Come funzionano i trasformatori

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Secondo la definizione data in Wikipedia un trasformatore elettrico è un'apparecchiatura fissa che scambia energia elettrica attraverso una coppia di bobine strettamente avvolte, attraverso l'induzione magnetica.

Una corrente in continua variazione in un avvolgimento del trasformatore genera un flusso magnetico variabile, che, di conseguenza, induce una forza elettromotrice variabile su una seconda bobina costruita sullo stesso nucleo.



Principio di funzionamento di base

I trasformatori funzionano fondamentalmente trasferendo energia elettrica tra una coppia di bobine per induzione reciproca, senza dipendere da alcun contatto diretto tra i due avvolgimenti.

Questo processo di trasferimento di elettricità attraverso l'induzione fu dimostrato per la prima volta dalla legge di induzione di Faraday, nell'anno 1831. Secondo questa legge la tensione indotta attraverso due bobine viene creata a causa di un flusso magnetico variabile che circonda la bobina.



La funzione fondamentale di un trasformatore è quella di aumentare o diminuire una tensione / corrente alternata, in proporzioni diverse a seconda dei requisiti dell'applicazione. Le proporzioni sono decise dal numero di giri e dal rapporto di rotazione dell'avvolgimento.

Analisi di un trasformatore ideale

Possiamo immaginare un trasformatore ideale come un progetto ipotetico che può essere virtualmente senza alcuna forma di perdita. Inoltre, questo design ideale può avere il suo avvolgimento primario e secondario perfettamente accoppiati tra loro.

Significa che il legame magnetico tra i due avvolgimenti avviene attraverso un nucleo la cui permeabilità magnetica è infinita e con induttanze dell'avvolgimento a una forza magnetomotrice totale zero.

Sappiamo che in un trasformatore, la corrente alternata applicata nell'avvolgimento primario cerca di imporre un flusso magnetico variabile all'interno del nucleo del trasformatore, che include anche l'avvolgimento secondario circondato attorno ad esso.

A causa di questo flusso variabile, una forza elettromotrice (EMF) viene indotta sull'avvolgimento secondario tramite induzione elettromagnetica. Ciò si traduce nella generazione di flusso sull'avvolgimento secondario con una grandezza opposta ma uguale al flusso dell'avvolgimento primario, secondo Legge di Lenz'z .

Poiché il nucleo ha una permeabilità magnetica infinita, l'intero flusso magnetico (100%) è in grado di essere trasferito attraverso i due avvolgimenti.

Ciò implica che, quando il primario è sottoposto a una sorgente CA, e un carico è collegato ai terminali dell'avvolgimento secondario, la corrente scorre attraverso il rispettivo avvolgimento nelle direzioni come indicato nello schema seguente. In questa condizione la forza magnetomotrice del nucleo viene neutralizzata a zero.

Immagine per gentile concessione: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

In questo progetto di trasformatore ideale, poiché il trasferimento del flusso attraverso l'avvolgimento primario e secondario è del 100%, secondo la legge di Faraday la tensione indotta su ciascuno degli avvolgimenti sarà perfettamente proporzionale al numero di spire dell'avvolgimento, come mostrato di seguito figura:

Calcolo del rapporto di rotazione del trasformatore secondo Faraday

Video di prova che verifica la relazione lineare tra il rapporto di svolta primaria / secondaria.

GIRI E RAPPORTI DI TENSIONE

Proviamo a capire in dettaglio i calcoli del rapporto di virata:

La grandezza netta della tensione indotta dall'avvolgimento primario a quello secondario è determinata semplicemente dal rapporto tra il numero di spire avvolte sulla parte primaria e su quella secondaria.

Tuttavia, questa regola si applica solo se il trasformatore è vicino a un trasformatore ideale.

Un trasformatore ideale è quel trasformatore che ha perdite trascurabili sotto forma di effetto pelle o correnti parassite.

Prendiamo l'esempio della figura 1 sotto (per un trasformatore ideale).

