Le apparecchiature a bassa tensione sono ampiamente utilizzate nella vita quotidiana e nella tecnologia. Questo fatto richiede l'uso di dispositivi che abbassano la tensione standard al livello richiesto. È necessario creare un dispositivo che soddisfi gli standard applicabili. L'elettricista deve affrontare il compito di determinare la potenza del trasformatore. La conoscenza delle leggi fisiche elementari aiuta a risolvere il problema.
Contenuto
- Teoria e storia
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Calcolo dei parametri del dispositivo
- Determinazione del potere
- Calcolo della sezione centrale
- Calcolo del numero di giri
- Correnti negli avvolgimenti
- Diametro del filo
- Tipi e applicazioni dei trasformatori
Teoria e storia
La parola latina transformare è tradotta in russo come "trasformazione". Il trasformatore è progettato per modificare il livello di tensione in ingresso di una certa quantità. Il dispositivo è costituito da uno o più avvolgimenti su un circuito magnetico chiuso. Le bobine sono avvolte da filo di alluminio o rame. Il nucleo è assemblato da piastre con proprietà ferromagnetiche aumentate.
L'avvolgimento primario è collegato alla rete elettrica AC. Un dispositivo che richiede una tensione di diversa grandezza è incluso nell'avvolgimento secondario.
Dopo il collegamento al trasformatore di potenza, nel circuito magnetico appare un flusso magnetico chiuso, che induce una forza elettromotrice alternata in ciascuna bobina. La legge di Faraday afferma che l'EMF è uguale alla velocità di variazione del flusso magnetico che passa attraverso il circuito elettromagnetico. Il segno meno indica la direzione opposta del campo magnetico e dell'EMF.
La formula e = - n (∆Ф ∕ ∆ t) combina i seguenti concetti:
- Forza elettromotrice e, calcolata in volt.
- Il numero di spire n nell'induttore.
- Flusso magnetico Ф, la cui unità di misura è chiamata weber.
- Il tempo t richiesto per una fase del cambiamento del campo magnetico.
Data l'irrilevanza delle perdite nell'induttore, l'EMF è equiparato alla tensione nell'avvolgimento. Il rapporto tra le tensioni negli avvolgimenti primario e secondario è uguale al rapporto tra il numero di spire nelle due bobine. Da qui si ricava la formula del trasformatore:
K ≈ U ₁ ∕ U ₂ ≈ n ₁ ∕ n ₂.
Il coefficiente K è sempre maggiore di uno. Nel trasformatore cambiano solo la tensione e l'amperaggio. Moltiplicati l'uno per l'altro, determinano la potenza del dispositivo, un valore costante per un particolare dispositivo. Il rapporto tra corrente e tensione negli avvolgimenti è rivelato dalla formula:
K = n₁ ∕ n₂ = I ₂ ∕ I₁ = U₁ ∕ U₂.
In altre parole, quante volte la tensione nel secondario si riduce rispetto alla tensione nel primario, tante volte la corrente nel secondario è maggiore della corrente nel primario. Le diverse tensioni sono impostate dal numero di spire in ciascun induttore. La formula del fattore K spiega come calcolare il trasformatore.
Il trasformatore è progettato per funzionare in un circuito a tensione alternata. La corrente continua non induce EMF nel circuito magnetico e l'energia elettrica non viene trasferita a un altro avvolgimento.
Nel 1822, Faraday era preoccupato dall'idea di come trasformare il magnetismo in corrente elettrica. Anni di ricerca portano alla realizzazione di una serie di articoli che descrivono il fenomeno fisico dell'induzione elettromagnetica. Il lavoro fondamentale è stato pubblicato sulla rivista scientifica della Royal Society inglese.
L'essenza degli esperimenti era che il ricercatore avvolgeva due pezzi di filo di rame su un anello di ferro. Una corrente continua è stata collegata a una delle bobine. Un galvanometro collegato ai contatti di un altro avvolgimento ha registrato la comparsa di tensione a breve termine. Per ripristinare l'induzione, lo sperimentatore ha scollegato l'alimentazione e poi ha richiuso i contatti alla batteria.
Il lavoro di Michael Faraday è stato molto apprezzato dalla comunità scientifica britannica. Nel 1832, il fisico ricevette un prestigioso premio. Per l'eccezionale lavoro nel campo dell'elettromagnetismo, lo scienziato è stato insignito della medaglia Copley.
Tuttavia, il dispositivo assemblato da Faraday difficilmente può essere definito un trasformatore. Il dispositivo che effettivamente convertiva tensione e corrente fu brevettato a Parigi il 30 novembre 1876. Negli anni '80 del secolo scorso, l'inventore e progettista del trasformatore P. N. Yablochkov viveva in Francia. Allo stesso tempo, l'eccezionale ingegnere elettrico russo ha presentato al mondo il prototipo del proiettore: "la candela di Yablochkov".
Calcolo dei parametri del dispositivo
A volte un dispositivo cade nelle mani di un elettricista senza una descrizione delle caratteristiche tecniche. Quindi lo specialista determina la potenza del trasformatore dalla sezione trasversale del circuito magnetico. L'area della sezione trasversale si trova moltiplicando la larghezza e lo spessore del nucleo. Il numero risultante è al quadrato. Il risultato indicherà la potenza approssimativa del dispositivo.
