Introduzione ai trasformatori e alla costruzione standard E-I

Un trasformatore è fondamentalmente un dispositivo elettromagnetico statico (o stazionario) molto semplice che funziona in base al principio della legge di Faraday sull'induzione, convertendo l'energia elettrica da un valore a un altro.

Il trasformatore collega due o più circuiti elettrici utilizzando un circuito magnetico oscillante comune, prodotto dal nucleo del trasformatore. Un trasformatore funziona in base al principio dell'induzione elettromagnetica sotto forma di induzione reciproca.

La mutua induzione è il processo mediante il quale una bobina di filo induce magneticamente una tensione in un'altra bobina situata in prossimità di essa. Possiamo quindi dire che i trasformatori lavorano nel “dominio magnetico” e che il loro nome deriva dal fatto che “trasformano” un livello di tensione o di corrente in un altro.

Come i trasformatori consentono la distribuzione di energia a lunga distanza

I trasformatori sono elementi importanti della rete elettrica per la trasmissione e la distribuzione di energia. Grazie alla legge di Faraday sull'induzione magnetica, il trasformatore consente di aumentare o diminuire la tensione alternata a qualsiasi livello.

Le tensioni alternate generate vengono facilmente trasformate in tensioni molto più elevate mediante trasformatori di step-up e quindi distribuite su vaste distanze mediante una rete di tralicci e cavi. Il motivo per cui la tensione viene trasformata a un livello molto più alto è che tensioni di distribuzione più elevate comportano minori perdite di rame (I² × R) lungo la rete di cavi.

La tensione di trasmissione CA più elevata viene quindi ridotta a una tensione molto più bassa, sicura e utilizzabile a destinazione, dove può essere utilizzata per alimentare le apparecchiature elettriche nelle nostre case e nei luoghi di lavoro.

Principi di funzionamento dei trasformatori

Un trasformatore è un dispositivo elettrico statico che trasferisce l'energia elettrica (CA) da un circuito a un altro circuito senza modificarne la frequenza. In genere, i trasformatori vengono utilizzati per aumentare o diminuire le tensioni della corrente alternata nelle applicazioni di energia elettrica.

Un trasformatore di tensione monofase è costituito essenzialmente da due bobine di filo elettrico, una chiamata "bobina" e l'altra "bobina". avvolgimento primario e un altro ha chiamato il avvolgimento secondario. Il lato primario del trasformatore è quello che di solito preleva l'energia e il secondario è quello che di solito eroga l'energia. In un trasformatore di tensione monofase, il primario è solitamente il lato con la tensione più alta.

Queste due bobine non sono in contatto elettrico tra di loro, ma sono avvolte attorno a un circuito magnetico chiuso comune, chiamato "circuito di ferro". nucleo. I due avvolgimenti sono collegati magneticamente attraverso il nucleo comune che consente di trasferire l'energia elettrica da una bobina all'altra. Il nucleo in ferro dolce non è solido, ma è costituito da singole laminazioni assemblate insieme per formare la struttura del nucleo.

Un trasformatore monofase può funzionare per aumentare o diminuire la tensione applicata all'avvolgimento primario. Quando un trasformatore viene utilizzato per aumentare la tensione sull'avvolgimento secondario rispetto al primario, si parla di trasformatore di potenza. passo-passo trasformatore. Quando viene utilizzato per diminuire la tensione sull'avvolgimento secondario rispetto a quello primario, si parla di trasformatore di tensione. step-down trasformatore.

• Avvolgimento primario - produce un flusso magnetico nel nucleo quando è collegato ad una sorgente elettrica (la corrente primaria).
• Avvolgimento secondario - emette il valore corrente secondaria generato dal flusso magnetico nel nucleo. 
• Nucleo del trasformatore - fornisce un percorso a bassa riluttanza attraverso il quale il flusso magnetico può spostarsi dall'avvolgimento primario a quello secondario, creando un circuito magnetico chiuso.

L'efficienza energetica di un trasformatore dipende da perdite del nucleo e perdite di rame al suo interno. La perdita del nucleo dipende dalla tensione e la perdita del rame dalla corrente. La perdita del nucleo è ulteriormente suddivisa in perdita di isteresi e Perdita per correnti parassite e dipende semplicemente dalle proprietà magnetiche del materiale del nucleo e dalla sua costruzione.

Per la maggior parte dei trasformatori progettati per l'uso in abitazioni o uffici, si utilizza uno dei due stili di trasformatori. Possono essere realizzati con un Laminato E-I o un toroidale nucleo.

Costruzione del trasformatore E-I standard

In una struttura E-I, i componenti “E” e “I” corrispondenti sono stampati da fogli di acciaio elettrico a grana sottile che vengono successivamente impilati per creare il nucleo. Gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti su bobine. Per applicare gli avvolgimenti, più bobine vengono posizionate su mandrini e fatte girare.

Questo metodo di utilizzo delle bobine consente un'automazione che riduce i tempi di produzione e fornisce anche un isolamento tra gli avvolgimenti e il nucleo. Le laminazioni del nucleo E-I sono impilate all'interno delle bobine per completare il trasformatore. La facilità di costruzione rende i trasformatori E-I standard molto economici da produrre, il che rappresenta il loro principale vantaggio.

Sebbene siano economici da produrre, i trasformatori E-I standard presentano diverse limitazioni. Quando le lamelle punzonate vengono impilate per formare la struttura del nucleo, le piccole imperfezioni e le bave nei bordi di contatto delle lamelle creano un effettivo “vuoto d'aria” che riduce i livelli di flusso operativo. Il disaccoppiamento degli avvolgimenti è più comune nella costruzione lineare e, di conseguenza, l'induttanza di dispersione e la capacità parassita sono naturalmente più elevate. Inoltre, le lamelle sciolte vibrano alla frequenza fondamentale, introducendo un fastidioso ronzio (rumore meccanico). Tutti questi svantaggi si traducono in un trasformatore di dimensioni maggiori con un'efficienza inferiore.

Conclusione

Il nostro mondo moderno, caratterizzato da un'efficiente distribuzione di energia in città e continenti, non sarebbe possibile senza i trasformatori elettrici. La costruzione standard E-I offre una soluzione economica che soddisfa molte esigenze di conversione dell'energia, ma non è priva di svantaggi in termini di dimensioni, peso ed efficienza.

Nella prossima puntata della nostra serie sui trasformatori toroidali, parleremo della costruzione dei trasformatori toroidali e dei loro vantaggi in termini di prestazioni rispetto alla costruzione E-I standard.