Sembra che i trasformatori siano in grado di fare ciò che dovrebbe essere impossibile, poiché regolano la tensione senza avere componenti in movimento e senza un fattore di interferenza. Il processo per farlo implica impedire che i due circuiti siano connessi, insistendo tuttavia affinché entrambi i circuiti operino all'interno dello stesso campo magnetico.
Questa semplice configurazione è la chiave affinché i sistemi di alimentazione siano possibili e per il fatto che le abitazioni situate a una distanza di 300 km da una stazione elettrica siano in grado di avere 230 V. Questo è in realtà ciò che consente al sistema di distribuzione dell'energia elettrica di funzionare.
Un trasformatore è composto da due bobine avvolte attorno a un nucleo magnetico condiviso. Nella bobina primaria, una corrente elettrica porta alla generazione di un campo magnetico fluttuante, che successivamente induce una corrente nella bobina secondaria. Il rapporto di avvolgimento consente di definire le tensioni che attraversano entrambe le bobine, poiché, ad esempio, 100 avvolgimenti passeranno attraverso 1.000 avvolgimenti e ciò porta all'aumento della tensione da 230 V a 2300 V.
Il Principio: Induzione Mutua
Composto da due bobine e un nucleo, i due componenti non entrano in alcuna interazione di flusso elettrico tra loro. Se la parte primaria delle bobine è fornita di energia elettrica, allora una corrente elettrica viene fatta passare attraverso di essa e genera un campo elettromagnetico. La corrente utilizzata nel circuito è alternata, quindi il campo prodotto cambia continuamente, portando a un collegamento con la seconda bobina; questo porta all'apparizione di una tensione elettrica attraverso quest'ultima.
Ci sono tre regole principali che sottendono il principio di funzionamento del trasformatore:
- Il rapporto degli avvolgimenti del trasformatore determinerà la tensione. Vp/Vs=Np/Ns.
- Il doppio degli avvolgimenti porterà a una tensione doppia.
- L'energia è conservata. Esiste un principio di conservazione dell'energia. L'energia in ingresso è uguale all'energia in uscita meno le perdite specifiche.
- L'impedenza è determinata dal quadrato del rapporto degli avvolgimenti. Il trasformatore con il rapporto 10:1 apparirà come un carico di 100 Ohm per la bobina primaria.
Il nucleo è una parte importante. È realizzato in acciaio elettrico stratificato, la sua orientazione è tale che il campo prodotto viaggerà con l'aiuto di questo materiale, e stratificare il materiale renderà impossibile creare circuiti chiusi nel materiale.
Perché Funziona Solo su Corrente Alternata
Per avviare l'induzione, è necessario un flusso che varia e cambia nel tempo. Quando si utilizza corrente continua per creare campi magnetici, quel campo magnetico non cambia nel tempo né produce alcuna tensione in una bobina secondaria. Questo risultato è possibile a causa delle proprietà dell'elettricità e non a causa del design stesso del trasformatore. Questo fenomeno può essere utilizzato praticamente in due modi.
Prima di tutto, il trasformatore funziona con corrente alternata e non funziona con corrente continua. Pertanto ha la capacità di separare una sorgente di corrente continua da un sistema di corrente alternata. In secondo luogo, spiega perché il trasformatore non può essere utilizzato per la conversione da DC a DC poiché questo tipo di convertitore utilizza elettronica di commutazione per convertire la corrente continua in corrente alternata e viceversa.
È interessante notare che la frequenza stessa gioca un ruolo molto importante. Ad esempio, un trasformatore progettato per 50 Hz si saturerà a 60 Hz solo se la tensione viene ridotta proporzionalmente. Un trasformatore da 60 Hz utilizzato a tensione di 50 Hz funzionerà in modalità di saturazione e quindi produrrà calore e rumore.
Cosa Fa in un Sistema Elettrico
Comprendere lo scopo di un trasformatore è più facile seguendo l'energia elettrica dal luogo di generazione alla presa.
Il generatore stesso produce elettricità di 11-25 kV, che è una capacità di isolamento economicamente sostenibile del generatore. Pertanto, è necessaria la trasmissione ad alta tensione dell'energia. La perdita a cui è soggetta la trasmissione è proporzionale a I²R, quindi aumentare la tensione di un fattore 10 ridurrà la corrente dello stesso fattore e diminuirà la perdita di energia di 100. Pertanto, la trasmissione ha senso a causa di quella relazione.
