Un trasformatore è una macchina elettrica utilizzata per trasferire energia CA per induzione da un circuito elettrico a un altro con una modifica dei parametri. Poiché non ha parti mobili, può essere classificato come dispositivo.
Contenuto
- Principio di funzionamento
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Parti strutturali principali
- Nucleo magnetico
- Avvolgimenti e isolamento
Le parti principali del trasformatore - il nucleo e gli avvolgimenti - sono realmente fisse e non convertono l'energia elettrica in energia meccanica, quindi entrambi i termini (macchina e dispositivo) saranno corretti.
Principio di funzionamento
Il dispositivo del trasformatore si basa sulla legge di Faraday, secondo la quale un campo magnetico alternato può causare una tensione alternata alle estremità di un anello da un conduttore. Nel trasformatore più semplice, questo fenomeno è provocato avvolgendo più spire di filo attorno ad un nucleo di materiale magnetico. Tipicamente, ci sono due tipi di avvolgimenti:
- primario (collegato a un generatore, rete o altra fonte);
- secondario (collegato al carico).
Fondamentalmente, due (o più) induttori che sono abbastanza vicini l'uno all'altro agiranno come un trasformatore. E più sono collegati magneticamente, più efficiente è il loro lavoro.
Con variazioni del campo magnetico causate dal passaggio di una corrente elettrica alternata attraverso il primario avvolgimento, la tensione viene indotta negli avvolgimenti secondari in piena conformità con il magnetico applicato campo.
Questo principio è utilizzato anche in alternatori, motori elettrici e altoparlanti.
Il compito principale dei trasformatori è aumentare o diminuire la tensione con un corrispondente aumento o diminuzione della corrente. Ciascuno di essi, indipendentemente dal suo scopo e ruolo nei circuiti elettrici, ha con tali caratteristiche comuni:
- basato sulla legge dell'induzione elettromagnetica;
- la frequenza della corrente di ingresso e di uscita è la stessa;
- gli avvolgimenti primario e secondario sono privi di connessione elettrica - la potenza viene trasmessa solo attraverso il flusso magnetico.
Parti strutturali principali
Le dimensioni dei trasformatori vanno da quelli in miniatura per la trasmissione di meno di un millesimo di volt-ampere a unità enormi che pesano più di 100 tonnellate, funzionanti con capacità di diversi milioni di volt-ampere. E sono usati per vari scopi.
Di conseguenza, sono dotati di diverse varianti di schemi di avvolgimento, tipi di anime e materiali per la produzione di parti strutturali. Inoltre, la struttura del trasformatore può prevedere l'integrazione di sistemi ausiliari, come il raffreddamento forzato a liquido o ad aria.
Nucleo magnetico
La capacità di una sostanza di trasportare un campo magnetico è chiamata permeabilità. Questo valore per le anime varia in un ampio intervallo, a seconda dei materiali utilizzati e del modo in cui vengono lavorati. La permeabilità all'aria è uguale a uno. La maggior parte dei core tradizionali ha un valore molto più alto. Le caratteristiche di alcuni materiali che vengono utilizzati come circuito magnetico:
- Aria. Fornisce una minore ritenzione del flusso, ma ideale per le alte frequenze.
- Acciai per trasformatori. Permeabilità 500 e oltre.
- Compositi in polvere. Produrre sinterizzando particelle magnetiche con un agente legante, seguito da cottura. Il materiale ceramico risultante ha proprietà eccezionali a frequenze superiori a 1 MHz. Permeabilità da 40 in su.
- ferriti. Le ceramiche magnetiche sono generalmente realizzate con materiali magnetici esotici. Permeabilità estremamente elevata (da 500 a 9000 e oltre) e prestazioni eccellenti da 50 kHz a 1 MHz.
In teoria, i compositi in polvere e le ferriti sono classificati come morbidi. Questa caratteristica non ha nulla a che vedere con le loro proprietà fisiche, ma indica la loro idoneità alla rimanenza. I materiali magnetici rigidi vengono utilizzati per i magneti permanenti e sono in grado di trattenere la maggior parte del campo magnetico originariamente indotto in essi.
I circuiti magnetici dei trasformatori sono esposti a un campo alternato, che nei conduttori massicci è in grado di inducono le cosiddette correnti parassite - ordinarie correnti di induzione che hanno chiuso il loro moto all'interno degli strati conduttore.
Questo fenomeno porta a perdite di trasmissione e surriscaldamento del trasformatore. Un modo efficace per affrontare le correnti parassite è l'uso di nuclei laminati (prelevati da piastre isolate). In questo caso, per un buon risultato, è importante prevedere le corrette direzioni dei flussi magnetici nella progettazione del trasformatore.
Avvolgimenti e isolamento
Come conduttore di corrente principale negli avvolgimenti del trasformatore vengono utilizzati due tipi di fili: alluminio e rame. I primi sono molto più leggeri e, di regola, più economici. I fili di alluminio devono avere una sezione trasversale maggiore per trasportare la stessa quantità di corrente dei fili di rame. Pertanto, vengono utilizzati nei trasformatori di potenza stazionari. Per reti e circuiti elettrici a bassa tensione a bassa potenza, l'uso di fili di rame è giustificato, poiché hanno una maggiore resistenza e compattezza negli avvolgimenti.
Per evitare la chiusura delle spire di contatto, sono preisolate. Di norma, per i trasformatori raffreddati ad aria, viene utilizzato un filo già pronto con smalto applicato su di esso o in una treccia di seta.
Nei grandi trasformatori di potenza e distribuzione, i conduttori sono isolati l'uno dall'altro utilizzando carta o tessuto imbevuti d'olio. In questo progetto, il nucleo, insieme agli avvolgimenti, lavora immerso in un serbatoio sigillato con olio per trasformatori. Quest'ultimo funge da isolante e refrigerante.
Per combattere le correnti parassite negli avvolgimenti, spesso usano conduttori a trefoli. Nei casi con trasformatori di potenza molto elevata, per lo stesso motivo vengono utilizzati nastri e nastri di rame o alluminio.
Gli avvolgimenti primari e secondari possono avere connessioni esterne nei punti di avvolgimento intermedi. Il loro scopo è fornire una scelta nel rapporto tra la tensione fornita e quella rimossa.
Questi dispositivi sono estremamente diversi e possono essere utilizzati nei modi più esotici: in schede di rete e modem per computer, amplificatori di potenza e forni a microonde, auto e sistemi di accensione marini, bobine phono e Tesla mobili, unità di distribuzione dell'alimentazione - questo è solo un piccolo elenco di molti tipi trasformatori.
