Costruzione del trasformatore

Questo circuito magnetico, conosciuto più comunemente come “nucleo del trasformatore” è progettato per fornire un percorso per il campo magnetico per scorrere intorno, che è necessario per l’induzione della tensione tra i due avvolgimenti.

Tuttavia, questo tipo di costruzione del trasformatore dove i due avvolgimenti sono avvolti su membra separate non è molto efficiente poiché gli avvolgimenti primario e secondario sono ben separati tra loro. Questo si traduce in un basso accoppiamento magnetico tra i due avvolgimenti e in grandi quantità di perdite di flusso magnetico dal trasformatore stesso. Ma oltre a questa costruzione a forma di “O”, ci sono diversi tipi di “costruzione del trasformatore” e disegni disponibili che sono usati per superare queste inefficienze producendo un trasformatore più piccolo e compatto.

L’efficienza di una semplice costruzione del trasformatore può essere migliorata portando i due avvolgimenti a stretto contatto tra loro migliorando così l’accoppiamento magnetico. Aumentare e concentrare il circuito magnetico intorno alle bobine può migliorare l’accoppiamento magnetico tra i due avvolgimenti, ma ha anche l’effetto di aumentare le perdite magnetiche del nucleo del trasformatore.

Oltre a fornire un percorso a bassa riluttanza per il campo magnetico, il nucleo è progettato per prevenire la circolazione di correnti elettriche all’interno del nucleo di ferro stesso. Le correnti circolanti, chiamate “correnti parassite”, causano riscaldamento e perdite di energia all’interno del nucleo, diminuendo l’efficienza del trasformatore.

Queste perdite sono dovute principalmente alle tensioni indotte nel circuito di ferro, che è costantemente sottoposto ai campi magnetici alternati impostati dalla tensione di alimentazione sinusoidale esterna. Un modo per ridurre queste perdite di potenza indesiderate è quello di costruire il nucleo del trasformatore con sottili laminazioni di acciaio.

In tutti i tipi di costruzione di trasformatori, il nucleo centrale di ferro è costruito con un materiale altamente permeabile fatto di sottili laminazioni di acciaio al silicio. Queste lamine sottili sono assemblate insieme per fornire il percorso magnetico richiesto con il minimo di perdite magnetiche. La resistività della lamina d’acciaio stessa è alta, riducendo così qualsiasi perdita di corrente parassita rendendo le lamine molto sottili.

Queste lamine d’acciaio per trasformatori hanno uno spessore che varia da 0,25 mm a 0,5 mm e poiché l’acciaio è un conduttore, le lamine e qualsiasi perno di fissaggio, rivetti o bulloni sono elettricamente isolati l’uno dall’altro da un rivestimento molto sottile di vernice isolante o dall’uso di uno strato di ossido sulla superficie.

Costruzione del nucleo del trasformatore

Generalmente, il nome associato alla costruzione di un trasformatore dipende da come gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti intorno al nucleo centrale in acciaio laminato. I due design più comuni e di base della costruzione del trasformatore sono il trasformatore a nucleo chiuso e il trasformatore a guscio.

Nel trasformatore di tipo “a nucleo chiuso” (a forma di nucleo), gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti all’esterno e circondano l’anello del nucleo. Nel trasformatore di tipo “a guscio” (forma a guscio), gli avvolgimenti primari e secondari passano all’interno del circuito magnetico in acciaio (nucleo) che forma un guscio attorno agli avvolgimenti come mostrato qui sotto.

Costruzione del nucleo del trasformatore

In entrambi i tipi di design del nucleo del trasformatore, il flusso magnetico che collega gli avvolgimenti primari e secondari viaggia interamente all’interno del nucleo senza perdita di flusso magnetico attraverso l’aria. Nella costruzione del trasformatore a nucleo, una metà di ogni avvolgimento è avvolta intorno a ogni gamba (o arto) del circuito magnetico del trasformatore come mostrato sopra.