Supponiamo che l'avvolgimento primario sia composto da circa 10 spire, mentre il secondario con un solo giro di avvolgimento. A causa dell'induzione elettromagnetica, le linee di flusso generate attraverso l'avvolgimento primario in risposta all'ingresso CA, si espandono e collassano alternativamente, tagliando le 10 spire dell'avvolgimento primario. Ciò si traduce in una quantità di tensione esattamente proporzionale indotta attraverso l'avvolgimento secondario a seconda del rapporto di rotazione.

L'avvolgimento che alimentato con ingresso AC diventa l'avvolgimento primario, mentre l'avvolgimento complementare che produce l'uscita per induzione magnetica dal primario diventa l'avvolgimento secondario.

Figura 1)

Poiché il secondario ha solo un giro, sperimenta un flusso magnetico proporzionato attraverso il suo singolo giro rispetto ai 10 giri del primario.

Pertanto, poiché la tensione applicata ai capi del primario è di 12 V, ciascuno dei suoi avvolgimenti sarebbe soggetto a un contatore EMF di 12/10 = 1,2 V, e questa è esattamente l'entità della tensione che influenzerebbe la singola spira presente ai capi la parte secondaria. Questo perché ha un unico avvolgimento in grado di estrarre solo la stessa quantità equivalente di induzione che può essere disponibile attraverso il singolo giro sul primario.

Quindi il secondario con un solo giro sarebbe in grado di estrarre 1.2V dal primario.

La spiegazione sopra indica che il numero di giri su un primario del trasformatore corrisponde linearmente con la tensione di alimentazione ai suoi capi e la tensione viene semplicemente divisa per il numero di giri.

Quindi, nel caso precedente, poiché la tensione è 12V e il numero di spire è 10, il contatore netto EMF indotto su ciascuna delle spire sarebbe 12/10 = 1.2V

Esempio n. 2

Ora visualizziamo la figura 2 sotto, che mostra un tipo di configurazione simile a quello della figura1. aspettatevi il secondario che ora ha 1 turno aggiuntivo, cioè 2 numeri di turni.

Inutile dire che ora il secondario attraverserebbe il doppio delle linee di flusso rispetto alla condizione di figura 1 che aveva solo un singolo giro.

Quindi qui l'avvolgimento secondario leggerebbe circa 12/10 x 2 = 2.4V perché le due spire sarebbero influenzate da un'ampiezza del contro EMF che può essere equivalente tra i due avvolgimenti sul lato primario del trafo.

Quindi dalla discussione sopra in generale possiamo concludere che in un trasformatore la relazione tra la tensione e il numero di spire tra il primario e il secondario sono abbastanza lineari e proporzionali.

Numeri di svolta del trasformatore

Pertanto, la formula derivata per il calcolo del numero di giri per qualsiasi trasformatore può essere espressa come:

Es / Ep = Ns / Np

dove,

  • Es = tensione secondaria ,
  • Ep = tensione primaria,
  • Ns = Numero di giri secondari,
  • Np = Numero di turni primari.

Rapporto di rotazione primaria secondaria

Sarebbe interessante notare che la formula sopra indica una relazione diretta tra il rapporto tra la tensione secondaria e primaria e il numero di spire secondario e primario, che sono indicati come proporzionati e uguali.

Pertanto l'equazione di cui sopra può essere espressa anche come:

Ep x Ns = Es x Np

Più avanti, possiamo derivare la formula sopra per risolvere l'Es e l'Ep come mostrato di seguito:

Es = (Ep x Ns) / Np

allo stesso modo,

Ep = (Es x Np) / Ns

L'equazione sopra mostra che se sono disponibili 3 magnitudini, la quarta magnitudine potrebbe essere facilmente determinata risolvendo la formula.

Risoluzione di problemi pratici di avvolgimento del trasformatore

Caso in questione # 1: Un trasformatore possiede un numero di 200 giri nella parte primaria, 50 giri nel secondario e 120 volt collegati al primario (Ep). Quale potrebbe essere la tensione ai capi del secondario (E)?

