concerned with the installation methods than with the principle of transformers’ work.
For work done over three phases, the way the windings are connected — whether through delta or wye — significantly affects how phases of primary and secondary work together, along with whether a neutral is there and how unbalanced loads and triplen harmonics are handled by the transformer. An example would be a delta-wye connection that offers a neutral at the secondary and blocks the zero-sequence current from passing through it.The practical implications of each combination are significant enough to drive the specification, and a representative example of how a three-phase unit is presented for procurement is the La nostra gamma di trasformatori trifase, where voltage ratio, connection group, impedance and cooling class appear together because they must be selected together.
Prices and Cost Drivers
Transformer pricing is conditioned by similar factors in the opposite direction, where direction of the installed unit does not matter as much as voltage class or voltage rating.
| Cost driver | Effect on price | Perché |
|---|---|---|
| Power rating (kVA or MVA) | Dominant driver; price rises faster than rating | More core steel, more copper, more oil, larger tank |
| Classe di tensione | Major driver, especially on the high-voltage side | Insulation, clearances and bushing costs scale steeply with voltage |
| Cooling class (ONAN, ONAF, OFAF) | Moderato | Radiators, fans and pumps add cost but raise usable rating |
| Impedance specification | Moderato | Low impedance costs more in material; affects fault level and regulation |
| Tap changer (off-circuit or on-load) | Significant for on-load | On-load tap changers are complex mechanisms with their own controls |
| Specifica di perdita | Significant | Low-loss designs use more active material to reduce operating cost |
| Connection group and neutral arrangement | Minor to moderate | Affects winding configuration and any neutral bushing |
For the buyer, the key factors are that when comparing price offers from multiple suppliers, a product specification should be taken into account, since, after all, cheap price often translates into cheaper voltage class, small cooling margin or higher losses than in a good deal; and that the price of the product is only one part of the total cost, since losses are paid throughout the entire service life of the product. Reconciling capital cost against lifetime energy cost is the central exercise in transformer procurement, and the realistic price bands for each rating and class are set out in the cost structure for electrical transformers.
Can a Step-Down Be Used as a Step-Up?
In theory, it is possible. A transformer is a reversible device and turning the supply towards what is being called its secondary will mean that the voltage on what is being called primary will be higher than expected. On some occasions, this is done on purpose in case of emergency.
However, in reality the following four points define the reason why this is a bad idea unless made as part of a rational engineering choice. They are usually installed on the high-voltage winding which implies that reverse feeding of the transformer will situate them in unsuitable places for voltage adjustment. The insulation and distances were made with the assumption that the high voltage will appear on a certain winding, but back-feeding can expose this voltage to a wiring arrangement not convenient for it. The parameters for cooling and current ratings were set with a certain current distribution through the windings assumed, which will now turn when the power flow gets reversed. The protection and earthing system that would normally be designed for a particular direction of power flow will not be suitable for reversed flow either.
To summarize, reversal is theoretically possible to do, may be appropriate in certain situations, but is better clarified with the manufacturer rather than assumed. If one does require both directions at site, using a transformer properly selected for the job would be a much smarter approach than compromising by using whatever transformer one happens to have.
How to Tell Which You Have
Four tests in an order of reliability.
- Check the rating plate. It states the rated voltage of each winding as identified by terminal markings as well as the rated power, type of connection group, impedance, and the class of cooling. This is the most accurate test and can be carried out within seconds. If it is not possible to identify rating plate because of its illegibility or absence then other tests will become just approximations.
- The next test is to make a comparison of bushings and the clearance. The high-voltage side is identified by the side where bushings are larger and spacing and clearance to the earth are wider.
- Make a check of the size of the conductors whenever it is possible to see it. The heavier conductor belongs to the winding with the higher current and lower voltage.
- Trace the connection. Follow the supply line to find out which winding is the primary one and compare it with the rated voltage of the winding being investigated.
There are two remarks about field identification. If a transformer has a ratio of 1:1, for example, that is the isolation transformer, it does not step-up or step-down voltage and an attempt to identify the transformer by the direction will yield only a wrong result. Moreover, a transformer having many taps can be connected in such a way as to change its nominal ratio. Thus what is shown on the plate may not reflect the actual situation.
