{"id":118,"date":"2026-08-22T02:34:28","date_gmt":"2026-08-21T18:34:28","guid":{"rendered":"https:\/\/q8bbzjnpm5.wpdns.site\/?p=118"},"modified":"2026-08-29T23:43:28","modified_gmt":"2026-08-29T15:43:28","slug":"in-depth-analysis-of-the-electromagnetic-induction-principle-of-transformers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/subian-electric.com\/it\/news\/in-depth-analysis-of-the-electromagnetic-induction-principle-of-transformers\/","title":{"rendered":"Analisi approfondita del principio di induzione elettromagnetica dei trasformatori"},"content":{"rendered":"

Un ingegnere di manutenzione tecnica di un'acciaieria di medie dimensioni ci ha contattato la scorsa primavera riguardo a un problema senza precedenti: un trasformatore di distribuzione da 1600 kVA che funziona perfettamente quando le tensioni sul pavimento della fabbrica sono sufficienti viene segnalato come in violazione degli standard operativi. La causa principale non \u00e8 stata trovata n\u00e9 nel cambiavalute n\u00e9 nel rel\u00e8 di protezione; era nascosta nel principio di funzionamento del trasformatore, ovvero l'induzione elettromagnetica, che consente a qualsiasi trasformatore di operare. Una volta che i nostri esperti hanno scoperto come correlare la tensione indotta e i turni, la soluzione, ovvero effettuare una regolazione del rapporto, ha richiesto ore. La maggior parte dei \u201cmisteri\u201d dei trasformatori viene risolta in modo simile: una volta che sai cosa fa l'induzione, sai cosa fare con la macchina.<\/p>\n

In questo articolo, abbiamo fornito una descrizione dettagliata di come funzionano i trasformatori. Scoprirai cos'\u00e8 l'induzione elettromagnetica, come la legge di Faraday genera corrente, perch\u00e9 i trasformatori non hanno parti mobili e come questa comprensione ti aiuter\u00e0 a prendere decisioni di acquisto e manutenzione.<\/p>\n

Risposta breve:<\/strong> Il principio di funzionamento dei trasformatori si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Secondo la definizione, una corrente elettrica AC che scorre nella bobina primaria crea una variazione del campo magnetico nel nucleo del trasformatore, risultando nell'induzione di corrente elettrica nella bobina secondaria. La legge di Faraday afferma che il rapporto di tensione elettrica deve essere uguale al rapporto del numero di turni; nel caso di un trasformatore 10 kV\/0,4 kV abbiamo bisogno di 25 turni di avvolgimento per creare una caduta di tensione. Vale la pena menzionare che i trasformatori che soddisfano i requisiti della norma IEC 60076 raggiungono un'efficienza di circa 98-99.7%.<\/p><\/blockquote>\n

\"Analisi<\/p>\n

\n

Cos'\u00e8 l'induzione elettromagnetica in un trasformatore?<\/h2>\n

L'induzione elettromagnetica \u00e8 il processo mediante il quale una forza elettromotrice (o tensione) viene creata in un conduttore a causa di un campo magnetico dinamico. Nei trasformatori, l'induzione elettromagnetica si verifica due volte durante un mezzo ciclo: la AC che scorre attraverso la prima bobina crea il flusso magnetico variabile, che attraversa la seconda bobina e induce la tensione in essa. Non comporta alcun movimento meccanico; pertanto, il trasformatore causa quasi nessun usura poich\u00e9 non \u00e8 coinvolto alcun movimento.<\/p>\n

Questo fenomeno \u00e8 stato scoperto nel 1831 dallo scienziato inglese Michael Faraday ed \u00e8 stato utilizzato da allora nella progettazione dei trasformatori per produrre elettricit\u00e0. Analogamente, due fattori controllano la tensione indotta (secondaria): il numero di turni e il tasso di variazione del flusso. Una frequenza pi\u00f9 alta significa che il flusso cambia pi\u00f9 rapidamente e la tensione che induce \u00e8 pi\u00f9 alta, il che spiega perch\u00e9 i nuclei dei trasformatori operano a frequenze di 50 o 60 Hertz.<\/p>\n

\"Come<\/p>\n

Come opera il principio di funzionamento del trasformatore.<\/h2>\n

Consideriamo la disposizione tradizionale di due avvolgimenti. In questa configurazione, l'avvolgimento primario \u00e8 collegato all'alimentazione in ingresso mentre l'avvolgimento secondario si collega al carico. Il flusso di corrente alternata (AC) crea un campo magnetico nel nucleo del trasformatore in acciaio al silicio laminato. Poich\u00e9 la natura dell'elettricit\u00e0 \u00e8 alternata (cambiando), l'induzione magnetica del nucleo varier\u00e0 costantemente, risultando in un flusso magnetico che sale e scende e cambia direzione 50 o 60 volte al secondo.<\/p>\n