Dato:

  • Np = 200 giri
  • Ns = 50 giri
  • Ep = 120 volt
  • È =? volt

Risposta:

Es = EpNs / Np

Sostituzione:

Es = (120 V x 50 giri) / 200 giri

Es = 30 volt

Caso in questione # 2 : Supponiamo di avere 400 giri di filo in una bobina con anima in ferro.

Supponendo che la bobina debba essere utilizzata come avvolgimento primario di un trasformatore, calcolare il numero di spire che deve essere avvolto sulla bobina per acquisire l'avvolgimento secondario del trasformatore per garantire una tensione secondaria di un volt con una situazione in cui il primario la tensione è di 5 volt?

Dato:

  • Np = 400 giri
  • Ep = 5 volt
  • Es = 1 volt
  • Ns =? giri

Risposta:

EpNs = EsNp

Trasposizione per Ns:

Ns = EsNp / Ep

Sostituzione:

Ns = (1 V x 400 giri) / 5 volt

Ns = 80 giri

Tenere presente: Il rapporto della tensione (5: 1) è equivalente al rapporto dell'avvolgimento (400: 80). Occasionalmente, in sostituzione di valori particolari, ti trovi assegnato con un rapporto di svolta o di tensione.

In casi come questo, potresti semplicemente assumere qualsiasi numero arbitrario per una delle tensioni (o avvolgimento) e calcolare l'altro valore alternativo dal rapporto.

A titolo illustrativo, supponiamo che un rapporto di avvolgimento sia assegnato come 6: 1, potresti immaginare una quantità di spire per la sezione primaria e calcolare il numero di spire secondario equivalente, usando proporzioni simili come 60:10, 36: 6, 30: 5, ecc.

Il trasformatore in tutti gli esempi precedenti porta un numero di spire inferiore nella parte secondaria rispetto alla parte primaria. Per questo motivo, è possibile trovare una minore quantità di tensione sul secondario del trafo anziché sul lato primario.

Cosa sono i trasformatori step-up e step-down

Un trasformatore avente la tensione nominale del lato secondario inferiore alla tensione nominale del lato primario è indicata come a Trasformatore STEP-DOWN .

Oppure, in alternativa, se l'ingresso AC è applicato all'avvolgimento che ha un numero di giri maggiore, il trasformatore si comporta come un trasformatore step-down.

Il rapporto di un trasformatore step-down quattro a uno è inscritto come 4: 1. Un trasformatore che include un numero inferiore di spire sul lato primario rispetto al lato secondario genererà una tensione maggiore sul lato secondario rispetto alla tensione collegata sul lato primario.

Un trasformatore che ha un lato secondario valutato al di sopra della tensione sul lato primario è indicato come trasformatore STEP-UP. Oppure, in alternativa, se l'ingresso AC è applicato a un avvolgimento che ha un numero di giri inferiore, il trasformatore si comporta come un trasformatore elevatore.

Il rapporto di un trasformatore elevatore da uno a quattro deve essere inscritto come 1: 4. Come puoi vedere nei due rapporti, la grandezza dell'avvolgimento laterale primario è costantemente menzionata all'inizio.

Possiamo usare un trasformatore step-down come trasformatore step-up e viceversa?

Sì, sicuramente! Tutti i trasformatori funzionano con lo stesso principio fondamentale descritto sopra. Utilizzare un trasformatore step-up come trasformatore step-down significa semplicemente scambiare le tensioni di ingresso attraverso il loro avvolgimento primario / secondario.

Ad esempio, se si dispone di un normale trasformatore elevatore di alimentazione che fornisce un'uscita 12-0-12 V da un ingresso 220 V CA, è possibile utilizzare lo stesso trasformatore come trasformatore elevatore per produrre un'uscita 220 V da un 12V CA ingresso.

Un classico esempio è un file circuito inverter , dove i trasformatori non hanno niente di speciale. Funzionano tutti utilizzando i normali trasformatori step-down collegati in modo opposto.

