Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Il trasformatore è un elemento molto importante del nostro mondo elettrico. Dà energia a tutto. Tra questi, il caricabatterie del telefono e persino intere città. Ma bisogna sapere che un trasformatore spreca una piccola quantità di energia ogni volta che funziona. Questo spreco di energia ha un costo. Inoltre, può modificare la qualità del lavoro del trasformatore. In questo articolo, imparerete a conoscere un importante tipo di perdita di energia. Si tratta delle cosiddette perdite di nucleo. Si parla anche di perdite a vuoto. Una volta comprese queste perdite, capirete perché la scelta del trasformatore giusto è importante. Aiuta a risparmiare energia e a far funzionare meglio le cose. Cominciamo a conoscere le perdite dei trasformatori.
Il trasformatore è una macchina semplice, ma molto potente. Cambia l'elettricità da un livello di tensione a un altro. Ad esempio, un trasformatore di grandi dimensioni su un palo della corrente può assorbire l'alta tensione e trasformarla in una tensione più bassa e sicura per la vostra casa. Ogni trasformatore ha almeno due serie di fili all'interno. Questi sono chiamati avvolgimenti o bobine. Il primo gruppo è l'avvolgimento primario, che assorbe l'energia. Il secondo è l'avvolgimento secondario, che invia l'energia all'esterno. Il più delle volte questi fili sono avvolti attorno a una parte di ferro chiamata nucleo del trasformatore.
Il funzionamento di un trasformatore non è perfetto. Una parte dell'energia viene persa quando l'elettricità passa attraverso il trasformatore. Queste perdite del trasformatore si trasformano in calore. È come sfregare le mani. Si scaldano a causa dell'attrito. Un trasformatore in funzione genera anche calore. Questa perdita di calore è energia che viene sprecata. Se capiamo perché questa perdita di energia si verifica, possiamo realizzare trasformatori migliori. Questi trasformatori saranno più efficienti. Alcune perdite si verificano sempre. Altre perdite cambiano in base alla quantità di elettricità utilizzata. Per questo motivo, la gestione di queste perdite è una parte molto importante della progettazione dei trasformatori.
No, esistono diversi tipi di perdite dei trasformatori. Possiamo suddividerle in due grandi gruppi. Il primo è quello delle perdite di nucleo, chiamate anche perdite a vuoto. Il secondo è quello delle perdite di carico, chiamate anche perdite di rame. Le differenze principali sono quando si verificano. Le perdite del nucleo sono sempre presenti. Si verificano ogni volta che il trasformatore è sotto tensione. Questo è vero anche se il trasformatore non alimenta nulla. Le perdite di carico sono invece diverse. Si verificano solo quando c'è un carico sul trasformatore.
Le perdite di carico derivano dal filo di rame dell'avvolgimento. Questo filo resiste al flusso di elettricità. Una corrente elettrica passa attraverso gli avvolgimenti primari e secondari. Il materiale del conduttore si oppone a questo flusso di corrente. A causa della resistenza, genera calore. Quando scorre più corrente, le perdite di carico aumentano. A volte si parla di perdita di rame. Questo perché le parti dell'avvolgimento sono fatte di rame. La quantità di questa perdita dovuta alla resistenza aumenta molto rapidamente. Si basa sul quadrato della corrente di carico. Ad esempio, se la corrente di carico raddoppia, la perdita di rame sarà quattro volte maggiore.
| Caratteristica | Perdite del nucleo (perdite senza carico) | Perdite di carico (perdita di rame) |
|---|---|---|
| Quando succede | Ogni volta che il trasformatore è alimentato | Solo quando il trasformatore alimenta qualcosa |
| Da cosa dipende | Tensione e frequenza | La quantità di corrente di carico che fluisce |
| Dove succede | All'interno del nucleo del trasformatore | All'interno dell'avvolgimento del trasformatore |
| Altri nomi | Perdita di ferro, perdita senza carico | Perdita I²R, perdita di rame |
Le perdite di nucleo sono le perdite di energia che si verificano all'interno del nucleo magnetico di un trasformatore. Ciò avviene a causa del campo magnetico alternato. Un trasformatore ha bisogno di questo campo per svolgere il suo lavoro. Una corrente alternata attraversa la bobina primaria. Questo genera un flusso magnetico variabile nel materiale del nucleo. Questo flusso mutevole è ciò che consente al trasformatore di spostare l'energia. La sposta dall'avvolgimento primario all'avvolgimento secondario. Ma questa stessa azione fa anche perdere energia al trasformatore. L'energia persa si trasforma in calore all'interno del nucleo.