Arrivando a destinazione, l'alta tensione scende a gradini: da 400 kV a 110 kV a 33 kV a 11 kV e infine a 400/230 V al trasformatore di distribuzione (il trasformatore che serve la strada o l'edificio). Ogni gradino è un trasformatore e ogni trasformatore è utilizzato affinché la fase possa essere costruita economicamente.
Pertanto, lo scopo del trasformatore può essere suddiviso in quattro funzioni che sono spesso confuse:
- Trasformazione della tensione per la trasmissione e per un uso sicuro
- Trasformazione della corrente che segue automaticamente e consente di trasmettere alta corrente a bassa tensione
- Isolamento galvanico in modo che nessun lato dell'elemento trasformatore possa energizzare il lato opposto e il design del sistema possa essere alimentato con terra in modo indipendente
- Abbinamento dell'impedenza e limitazione dei guasti, poiché i dati disponibili indicano che l'impedenza del trasformatore è creata intenzionalmente per scopi di protezione.
La differenza tra le due principali famiglie nel lavoro di distribuzione, e quale progetto dovrebbe specificare, è esposta in questo confronto di trasformatori di potenza e di distribuzione.
Dove Va l'Energia
I trasformatori sono praticamente mai privi di perdite, ma conoscere i punti in cui si verificano queste perdite fornisce una notevole comprensione del loro comportamento.
La perdita nel nucleo si presenta in due forme. Prima, c'è l'isteresi (i domini magnetici si invertono) e in secondo luogo, c'è la perdita di corrente parassita (le correnti che circolano nell'acciaio). Queste perdite si verificano sia che un trasformatore sia energizzato o sotto carico, poiché sono intrinseche alla sua costruzione.
La perdita di rame con la resistenza degli avvolgimenti è calcolata come I²R. Ciò significa che a metà carico questa perdita è un quarto della perdita a carico completo.
Poiché una di queste perdite è costante e l'altra aumenta con il quadrato del carico, l'efficienza ottimale di un trasformatore si osserva al carico in cui le perdite sono uguali. Pertanto, se una perdita aumenta con il carico, l'altra non lo fa.
Le perdite di trasformazione sono costanti durante l'intero funzionamento; pertanto, l'efficienza di un trasformatore è migliore quando sono uguali, il che è progettato. I metodi sono descritti in questa guida a testare un trasformatore.
I Tipi Principali e a Cosa Serve Ognuno
La maggior parte delle offerte che accompagnano l'acquirente proviene da quattro famiglie di trasformatori.
I trasformatori di distribuzione riempiti d'olio sono quelli che si trovano su pali o in montaggi a pavimento. L'olio funge sia da isolamento che da refrigerante, rendendo questi trasformatori compatti ed economici per le loro capacità che vanno da 25 kVA a 2.500 kVA.
I trasformatori a secco utilizzano aria e isolamento solido invece dell'olio, che è solitamente realizzato in resina epossidica colata. Sono applicati in condizioni interne, in varie costruzioni, tunnel, ospedali e centri dati, dove il rischio di incendio dell'olio non può essere tollerato. Sebbene i trasformatori a secco possano costare più di quelli riempiti d'olio con la stessa capacità, eliminano un tipo di rischio.
I trasformatori di potenza sono quelli grandi utilizzati nelle sottostazioni di trasmissione, progettati per alta tensione e capacità di throughput e una lunga vita, dotati di cambiatori di carico e sistemi di raffreddamento.
Le restanti unità specializzate includono trasformatori strumentali che trasformano corrente e tensione per scopi di misurazione o protezione, trasformatori di isolamento per il fine di separazione galvanica, autotransformatori per lievi variazioni di tensione e trasformatori K-rated o armonici per operazioni a carico non lineare.
Il caso interno è dove la scelta è più spesso contestata, e le classi, i codici di raffreddamento e i limiti che la decidono sono trattati in questa panoramica di trasformatori di distribuzione di tipo secco.
Cosa Non Può Fare
Ci sono tre idee sbagliate che portano a reali errori di specifica.
- Non produce alcuna potenza. Un trasformatore aumenta la tensione da 230 V a 2300 V diminuendo la corrente nelle stesse proporzioni. Qualsiasi affermazione riguardante la capacità del trasformatore di aumentare la potenza in uscita è un'indicazione di un errore di misurazione o di frode.