Impatto del carico

Ogni volta che un carico o un dispositivo elettrico è collegato attraverso l'avvolgimento secondario di un trasformatore, la corrente o gli ampere attraversano il lato secondario dell'avvolgimento insieme al carico.

Il flusso magnetico generato dalla corrente nell'avvolgimento secondario interagisce con le linee magnetiche di flusso generate dagli amplificatori nel lato primario. Questo conflitto tra le due linee di flussi è generato come risultato dell'induttanza condivisa tra l'avvolgimento primario e secondario.

Mutual Flux

Il flusso assoluto nel materiale del nucleo del trasformatore è prevalente sia per l'avvolgimento primario che per quello secondario. È inoltre un modo attraverso il quale l'energia elettrica può migrare dall'avvolgimento primario all'avvolgimento secondario.

A causa del fatto che questo flusso unisce entrambi gli avvolgimenti, fenomeno generalmente noto come FLUSSO MUTUO. Inoltre, l'induttanza che genera questo flusso è prevalente per entrambi gli avvolgimenti ed è chiamata induttanza reciproca.

La figura (2) seguente mostra il flusso creato dalle correnti nell'avvolgimento primario e secondario di un trasformatore ogni volta che la corrente di alimentazione viene attivata nell'avvolgimento primario.

Figura 2)

Ogni volta che la resistenza di carico è collegata all'avvolgimento secondario, la tensione stimolata nell'avvolgimento secondario fa sì che la corrente circoli nell'avvolgimento secondario.

Questa corrente produce un anello di flusso attorno all'avvolgimento secondario (indicato come linee tratteggiate) che può essere un'alternativa al campo di flusso attorno al primario (legge di Lenz).

Di conseguenza, il flusso attorno all'avvolgimento secondario annulla la maggior parte del flusso attorno all'avvolgimento primario.

Con una minore quantità di flusso che circonda l'avvolgimento primario, l'emf inversa viene ridotta e più amplificatore viene aspirato dall'alimentazione. La corrente supplementare nell'avvolgimento primario rilascia linee di flusso aggiuntive, praticamente ristabilendo la quantità iniziale di linee di flusso assolute.

GIRI E RAPPORTI CORRENTI

La quantità di linee di flusso prodotte in un trafo core è proporzionale alla forza magnetizzante

(IN AMPERE TURNI) dell'avvolgimento primario e secondario.

L'ampere-giro (I x N) è indicativo della forza motrice del magnete si può intendere come la forza magnetomotrice prodotta da un ampere di corrente che scorre in una bobina di 1 giro.

Il flusso disponibile nel nucleo di un trasformatore circonda insieme l'avvolgimento primario e secondario.

Dato che il flusso è identico per ogni avvolgimento, gli ampere-spire in ogni avvolgimento primario e secondario dovrebbero essere sempre gli stessi.

Per tale motivo:

IpNp = IsNs

Dove:

IpNp = ampere / giri nell'avvolgimento primario
IsNs - ampere / giri nell'avvolgimento secondario

Dividendo entrambi i lati dell'espressione per
Ip , noi abbiamo:
Np / Ns = Is / Ip

da: Es / Ep = Ns / Np

Poi: Ep / Es = Np / Ns

Anche: Ep / Es = Is / Ip

dove

  • Ep = tensione applicata sul primario in volt
  • Es = tensione ai capi del secondario in volt
  • Ip = corrente nel primario in Amp
  • È = corrente nel secondario in Ampere

Si osservi che le equazioni indicano che il rapporto di ampere è l'inverso dell'avvolgimento o il rapporto di rotazione così come il rapporto di tensione.

Ciò implica che un trasformatore che possiede un numero inferiore di spire sul lato secondario rispetto al primario può abbassare la tensione, ma aumenterebbe la corrente. Per esempio:

Si supponga che un trasformatore abbia un rapporto di tensione di 6: 1.

Prova a trovare la corrente o gli ampere nel lato secondario se la corrente o l'amplificatore nel lato primario è di 200 milliampere.

Supponiamo

Ep = 6V (come esempio)
È = 1V
Ip = 200mA o 0,2Amps
È =?