Il flusso magnetico alternato prodotto nel nucleo del trasformatore induce una forza elettromotrice ai terminali dell'avvolgimento secondario. Di conseguenza, la corrente fluir\u00e0 attraverso il carico collegato all'avvolgimento secondario e svolger\u00e0 il lavoro necessario. Pertanto, possiamo riassumere il principio di funzionamento del trasformatore in tre passaggi:<\/p>\n

    \n
  • La corrente primaria crea un campo magnetico alternato;<\/li>\n
  • Il campo attraversa il nucleo di ferro e collega i due avvolgimenti;<\/li>\n
  • Il campo variabile induce tensione nell'avvolgimento secondario.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Quantit\u00e0<\/th>\nLato primario<\/th>\nLato secondario<\/th>\nRelazione<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    Tensione (V)<\/td>\nV1<\/sub><\/td>\nV2<\/sub><\/td>\nV1<\/sub> \/ V2<\/sub> = N1<\/sub> \/ N2<\/sub><\/td>\n<\/tr>\n
    Avvolgimenti (N)<\/td>\nN1<\/sub><\/td>\nN2<\/sub><\/td>\nDeterminato in fase di progettazione<\/td>\n<\/tr>\n
    Corrente (I)<\/td>\nI1<\/sub><\/td>\nI2<\/sub><\/td>\nI1<\/sub> \u00d7 V1<\/sub> = I2<\/sub> \u00d7 V2<\/sub><\/td>\n<\/tr>\n
    Impedenza (Z)<\/td>\nZ1<\/sub><\/td>\nZ2<\/sub><\/td>\nZ1<\/sub> = Z2<\/sub> \u00d7 (N1<\/sub>\/N2<\/sub>)2<\/sup><\/td>\n<\/tr>\n
    Potenza (S)<\/td>\nPraticamente uguale su entrambi i lati<\/td>\nS1<\/sub> \u2248 S2<\/sub> (meno le perdite)<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Poich\u00e9 la potenza \u00e8 conservata (eccetto per le perdite), aumentando la tensione secondaria si riduce automaticamente la corrente. Un trasformatore da 1 MVA a 0,4 kV porter\u00e0 circa 1.443 A sul lato a bassa tensione, ma la stessa potenza a 33 kV porter\u00e0 solo circa 17,5 A. Pertanto, questa relazione inversa tra tensione e corrente \u00e8 il motivo per cui le utility aumentano la tensione per la trasmissione su lunghe distanze, poich\u00e9 una corrente pi\u00f9 bassa significa minori perdite dovute a I\u00b2R.<\/p>\n

    La Legge di Faraday e il Rapporto di Avvolgimenti Spiegato<\/h2>\n

    Secondo la legge di Faraday, essa afferma che la forza elettromotrice indotta \u00e8 il tasso di cambiamento nel collegamento del flusso magnetico la cui formula \u00e8 data da E = \u2212N \u00d7 d\u03a6\/dt. Nel caso di un trasformatore pratico che opera con tensione sinusoidale, la legge sopra si applica.<\/p>\n

    V \u2248 4.44 \u00d7 f \u00d7 N \u00d7 \u03a6max<\/p>\n

    Dove f \u00e8 la frequenza che \u00e8 50 o 60 Hz, N \u00e8 il numero di avvolgimenti, e \u03a6max rappresenta il flusso massimo del nucleo. Pertanto, ne seguono:<\/p>\n

    La tensione \u00e8 fissata dal numero di avvolgimenti. La tensione \u00e8 definita per un particolare nucleo automaticamente e ogni avvolgimento riceve il proprio \u201cvolts per avvolgimento\u201d fisso. Ad esempio, un secondario riceve una tensione pari a 400 volt con 18 avvolgimenti e situato accanto al primario con 540 avvolgimenti in modo tale che la tensione sia pari a 12 kilovolt, il che corrisponde al rapporto 30:1 richiesto dalle reti elettriche.<\/p>\n

    Il rapporto di avvolgimenti \u00e8 uguale al rapporto di tensione. Un trasformatore funziona con un rapporto pari a 25:1 trasformando 10 kV in 400 V. Il rapporto pu\u00f2 essere trovato sulla sua targhetta che indica 25:1 o 25000\/400 V.
    \nIl rapporto di corrente risulta essere inverso. Pertanto, il dispositivo che lavora con questo rapporto produrr\u00e0 25 volte pi\u00f9 corrente sul lato secondario rispetto al primario quando lavora con la stessa potenza.<\/p>\n