- Non cambia la frequenza. L'input di 50 Hz produce un output di 50 Hz. Per cambiare la frequenza è necessaria una macchina rotante o un convertitore di elettronica di potenza.
- Non fornisce correzione del fattore di potenza. Ciò che fa il trasformatore è esercitare la propria domanda reattiva senza correggere quella di altri; la correzione del fattore di potenza è un compito di un condensatore o di un filtro attivo.
Non protegge nemmeno da tutto. Il trasformatore limita la corrente di guasto attraverso la sua impedenza ed è in grado di separare le masse, ma non disconnette il guasto, limita l'impulso e regola la tensione a meno che non abbia un cambiavalute o un regolatore elettronico.
Dove si Trovano i Trasformatori in una Sottostazione
Potrebbe essere chiamata una sottostazione perché tutta l'attrezzatura serve unicamente allo scopo di stabilire connessione, protezione e misurazione del trasformatore, e il diagramma unifilare è il modo migliore e più veloce per ottenere informazioni sull'installazione.
Il circuito arriva a un disconnettore, poi attraverso un interruttore automatico e trasformatori di corrente, prima di entrare nel trasformatore. Lo stesso vale per il percorso in uscita, adattando i trasformatori di tensione per la misurazione, gli interruttori per proteggere dagli impulsi e gli interruttori di messa a terra per facilitare la manutenzione. Ogni componente esiste perché il trasformatore non può farlo.
Quell'arrangiamento, e le classifiche che lo accompagnano, è ciò che un componenti della sottostazione elettrica specification actually describes, and it is worth reading before buying a transformer on its own, because the transformer is rarely the item that delays a project.
What We Build
The company produces oil-immersed and dry type transformers starting from 25 kVA, including transformers with voltage ratings of 11, 20, and 33 kV for the markets of Asia, Africa, and the Middle East.
Specifications are boring. In fact, they include data like the type of the core, the type of wire and connection, the voltage range, and the extent of losses but not guarantees regarding them. All of that is written into the quotation instead of assumed, which is what our oil-immersed distribution range is built on.
In cases when specific loss levels are required for a project to meet certain efficiency regulations, the winding design and core grade must be selected to exceed those levels by a comfortable margin, because a transformer that achieves its goal of achieving 0.5% loss on the test floor does not guarantee a lifetime of holding within that margin for thirty years.
FAQ
Can you explain how a transformer works in a simple way?
There are two coils of wire which have a steel core but are separate from each other. The first coil has alternating current running through it that creates a variable magnetic field while the second coil turns that variable field back into current. A greater number of turns on the second coil increases the amount of current generated while a smaller number of turns will have the opposite effect.
Does every house need a transformer?
No single transformer for each house, such. The transformer that serves a home is generally serving a street or a whole building. It’s a pole-mounted or pad-mounted transformer that converts 11 kV or 33 kV to 400/230 V. The home needs a transformer dedicated only for cases where the incoming power line provides a different voltage, when there is a substantial load that requires a separate transformer, or where safety and noise issues require isolation.
What would burn out a transformer?
Frequent loading, a short circuit occurring on the secondary side, loss of cooling, low oil level present in the appliance, moisture being present in the insulation and a lightning surge reaching the winding. In practice the sequence is generally the same: overload or cooling problem occurring first is followed by breakdown of insulation. This involves the actions taken by the protective devices preventing the breakdown from occurring.
Qual è la regola 80% per i trasformatori?
It is the practice of design, not the requirement of the code: operating a transformer at 80% of its rated power allows for room to accommodate ambient temperature, harmonics, temporary overloads, and future developments occultly, landing exactly in the best efficiency range. Related code rules are altogether different: the overcurrent protection device on the primary circuit is typically set at 125% of the rated current of the primary circuit; it is about protection of the transformer instead of about its loading.
Riferimenti
- Ormazabal — How an Electrical Transformer Works
- ABB — Transformer Technology and Applications
- Siemens Energy — Power and Distribution Transformers
- Hitachi Energy — Transformer Fundamentals and Grid Applications
- Nynas — Transformer Oil and Insulation Performance
Conclusione
Two coils along with a core form a magnetic circuit, and that’s where the transformer starts. All the other devices and engineering challenges help to keep this technology running.
Inform us about the voltage ratio you are looking for, the rated power together with the application and loss level so that our specialists may select the necessary transformer design with cooling and impedance needed to suit your requirements.