Risposta:

Ep / Es = Is / Ip

Trasposizione per Is:

È = EpIp / Es

Sostituzione:

È = (6 V x 0,2 A) / 1 V.
È = 1.2A

Lo scenario di cui sopra affronta il fatto che, nonostante il fatto che la tensione attraverso l'avvolgimento secondario sia un sesto della tensione attraverso l'avvolgimento primario, gli ampere nell'avvolgimento secondario sono 6 volte gli ampere nell'avvolgimento primario.

Le equazioni di cui sopra potrebbero benissimo essere viste da una prospettiva alternativa.

Il rapporto di avvolgimento indica la somma attraverso la quale il trasformatore potenzia o amplifica o riduce la tensione collegata al lato primario.

Solo per illustrare, supponiamo che se l'avvolgimento secondario di un trasformatore ha il doppio del numero di spire dell'avvolgimento primario, la tensione stimolata nel lato secondario sarà probabilmente il doppio della tensione attraverso l'avvolgimento primario.

Nel caso in cui l'avvolgimento secondario trasporta la metà del numero di giri sul lato primario, la tensione sul lato secondario sarà la metà della tensione sull'avvolgimento primario.

Detto questo, il rapporto di avvolgimento e il rapporto di amplificazione di un trasformatore costituiscono un'associazione inversa.

Di conseguenza, un trasformatore elevatore 1: 2 potrebbe avere metà dell'amplificatore sul lato secondario rispetto al lato primario. Un trasformatore step-down 2: 1 può avere due volte l'amplificatore nell'avvolgimento secondario rispetto al lato primario.

Illustrazione: Un trasformatore con un rapporto di avvolgimento di 1:12 possiede 3 ampere di corrente nel lato secondario. Scopri l'ampiezza degli amplificatori nell'avvolgimento primario?

Dato:

Np = 1 giro (ad esempio)
Ns = 12 giri
È = 3Amp
Lp =?

Risposta:

Np / Ns = Is / Ip

Sostituzione:

Ip = (12 giri x 3 Amp) / 1 giro

Ip = 36A

Calcolo dell'induttanza reciproca

L'induzione reciproca è un processo in cui un avvolgimento passa attraverso un'induzione EMF a causa della velocità di variazione della corrente dell'avvolgimento adiacente che porta a un accoppiamento induttivo tra l'avvolgimento.

In altre parole Induttanza reciproca è il rapporto tra la fem indotta su un avvolgimento e la velocità di variazione della corrente sull'altro avvolgimento, come espresso nella formula seguente:

M = emf / di (t) / dt

Fasatura nei trasformatori:

Normalmente, quando esaminiamo i trasformatori, la maggior parte di noi crede che la tensione e le correnti dell'avvolgimento primario e secondario siano in fase l'una con l'altra. Tuttavia, questo potrebbe non essere sempre vero. Nei trasformatori, la relazione tra la tensione, l'angolo di fase della corrente tra il primario e il secondario dipende dal modo in cui questi avvolgimenti vengono ruotati attorno al nucleo. Dipende dal fatto che siano entrambi in senso antiorario o orario o se un avvolgimento viene ruotato in senso orario mentre l'altro avvolgimento in senso antiorario.

Facciamo riferimento ai seguenti diagrammi per capire come l'orientamento dell'avvolgimento influenzi l'angolo di fase:

Nell'esempio sopra, le direzioni di avvolgimento sembrano identiche, cioè sia l'avvolgimento primario che quello secondario sono ruotati in senso orario. A causa di questo identico orientamento, l'angolo di fase della corrente e della tensione di uscita è identico all'angolo di fase della corrente e della tensione di ingresso.

Nel secondo esempio sopra, la direzione di avvolgimento del trasformatore può essere vista avvolta con orientamento opposto. Come si può vedere il primario sembra essere in senso orario mentre il secondario è avvolto in senso antiorario. A causa di questo orientamento opposto dell'avvolgimento, l'angolo di fase tra i due avvolgimenti è di 180 gradi e l'uscita secondaria indotta mostra una corrente fuori fase e una risposta in tensione.