Le bobine non sono disposte con l’avvolgimento primario su una gamba e il secondario sull’altra, ma invece metà dell’avvolgimento primario e metà dell’avvolgimento secondario sono posti uno sopra l’altro concentricamente su ogni gamba per aumentare l’accoppiamento magnetico permettendo praticamente tutte le linee di forza magnetiche passano attraverso entrambi gli avvolgimenti primario e secondario allo stesso tempo. Tuttavia, con questo tipo di costruzione del trasformatore, una piccola percentuale delle linee di forza magnetiche scorre all’esterno del nucleo, e questo è chiamato “flusso di dispersione”.

I nuclei di trasformatori a guscio superano questo flusso di dispersione poiché entrambi gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti sulla stessa gamba centrale o arto che ha il doppio della sezione trasversale dei due arti esterni. Il vantaggio qui è che il flusso magnetico ha due percorsi magnetici chiusi per fluire all’esterno delle bobine su entrambi i lati destro e sinistro prima di tornare indietro alle bobine centrali.

Questo significa che il flusso magnetico che circola intorno agli arti esterni di questo tipo di costruzione del trasformatore è uguale a Φ/2. Poiché il flusso magnetico ha un percorso chiuso intorno alle bobine, questo ha il vantaggio di diminuire le perdite del nucleo e di aumentare l’efficienza generale.

Laminazioni del trasformatore

Ma forse vi chiederete come gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti intorno a questi nuclei laminati di ferro o acciaio per questo tipo di costruzioni di trasformatori. Le bobine sono innanzitutto avvolte su una forma che ha una sezione trasversale cilindrica, rettangolare o ovale per adattarsi alla costruzione del nucleo laminato. In entrambe le costruzioni di trasformatori a guscio e a nucleo, per montare gli avvolgimenti delle bobine, le singole laminazioni sono stampate o punzonate da grandi fogli d’acciaio e formate in strisce di acciaio sottile che assomigliano alle lettere “E”, “L”, “U” e “I” come mostrato qui sotto.

Tipi di nuclei di trasformatori

Questi stampi di laminazione quando sono collegati insieme formano la forma richiesta del nucleo. Per esempio, due stampate “E” più due stampate “I” di chiusura finale per dare un nucleo E-I che forma un elemento di un nucleo standard di trasformatore a guscio. Queste laminazioni individuali sono strettamente unite durante la costruzione dei trasformatori per ridurre la riluttanza del traferro alle giunture, producendo una densità di flusso magnetico altamente saturata.

Le laminazioni del nucleo del trasformatore sono di solito impilate alternativamente l’una sull’altra per produrre un giunto sovrapposto con più coppie di laminazioni che vengono aggiunte per formare lo spessore corretto del nucleo. Questo impilamento alternato delle laminazioni dà al trasformatore anche il vantaggio di una ridotta perdita di flusso e di ferro. La costruzione del trasformatore laminato con nucleo E-I è usata soprattutto nei trasformatori di isolamento, nei trasformatori step-up e step-down e nei trasformatori automatici.

Sistemazione degli avvolgimenti del trasformatore

Gli avvolgimenti del trasformatore costituiscono un’altra parte importante della costruzione del trasformatore, perché sono i principali conduttori di corrente avvolti attorno alle sezioni laminate del nucleo. In un trasformatore monofase a due avvolgimenti, sarebbero presenti due avvolgimenti come mostrato. Quello che è collegato alla fonte di tensione e crea il flusso magnetico, chiamato avvolgimento primario, e il secondo avvolgimento, chiamato secondario, in cui viene indotta una tensione per induzione reciproca.

Se la tensione secondaria di uscita è inferiore a quella della tensione primaria di ingresso, il trasformatore è noto come “trasformatore step-down”. Se la tensione d’uscita secondaria è maggiore della tensione d’ingresso primaria, è chiamato “Trasformatore step-up”.

Il tipo di filo utilizzato come conduttore principale di corrente nell’avvolgimento di un trasformatore è in rame o alluminio. Mentre il filo di alluminio è più leggero e generalmente meno costoso di quello di rame, è necessario utilizzare un’area trasversale di conduttore più grande per trasportare la stessa quantità di corrente che con il rame, quindi viene utilizzato principalmente in applicazioni di trasformatori di potenza più grandi.