    Ci\u00f2 significa che il \u201ctrasformatore elevatore o riduttore\u201d \u00e8 in realt\u00e0 lo stesso dispositivo che viene semplicemente utilizzato al contrario. Un trasformatore generatore cambia 11 kV in 220 kV mentre lo stesso gruppo di avvolgimenti combinato con il diverso lato secondario riporter\u00e0 220 kV a 11 kV.<\/p>\n

    Componenti principali che rendono possibile l'induzione<\/h2>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Componente<\/th>\nMateriale \/ Forma<\/th>\nRuolo nell'induzione<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    Nucleo<\/td>\nAcciaio al silicio orientato al grano, laminazioni da 0,23\u20130,35 mm<\/td>\nFornisce un percorso magnetico a bassa riluttanza; la laminazione riduce le perdite da correnti parassite<\/td>\n<\/tr>\n
    Avvolgimento primario<\/td>\nConduttore in rame o alluminio, isolato<\/td>\nCrea il flusso magnetico alternato dalla corrente di alimentazione<\/td>\n<\/tr>\n
    Avvolgimento secondario<\/td>\nConduttore in rame o alluminio, isolato<\/td>\nIntercetta il flusso e fornisce la tensione indotta al carico<\/td>\n<\/tr>\n
    Sistema di isolamento<\/td>\nCarta Kraft + olio (immerso nell'olio) o resina epossidica (tipo secco)<\/td>\nIsola elettricamente avvolgimenti e nucleo; l'olio trasferisce anche calore<\/td>\n<\/tr>\n
    Commutatore di derivazione<\/td>\nOff-circuito o in carico, \u00b15% tipicamente<\/td>\nRegola il rapporto di trasformazione efficace per adattarsi alla tensione di sistema<\/td>\n<\/tr>\n
    Serbatoio \/ involucro<\/td>\nAcciaio saldato con conservatore o sistema N2<\/td>\nProtegge l'assemblaggio nucleo-avvolgimento e il liquido dielettrico<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Due aspetti sono degni di nota. Il primo \u00e8 che il nucleo \u00e8 laminato invece di solido poich\u00e9 un nucleo solido funzionerebbe come un avvolgimento in cortocircuito e genererebbe calore a causa delle correnti indotte durante il funzionamento. Il secondo \u00e8 che il rame \u00e8 utilizzato come materiale di avvolgimento nella maggior parte dei modelli ad alta efficienza. Un trasformatore con una capacit\u00e0 di 1.000 kVA utilizza circa 800-1.000 kg di rame nell'avvolgimento e questo \u00e8 il motivo per cui il prezzo del rame influisce direttamente sul prezzo dei trasformatori.<\/p>\n

    Trasformatore Elevatore vs Trasformatore Riduttore: Inversione dell'Induzione<\/h2>\n

    Ogni rete elettrica ha entrambi gli aspetti funzionali incorporati in s\u00e9. La generazione aumenta la tensione mentre la distribuzione la diminuisce, quindi il processo di definire quale sia necessario deve iniziare con la determinazione della propria area di servizio.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Scenario<\/th>\nLato di ingresso<\/th>\nLato di uscita<\/th>\nUnit\u00e0 tipica<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    Esportazione da parco solare \/ eolico<\/td>\nUscita inverter 0.4\u20130.8 kV<\/td>\nBus di raccolta 10\u201335 kV<\/td>\nTrasformatore elevatore, 0.5\u201310 MVA<\/td>\n<\/tr>\n
    Trasmissione di utilit\u00e0<\/td>\n11\u201366 kV<\/td>\n110\u2013765 kV<\/td>\nTrasformatore GSU, 50\u20131.000 MVA<\/td>\n<\/tr>\n
    Sottostazione ai consumatori<\/td>\n10\u201335 kV<\/td>\n0,4 kV<\/td>\nUnit\u00e0 di distribuzione riduttrice, 100\u20132.500 kVA<\/td>\n<\/tr>\n
    Servizio impianto industriale<\/td>\n33 kV<\/td>\n6 \/ 11 kV<\/td>\nTrasformatore principale, 2\u201340 MVA<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Un errore frequente nella dimensionamento \u00e8 trascurare di ricordare che il rapporto di tensione del trasformatore non \u00e8 l'intera storia. Il trasformatore con un rapporto di 35 kV\/0.4 kV ha anche una valutazione KVA fissa e una certa tensione di impedenza (di solito da 4-8%) e gruppo vettoriale (pi\u00f9 comunemente Dyn11 per servizio di distribuzione). Il principio di induzione mostra il rapporto, ma la valutazione mostra il ferro, il rame e il raffreddamento utilizzati. Ordinare il trasformatore solo per tensione \u00e8 come acquistare una pompa solo in base alla dimensione del tubo, perch\u00e9 il flusso (KVA) \u00e8 altrettanto importante.<\/p>\n