FAQ
What is the difference between step-up transformers and step-down transformers?
The differentiation resides in the number of coils in winding. A step-up transformer has a greater number of coils in the secondary coil because of which the voltage of the output is greater than that of the input as well as the current is less proportionately. The purpose of the step-up transformer is to boost the voltage level to ensure the efficiency of power transmission. Meanwhile, a step-down transformer decreases the number of coils in its secondary coil leading to the decrease of voltage and increase of current in the proportion. The step-down transformer is used to lower the voltage to an appropriate level. Though both transformers operate at the same efficiency level, the following equation is true for both types of transformers Vs/Vp = Ns/Np.
What is the disadvantage of a step-up transformer?
There are three drawbacks that should be taken into account. To begin with, with the same power rating, costs tend to be higher than for step-down transformers as the high-voltage winding uses insulated parts and clearance materials that are connected with voltage parameters rather than power output. Next comes the risk that is connected with the potential failure of insulation systems due to the greater power of possible failures in the case of using high voltage equipment. Thirdly, when one uses a step-up transformer supplying a long cable, it is necessary to address voltage rise at the cable ends due to low voltage load conditions. Despite the fact that step-up transformers are quite reliable under normal conditions, all of the indicated factors affect the process of their specification and protection.
Can a step-down transformer be used as a step-up transformer?
In terms of functionality, the transformer can certainly operate in a reverse mode as there are situations where this is done in emergency situations. However, a device that has been intentionally built for use as a step-down transformer will usually not be able to achieve its full capacity when connected to the line in reverse mode because of numerous factors including but not limited to the design of the transformer in terms of winding construction, number of taps in use, and cooling arrangements. In reverse operation, the taps will usually remain on the primary (high voltage) side which may be regarded as inappropriate for operation. It is always advisable to check the reversibility option with the manufacturer and the devices that are made specifically for this purpose should be installed rather than recompleting the one that was not made for reverse operation.
How to tell if it’s a step-up or step-down transformer?
Examine the rating plate, which provides the rated voltage for each winding and is conclusive. In the absence of the rating plate, compare the bushings; the side with the bigger bushings, greater spacing and larger clearance from earth is said to be the high-voltage side, meaning that it is the side to which the transformer steps up and down from. In instances where the conductors are visible, noting the sizes of the conductors is the second clue; since the larger conductor is used for the winding with the higher voltage and lower current. Then follow the supply line to find out which of the windings is in fact the primary, as transformers with various taps may not always be installed in the configurations that results in the effective ratio being same as in the nameplate specifications.
Which transformer is used in a substation?
In both cases, the substation serves the reciprocal function. In the primary substation, transmission voltage is lowered to the level of distribution voltage. Therefore, all transformers in this type of substation are called step-down transformers. In a generation facility, the substation serves a different purpose since it is raising the voltage produced by the generator to the level of voltage transmission by using a step-up transformer. When it comes to interconnection substations, they might work in both modes, as they may contain both step-up and step-down units depending on the direction in which electricity flows most frequently and switching the flow if the flow does not change at the generation and demand points.
Riferimenti
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers
- IEEE — Transformer Connections, Voltage Regulation and Loading Guides
- ANSI — ANSI C57 Series Power Transformers, Regulators and Reactors
- NFPA — National Electrical Code, Article 450 Transformers and Transformer Vaults
- U.S. Department of Energy — Transformer Efficiency and Distribution System Losses
Conclusione
Step-up and step-down transformers are different sides of the same coin. The only difference is the number of turns in each transformer. In step-up transformers the secondary winding has more turns than the primary winding; thus, the transformer raises voltage and lowers current. Electricity transmission at high voltage is far more effective than doing so at low voltage — which is why the step-up transformer was invented in the first place. The step-down transformer on the other hand has fewer turns on the secondary winding and lowers voltage while raising current. Basically, there is no such thing as a transformer that could be connected to the transmission line. Both transformers transfer the same amount of power except for losses involved, and they obey the same formula Vs/Vp=Np/Ns. They are built in the same manner — the only thing that differentiates them is their position in the electric power transmission system and that makes step-up and step-down units price different. The step-down unit can be used as a step-up transformer but its efficiency will be the lowest because it is designed to work only in one way.