I piccoli trasformatori di potenza e tensione da kVA utilizzati in circuiti elettrici ed elettronici a bassa tensione tendono ad utilizzare conduttori di rame in quanto questi hanno una maggiore resistenza meccanica e dimensioni del conduttore più piccole rispetto ai tipi equivalenti in alluminio. Lo svantaggio è che quando sono completi del loro nucleo, questi trasformatori sono molto più pesanti.

Gli avvolgimenti e le bobine dei trasformatori possono essere classificati in modo generale in bobine concentriche e bobine a sandwich. Nella costruzione dei trasformatori a nucleo, gli avvolgimenti sono di solito disposti concentricamente attorno al nucleo, come mostrato sopra, con l’avvolgimento primario a tensione più alta avvolto sopra l’avvolgimento secondario a tensione più bassa.

Le bobine a sandwich o “pancake” consistono in conduttori piatti avvolti a spirale e sono così chiamate per la disposizione dei conduttori in dischi. I dischi alternati sono fatti a spirale dall’esterno verso il centro in una disposizione interleaved con le singole bobine impilate insieme e separate da materiali isolanti come carta o fogli di plastica. Le bobine e gli avvolgimenti a sandwich sono più comuni con la costruzione del nucleo a guscio.

Gli avvolgimenti elicoidali, noti anche come avvolgimenti a vite, sono un’altra disposizione molto comune della bobina cilindrica usata nelle applicazioni dei trasformatori a bassa tensione e alta corrente. Gli avvolgimenti sono costituiti da conduttori rettangolari di grande sezione avvolti su un lato con i trefoli isolati avvolti in parallelo continuamente lungo la lunghezza del cilindro, con distanziatori adatti inseriti tra le spire adiacenti o dischi per minimizzare le correnti circolanti tra i trefoli paralleli. La bobina procede verso l’esterno come un’elica simile a quella di un cavatappi.

L’isolamento usato per evitare che i conduttori vadano in corto circuito in un trasformatore è solitamente un sottile strato di vernice o smalto nei trasformatori raffreddati ad aria. Questa vernice sottile o smalto è dipinto sul filo prima che sia avvolto intorno al nucleo.

Nei trasformatori di potenza e distribuzione più grandi i conduttori sono isolati l’uno dall’altro usando carta o tela impregnata d’olio. L’intero nucleo e gli avvolgimenti sono immersi e sigillati in una vasca protettiva contenente olio per trasformatori. L’olio del trasformatore agisce come isolante e anche come refrigerante.

Orientamento dei punti del trasformatore

Non possiamo semplicemente prendere un nucleo laminato e avvolgervi una delle configurazioni di bobine. Potremmo, ma potremmo scoprire che la tensione e la corrente secondaria potrebbero essere fuori fase con quella della tensione e della corrente primaria. I due avvolgimenti della bobina hanno un orientamento distinto di uno rispetto all’altro. Entrambe le bobine potrebbero essere avvolte intorno al nucleo in senso orario o antiorario, quindi per tenere traccia dei loro orientamenti relativi si usano dei “punti” per identificare una data estremità di ciascun avvolgimento.

Questo metodo per identificare l’orientamento o la direzione degli avvolgimenti di un trasformatore è chiamato “convenzione dei punti”. Quindi gli avvolgimenti di un trasformatore sono avvolti in modo che esistano le corrette relazioni di fase tra le tensioni degli avvolgimenti, con la polarità del trasformatore definita come la polarità relativa della tensione secondaria rispetto alla tensione primaria, come mostrato di seguito.

Costruzione del trasformatore usando l’orientamento a punti

Il primo trasformatore mostra i suoi due “punti” affiancati sui due avvolgimenti. La corrente che esce dal secondario è “in fase” con la corrente che entra nel primario. Così le polarità delle tensioni alle estremità punteggiate sono anche in fase, quindi quando la tensione è positiva all’estremità punteggiata della bobina primaria, la tensione attraverso la bobina secondaria è anche positiva all’estremità punteggiata.