È auspicabile che l'area del circuito magnetico superi leggermente il valore calcolato. Altrimenti, il corpo del nucleo cadrà nella regione di saturazione del campo magnetico, il che porterà a un calo dell'induttanza e della resistenza della bobina. Questo processo aumenterà il livello di corrente che scorre, causando il surriscaldamento e la rottura del dispositivo.
Il calcolo pratico del trasformatore di potenza non richiederà molto tempo. Ad esempio, un artigiano domestico ha il compito di illuminare un'area di lavoro in un garage. La stanza dispone di una presa domestica da 220 V, alla quale è necessario collegare una lampada con una lampada da 40 W 36 V. È necessario calcolare i parametri tecnici del trasformatore step-down.
Determinazione del potere
Durante il funzionamento del dispositivo, le perdite di calore sono inevitabili. Con un carico non superiore a 100 W, l'efficienza è 0,8. La vera potenza richiesta del trasformatore P₁ è determinata dividendo la potenza della lampada P₂ per l'efficienza:
P₁ = P₂ ∕ μ = 40 ∕ 0,8 = 50
L'arrotondamento è fatto. Risultato 50 W.
Calcolo della sezione centrale
La dimensione del circuito magnetico dipende dalla potenza del trasformatore. L'area della sezione è determinata come segue.
S = 1, 2 ∙ √P₁ = 1, 2 ∙ 7, 07 = 8, 49
La sezione trasversale del nucleo deve avere un'area di almeno 849 cm².
Calcolo del numero di giri
L'area del circuito magnetico aiuta a determinare il numero di spire di filo per volt di tensione:
n = 50 ∕ S = 50 ∕ 8,49 = 5,889.
Le differenze potenziali di un volt corrisponderanno a 5,89 giri del filo attorno al nucleo. Pertanto, l'avvolgimento primario con una tensione di 220 V è costituito da 1296 spire e per la bobina secondaria sono necessarie 212 spire. Nell'avvolgimento secondario si verificano perdite di tensione dovute alla resistenza del filo. Di conseguenza, gli esperti raccomandano di aumentare il numero di spire nella bobina di uscita del 5-10%. Il numero corretto di giri sarà 233.
Correnti negli avvolgimenti
Il prossimo passo è trovare la corrente in ciascun avvolgimento, che viene calcolata dividendo la potenza per la tensione. Dopo alcuni semplici calcoli, si ottiene il risultato richiesto.
Nella bobina primaria I₁ = P₁ ∕ U₁ = 50 ∕ 220 = 0,23 ampere, e nella bobina secondaria I₂ = P₂ ∕ U₂ = 40 ∕ 36 = 1,112 ampere.
Diametro del filo
Il calcolo degli avvolgimenti del trasformatore viene completato determinando lo spessore del filo, la cui sezione trasversale è calcolata dalla formula: d = 0,8 √ I. Lo strato isolante non viene preso in considerazione. Il conduttore della bobina di ingresso deve avere un diametro di:
d₁ = 0,8 √I₁ = 0,8 √ 0,23 = 0,8 ∙ 0,848 = 0,838.
Per avvolgere l'avvolgimento di uscita, è necessario un filo con un diametro:
d₂ = 0,8 √I₂ = 0,8 √ 1,12 = 0,8 ∙ 1,06 = 0,885.
Le dimensioni sono in millimetri. Dopo l'arrotondamento, si scopre che la bobina primaria è avvolta con un filo di 0,5 mm di spessore e un filo di 1 mm è adatto per l'avvolgimento secondario.
Tipi e applicazioni dei trasformatori
Gli ambiti di utilizzo dei trasformatori sono molteplici. I dispositivi che aumentano la tensione sono utilizzati per scopi industriali per trasportare l'elettricità su lunghe distanze. I trasformatori step-down sono utilizzati nell'elettronica e per il collegamento di elettrodomestici.
Alcuni artigiani, insoddisfatti della bassa tensione in rete, rischiano di accendere gli elettrodomestici attraverso un trasformatore elevatore. Un aumento di tensione spontaneo può far sì che la luce intensa della stanza sostituisca le fiamme del fuoco molto luminose.
In base ai compiti che il trasformatore risolve, i dispositivi sono suddivisi in tipi principali:
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L'autotrasformatore ha un nucleo magnetico su cui è assemblato l'induttore. Alcune delle spire fungono da avvolgimento primario e il resto delle spire funge da bobine secondarie. - I convertitori di tensione funzionano negli strumenti di misura e nei circuiti di protezione dei relè.
- I convertitori di corrente sono progettati per l'isolamento galvanico nelle reti di segnalazione e controllo.
- I trasformatori di impulsi sono utilizzati nei computer, nell'automazione, nei sistemi di comunicazione.
- I dispositivi di alimentazione funzionano con tensioni fino a 750 kilovolt.
Qualsiasi cambiamento nei parametri dell'elettricità nel circuito è associato a un trasformatore. La persona che progetta circuiti elettronici deve conoscere la natura dell'elettromagnetismo. La tecnologia per il calcolo degli avvolgimenti del trasformatore si basa sulle formule di base della fisica.
Un ingegnere elettrico impegnato nella routine di avvolgimento di un trasformatore dovrebbe essere ricordato con una parola gentile di zio Faraday, che scoprì la meravigliosa legge dell'induzione elettromagnetica. Guardando il dispositivo finito, si dovrebbe anche ricordare il grande connazionale, l'inventore russo Pavel Nikolaevich Yablochkov.