Notazione del punto e convenzione del punto

Per evitare confusioni, viene utilizzata la notazione Dot o la convenzione Dot per rappresentare l'orientamento dell'avvolgimento di un trasformatore. Ciò consente all'utente di comprendere le specifiche dell'angolo di fase di ingresso e uscita, indipendentemente dal fatto che l'avvolgimento primario e secondario siano in fase o fuori fase.

La convenzione del punto è implementata da segni di punto sul punto iniziale dell'avvolgimento, che indicano se gli avvolgimenti sono in fase o fuori fase l'uno rispetto all'altro.

Il seguente schema del trasformatore porta una denotazione della convenzione del punto e significa che il primario e il secondario del trasformatore sono in fase l'uno con l'altro.

La convenzione del punto che mostra l

La notazione del punto utilizzata nell'illustrazione seguente mostra i punti posizionati attraverso i punti opposti dell'avvolgimento primario e secondario. Ciò indica che l'orientamento dell'avvolgimento dei due lati non è lo stesso e quindi l'angolo di fase tra i due avvolgimenti sarà sfasato di 180 gradi quando viene applicato un ingresso CA su uno degli avvolgimenti.

Perdite in un vero trasformatore

I calcoli e le formule considerati nei paragrafi precedenti erano basati su un trasformatore ideale. Tuttavia nel mondo reale, e per un vero trasformatore, lo scenario potrebbe essere molto diverso.

Scoprirai che in un progetto ideale i seguenti fattori lineari fondamentali dei trasformatori reali verranno ignorati:

(a) Molti tipi di perdite del nucleo, note insieme come perdite di corrente magnetizzante, che possono includere i seguenti tipi di perdite:

  • Perdite per isteresi: sono dovute a influenze non lineari del flusso magnetico sul nucleo del trasformatore.
  • Perdite di correnti parassite: questa perdita viene generata a causa del fenomeno chiamato riscaldamento joule nel nucleo del trasformatore. È proporzionale al quadrato della tensione applicata al primario del trasformatore.

(b) Contrariamente al trasformatore ideale, la resistenza dell'avvolgimento in un trasformatore reale non può mai avere una resistenza zero. Significa che l'avvolgimento alla fine avrà una certa resistenza e induttanze associate.

  • Perdite in Joule: come spiegato sopra, la resistenza generata attraverso i terminali dell'avvolgimento dà origine a perdite in Joule.
  • Flusso di dispersione: sappiamo che i trasformatori dipendono fortemente dall'induzione magnetica attraverso il loro avvolgimento. Tuttavia, poiché l'avvolgimento è costruito su un nucleo singolo comune, il flusso magnetico mostra una tendenza a fuoriuscire attraverso l'avvolgimento attraverso il nucleo. Ciò dà origine a un'impedenza chiamata impedenza reattiva primaria / secondaria, che contribuisce alle perdite del trasformatore.

(c) Poiché un trasformatore è anche una specie di induttore, è anche influenzato da fenomeni come la capacità parassita e l'auto-risonanza, a causa della distribuzione del campo elettrico. Queste capacità parassite di solito possono essere in 3 forme diverse come indicato di seguito:

  • Capacità generata tra le spire una sopra l'altra all'interno di un unico strato
  • Capacità generata attraverso due o più strati adiacenti
  • Capacità creata tra il nucleo del trasformatore e gli strati di avvolgimento adiacenti al nucleo

Conclusione

Dalla discussione di cui sopra, possiamo capire che nelle applicazioni pratiche il calcolo di un trasformatore, in particolare un trasformatore con nucleo di ferro, potrebbe non essere semplice come sarebbe un trasformatore ideale.

Per ottenere i risultati più accurati per i dati di avvolgimento, potremmo dover considerare molti fattori come: densità del flusso, area del nucleo, dimensione del nucleo, larghezza della linguetta, area della finestra, tipo di materiale del nucleo ecc.

Puoi saperne di più su tutti questi calcoli sotto questo post:




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