Il secondo trasformatore mostra i due punti alle estremità opposte degli avvolgimenti, il che significa che gli avvolgimenti della bobina primaria e secondaria dei trasformatori sono avvolti in direzioni opposte. Il risultato di questo è che la corrente che lascia il punto secondario è 180o “fuori fase” con la corrente che entra nel punto primario. Quindi le polarità delle tensioni alle estremità punteggiate sono anche fuori fase, quindi quando la tensione è positiva all’estremità punteggiata della bobina primaria, la tensione attraverso la corrispondente bobina secondaria sarà negativa.

Quindi la costruzione di un trasformatore può essere tale che la tensione secondaria può essere sia “in-fase” che “fuori-fase” rispetto alla tensione primaria. Nei trasformatori che hanno un certo numero di avvolgimenti secondari diversi, ognuno dei quali è elettricamente isolato dall’altro, è importante conoscere la polarità del punto degli avvolgimenti secondari in modo che possano essere collegati insieme in configurazioni serie-aiuto (la tensione secondaria è sommata) o serie-opposizione (la tensione secondaria è la differenza).

La capacità di regolare il rapporto delle spire di un trasformatore è spesso desiderabile per compensare gli effetti delle variazioni della tensione primaria di alimentazione, la regolazione del trasformatore o condizioni di carico variabili. Il controllo della tensione del trasformatore viene generalmente effettuato cambiando il rapporto delle spire e quindi il suo rapporto di tensione, per cui una parte dell’avvolgimento primario sul lato dell’alta tensione viene spillata per consentire una facile regolazione. La maschiatura è preferita sul lato dell’alta tensione perché i volt per giro sono più bassi rispetto al lato secondario a bassa tensione.

Cambiamenti della presa primaria del trasformatore

In questo semplice esempio, i cambiamenti della presa primaria sono calcolati per un cambiamento della tensione di alimentazione di ±5%, ma si può scegliere qualsiasi valore. Alcuni trasformatori possono avere due o più avvolgimenti primari o due o più avvolgimenti secondari per l’uso in diverse applicazioni che forniscono tensioni diverse da un singolo nucleo.

Perdite del nucleo del trasformatore

La capacità del ferro o dell’acciaio di trasportare il flusso magnetico è molto maggiore di quella dell’aria, e questa capacità di permettere al flusso magnetico di fluire è chiamata permeabilità. La maggior parte dei nuclei dei trasformatori sono costruiti con acciai a basso tenore di carbonio che possono avere permeabilità dell’ordine di 1500 rispetto a solo 1,0 per l’aria.

Questo significa che un nucleo laminato in acciaio può trasportare un flusso magnetico 1500 volte meglio di quello dell’aria. Tuttavia, quando un flusso magnetico scorre in un nucleo d’acciaio del trasformatore, si verificano due tipi di perdite nell’acciaio. Uno chiamato “perdite di correnti parassite” e l’altro chiamato “perdite di isteresi”.

Perdite di isteresi

Le perdite di isteresi del trasformatore sono causate dall’attrito delle molecole contro il flusso delle linee di forza magnetiche necessarie per magnetizzare il nucleo, che cambiano costantemente in valore e direzione prima in una direzione e poi nell’altra a causa dell’influenza della tensione di alimentazione sinusoidale.

Questo attrito molecolare causa lo sviluppo di calore che rappresenta una perdita di energia per il trasformatore. Un’eccessiva perdita di calore può accorciare la vita dei materiali isolanti utilizzati nella fabbricazione degli avvolgimenti e delle strutture. Pertanto, il raffreddamento di un trasformatore è importante.

Inoltre, i trasformatori sono progettati per funzionare a una particolare frequenza di alimentazione. Abbassando la frequenza di alimentazione si avrà un aumento dell’isteresi e un aumento della temperatura nel nucleo di ferro. Quindi riducendo la frequenza di alimentazione da 60 Hertz a 50 Hertz aumenterà la quantità di isteresi presente, diminuendo la capacità VA del trasformatore.

Perdite di corrente parassita

Le perdite di corrente parassita del trasformatore d’altra parte sono causate dal flusso di correnti circolanti indotte nell’acciaio causato dal flusso del flusso magnetico attorno al nucleo. Queste correnti circolanti sono generate perché al flusso magnetico il nucleo si comporta come un unico anello di filo. Poiché il nucleo di ferro è un buon conduttore, le correnti parassite indotte da un nucleo di ferro solido saranno grandi.