    Efficienza e Perdite nei Trasformatori Pratici<\/h2>\n

    A causa del fatto che l'induzione \u00e8 solo un'interconnessione elettromagnetica, l'efficienza teorica dei trasformatori pu\u00f2 essere piuttosto alta. I trasformatori reali costruiti secondo la IEC 60076 hanno efficienze che vanno dal 98% al 99.7%, e i grandi trasformatori di potenza sono noti per avere i tassi di efficienza pi\u00f9 elevati tra le macchine rotanti e statiche. Le perdite possono essere suddivise in due grandi categorie:<\/p>\n

    Perdite a vuoto: perdite di isteresi e perdite di corrente parassita, che possono essere trovate nel ferro ogni volta che il trasformatore \u00e8 in funzione. Le perdite a vuoto rappresentano lo 0.1-0.5% della valutazione.
    \nPerdite di carico: le perdite di rame. La perdita di calore durante il funzionamento delle bobine del trasformatore pu\u00f2 essere calcolata utilizzando la formula I\u00b2R e suddivisa in due categorie. Nel caso in cui il carico sia 1.5 volte superiore al carico nominale, le perdite di potenza aumenteranno significativamente \u2014 ad esempio, un trasformatore di 1000 kVA che ha una certa valutazione perde 8.5 kW, pu\u00f2 perdere quasi 19 kW quando sovraccaricato del 150%.<\/p>\n

    Il design efficiente di un trasformatore da 1.000 kVA garantisce perdite tra 1,4 e 2,4 kW a vuoto e perdite tra 8 e 13 kW quando i trasformatori sono energizzati. L'importanza delle perdite pu\u00f2 essere spiegata dal fatto che i trasformatori lavorano per tutto l'anno e quindi anche la piccola riduzione di 1 kW nelle perdite durante il processo di funzionamento del trasformatore porter\u00e0 a un risparmio di 876 dollari all'anno.<\/p>\n

    Tipi di Trasformatori di Potenza Costruiti sullo Stesso Principio<\/h2>\n

    Il meccanismo di induzione \u00e8 universale, ma la costruzione varia enormemente in base all'uso. Le principali famiglie sono:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Tipo<\/th>\nRaffreddamento \/ isolamento<\/th>\nValutazione tipica<\/th>\nDove utilizzato<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    Trasformatore immerso in olio<\/td>\nONAN \/ ONAF<\/td>\n50 kVA\u20131.000+ MVA<\/td>\nUtilit\u00e0, sottostazioni industriali<\/td>\n<\/tr>\n
    Trasformatore di tipo secco<\/td>\nResina epossidica colata o VPI<\/td>\n100\u201310.000 kVA<\/td>\nEdifici alti, metropolitana, offshore<\/td>\n<\/tr>\n
    Trasformatore di distribuzione<\/td>\nMontaggio a palo o a basamento ONAN<\/td>\n5\u20135.000 kVA<\/td>\nConversione di tensione dell'ultimo miglio<\/td>\n<\/tr>\n
    Trasformatore di potenza \/ GSU<\/td>\nONAN\/ONAF\/OFAF<\/td>\n10\u20131.000 MVA<\/td>\nTrasmissione e generazione<\/td>\n<\/tr>\n
    Trasformatore a nucleo amorfo<\/td>\nImmerso in olio, acciaio amorfo<\/td>\n50\u20132.500 kVA<\/td>\nApplicazioni a bassa perdita a vuoto<\/td>\n<\/tr>\n
    Specialit\u00e0 (rettificatore, forno, spostamento di fase)<\/td>\nOlio o secco<\/td>\n1\u2013200 MVA<\/td>\nCarichi di processo industriale<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Specifiche Tipiche dei Trasformatori Basati su Induzione<\/h2>\n