Le correnti parassite non contribuiscono all’utilità del trasformatore ma si oppongono al flusso della corrente indotta agendo come una forza negativa che genera un riscaldamento resistivo e una perdita di potenza all’interno del nucleo.

Laminare il nucleo di ferro

Le perdite di corrente indotta all’interno del nucleo di un trasformatore non possono essere eliminate completamente, ma possono essere notevolmente ridotte e controllate riducendo lo spessore del nucleo di acciaio. Invece di avere un grande nucleo di ferro solido come materiale del nucleo magnetico del trasformatore o della bobina, il percorso magnetico è suddiviso in molte forme sottili di acciaio pressato chiamate “laminazioni”.

Le laminazioni usate nella costruzione di un trasformatore sono strisce molto sottili di metallo isolato unite insieme per produrre un nucleo solido ma laminato come abbiamo visto sopra. Queste laminazioni sono isolate l’una dall’altra da uno strato di vernice o carta per aumentare la resistività effettiva del nucleo, aumentando così la resistenza complessiva per limitare il flusso delle correnti parassite.

Il risultato di tutto questo isolamento è che la perdita di potenza indesiderata della corrente parassita indotta nel nucleo è notevolmente ridotta, ed è per questa ragione che il circuito di ferro magnetico di ogni trasformatore e altre macchine elettromagnetiche sono tutti laminati. L’uso delle laminazioni nella costruzione di un trasformatore riduce le perdite di corrente parassita.

Le perdite di energia, che appare come calore dovuto sia all’isteresi che alle correnti parassite nel percorso magnetico, è noto comunemente come “perdite del nucleo del trasformatore”. Poiché queste perdite si verificano in tutti i materiali magnetici come risultato di campi magnetici alternati. Le perdite del nucleo del trasformatore sono sempre presenti in un trasformatore ogni volta che il primario è eccitato, anche se nessun carico è collegato all’avvolgimento secondario. Anche queste isteresi e le perdite di corrente parassita sono a volte chiamate “perdite del ferro del trasformatore”, poiché il flusso magnetico che causa queste perdite è costante a tutti i carichi.

Perdite di rame

Ma c’è anche un altro tipo di perdita di energia associato ai trasformatori chiamato “perdite di rame”. Le perdite di rame dei trasformatori sono dovute principalmente alla resistenza elettrica degli avvolgimenti primari e secondari. La maggior parte delle bobine dei trasformatori sono fatte di filo di rame che ha una resistenza in Ohm, ( Ω ). Questa resistenza si oppone alle correnti magnetizzanti che le attraversano.

Quando un carico è collegato all’avvolgimento secondario del trasformatore, grandi correnti elettriche scorrono sia nell’avvolgimento primario che in quello secondario, l’energia elettrica e la potenza (o la I2 R) si perdono come calore. Generalmente le perdite di rame variano con la corrente di carico, essendo quasi zero a vuoto, e al massimo a pieno carico quando il flusso di corrente è al massimo.

Il valore VA di un trasformatore può essere aumentato con una migliore progettazione e costruzione del trasformatore per ridurre queste perdite del nucleo e del rame. I trasformatori con alte tensioni e correnti nominali richiedono conduttori di grande sezione per aiutare a minimizzare le loro perdite di rame. Aumentare il tasso di dissipazione del calore (migliore raffreddamento) tramite aria forzata o olio, o migliorando l’isolamento del trasformatore in modo che possa resistere a temperature più elevate può anche aumentare il VA di un trasformatore.

Poi possiamo definire un trasformatore ideale come avente:

• Nessun anello di isteresi o perdite di isteresi → 0
• Resistenza infinita del materiale del nucleo che dà zero perdite di correnti parassite → 0
• Resistenza dell’avvolgimento che dà zero perdite di rame I2*R → 0

Nel prossimo tutorial sui trasformatori vedremo il caricamento dell’avvolgimento secondario rispetto a un carico elettrico e vedremo l’effetto di un “NO-carico” e un trasformatore collegato “ON-load” ha sulla corrente dell’avvolgimento primario.