    Facendo riferimento al principio di funzionamento, la targhetta rivela tutte le informazioni su come \u00e8 stato progettato il dispositivo di induzione. Un sistema di distribuzione standard da 1.000 kVA, 10\/0,4 kV ha questi valori:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Parametro<\/th>\nValore comune<\/th>\nRiferimento standard<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    Potenza nominale<\/td>\n100\u20132.500 kVA (su ordinazione)<\/td>\nIEC 60076-1<\/td>\n<\/tr>\n
    Rapporto di tensione<\/td>\n10 kV \/ 0,4 kV (esempio)<\/td>\nIEC 60076-1<\/td>\n<\/tr>\n
    Gruppo vettoriale<\/td>\nDyn11<\/td>\nIEC 60076-1<\/td>\n<\/tr>\n
    Tensione di impedenza<\/td>\n4\u20136% a corrente nominale<\/td>\nIEC 60076-5<\/td>\n<\/tr>\n
    Perdita a vuoto<\/td>\n1,4\u20132,4 kW<\/td>\nIEC 60076-1 \/ classi energetiche ISO<\/td>\n<\/tr>\n
    Perdita di carico a 120 \u00b0C<\/td>\n8\u201313 kW<\/td>\nIEC 60076-1<\/td>\n<\/tr>\n
    Intervallo di derivazione<\/td>\n\u00b12\u00d72.5% o \u00b15%<\/td>\nIEC 60076-1<\/td>\n<\/tr>\n
    Classe di raffreddamento<\/td>\nONAN (aumento di 50\u201363 \u00b0C)<\/td>\nIEC 60076-2<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Migliori marche e fasce di prezzo per trasformatori di potenza<\/h2>\n

    Nel mercato, ci sono solo poche aziende riconosciute a livello globale che creano prodotti straordinari. ABB (attualmente ABB Ltd) e Hitachi Energy detengono il vantaggio nella progettazione di generatori e trasformatori HVDC; Siemens Energy e GE Vernova sono noti per i loro sistemi ad alta tensione e di grande potenza; Schneider Electric ed Eaton si concentrano sull'industria della distribuzione e sui trasformatori a secco. I loro dispositivi di solito costano di pi\u00f9 e hanno tempi di completamento pi\u00f9 lunghi. In questo contesto, i produttori cinesi stanno guadagnando quote elevate nel mercato globale della distribuzione e dell'attrezzatura di potenza media, sfruttando i vantaggi derivanti dalla conformit\u00e0 agli standard IEC 60076 e ai costi di produzione inferiori.<\/p>\n

    Un'azienda chiamata Jiangsu Subian Energia Elettrica<\/strong> \u00e8 tra tali produttori. Produce sia trasformatori immersi in olio che trasformatori a secco con potenza che va da 10 kVA a decine di MVA, che soddisfano i requisiti della IEC 60076. L'azienda fornisce prodotti a pi\u00f9 di 40 paesi in tutto il mondo. I clienti contattano direttamente le fabbriche per risolvere domande relative ai trasformatori come gruppi vettoriali, gamme di derivazione, perdite o progettazione del raffreddamento. Di conseguenza, nel caso in cui la teoria dell'induzione non sia soggetta a negoziazioni, ma il budget sia fisso, Subian pu\u00f2 offrire una produzione verificata supportata da input ingegneristici e monitoraggio. I prezzi sono mostrati nella tabella sottostante.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Marca<\/th>\nForza<\/th>\nFascia di prezzo tipica (scala di distribuzione)<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
    ABB<\/td>\nLeader globale nell'ingegneria elettrica<\/td>\n$15.000\u2013$80.000+<\/td>\n<\/tr>\n
    Hitachi Energy<\/td>\nSpecialista GSU e HVDC<\/td>\n$20.000\u2013$150.000+<\/td>\n<\/tr>\n
    Siemens Energy<\/td>\nCapacit\u00e0 ad alta tensione<\/td>\n$18.000\u2013$120.000+<\/td>\n<\/tr>\n
    Schneider Electric<\/td>\nDistribuzione a secco e intelligente<\/td>\n$10.000\u2013$45.000<\/td>\n<\/tr>\n
    Eaton<\/td>\nUnit\u00e0 di distribuzione e industriali<\/td>\n$8.000\u2013$30.000<\/td>\n<\/tr>\n
    Jiangsu Subian Energia Elettrica<\/td>\nFabbrica IEC 60076, prezzi competitivi<\/td>\n$4.000\u2013$60.000 (tipico), i prezzi variano in base alle specifiche e alla regione<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    I prezzi sono indicativi per unit\u00e0 da 250\u20135.000 kVA e variano in base alla potenza, al prezzo del rame, al tipo di raffreddamento e alla destinazione.<\/p>\n

    \"Come<\/p>\n

    Come scegliere un trasformatore utilizzando il principio di funzionamento<\/h2>\n