Le cause principali di queste perdite sono due. Sono l'isteresi e le correnti parassite. Quando ne parliamo insieme, chiamiamo le perdite isteresi e correnti parassite. Queste perdite di potenza sono sempre presenti se il trasformatore è acceso. Ciò è dovuto al fatto che la tensione genera sempre un campo magnetico mutevole. Non fa differenza se il trasformatore viene utilizzato per alimentare una lampada o meno. Le perdite si verificano sempre. Ecco perché il controllo delle perdite del nucleo è un aspetto importante per l'efficienza di un trasformatore. Se un trasformatore rimane acceso tutto il giorno e tutta la notte, sprecherà energia per tutto il tempo a causa di queste perdite.
Il nome "perdite a vuoto" ci aiuta a capire quando si verifica questa perdita. Il nome deriva dal fatto che la perdita è presente anche a vuoto. Un carico è qualcosa collegato all'avvolgimento secondario. Un "carico" è qualsiasi oggetto che utilizza l'energia del trasformatore. Ad esempio, una lampadina, un motore o un computer. Anche quando non è collegato nulla, una piccola corrente primaria entra comunque nel trasformatore. Questa corrente è necessaria per creare il flusso magnetico all'interno del nucleo.
Questa piccola corrente mantiene il nucleo del trasformatore pronto a funzionare. Mantiene il nucleo in uno stato di magnetizzazione. L'energia che utilizza per questo lavoro è ciò che chiamiamo perdite a vuoto. Questa azione avviene sempre quando il trasformatore è acceso. Pertanto, la perdita non cambia mai. La quantità di corrente di carico che va a un dispositivo non ha alcun effetto sulla perdita del nucleo. Pertanto, la perdita del nucleo rimane invariata se il trasformatore lavora intensamente o non fa nulla (a vuoto). Questo è molto diverso dalle perdite di carico. Le perdite di carico sono pari a zero in assenza di carico.
La perdita per isteresi è una parte delle perdite del nucleo. Un buon modo per immaginarla è quello di pensare al materiale del nucleo magnetico come a tanti piccoli magneti al suo interno. La corrente alternata nella bobina primaria scorre in una direzione. Questo fa allineare i piccoli magneti. Poi, la corrente cambia e scorre nell'altro senso. A questo punto, tutti i piccoli magneti devono capovolgersi e allinearsi nella nuova direzione. Questo accade più volte, molto velocemente. Il materiale del nucleo lotta contro questi rapidi cambiamenti. Questa lotta si chiama isteresi.
Questo "attrito magnetico", o isteresi, consuma energia. L'energia necessaria per continuare a far girare i piccoli magneti si trasforma in calore. Questa perdita di calore è la perdita per isteresi. La quantità di perdita dovuta all'isteresi dipende dal tipo di materiale utilizzato per il nucleo. Alcuni materiali hanno meno "attrito" di altri. Per un trasformatore, i costruttori scelgono un materiale per il nucleo magnetico con una bassa isteresi. Un buon esempio è l'acciaio al silicio. Questa scelta aiuta a minimizzare questo tipo di dissipazione di energia. I continui cambiamenti di direzione magnetica causano questa perdita.
L'altra parte delle perdite del nucleo è chiamata perdita per correnti parassite. Il campo magnetico variabile nel nucleo del trasformatore fa più di una cosa. Crea una tensione nella bobina secondaria. Ma produce anche una tensione all'interno del nucleo di ferro stesso. Il nucleo è un materiale conduttore. Quindi, questa tensione fa scorrere piccoli cerchi di corrente all'interno del nucleo. Queste correnti indotte indesiderate vengono chiamate correnti parassite.
Questi piccoli cerchi di corrente si muovono attraverso il nucleo. Il materiale del nucleo presenta una certa resistenza all'elettricità. Per questo motivo, la corrente parassita genera calore. Questo è molto simile al modo in cui la corrente passa attraverso un avvolgimento di rame per produrre perdite di rame. L'energia dissipata sotto forma di calore da queste correnti è la perdita di corrente parassita. Questa perdita di energia è direttamente proporzionale alla velocità di variazione della corrente e alla forza del flusso magnetico. Un flusso più forte crea una forza magnetica maggiore. Ciò indurrà una maggiore corrente parassita.
Sì, possiamo ridurre le perdite del nucleo. In particolare, possiamo ridurre le perdite per correnti parassite con una progettazione intelligente del trasformatore. Il modo migliore per farlo è rendere più difficile il flusso delle correnti parassite. Sappiamo che un pezzo di metallo grande e solido permette la formazione di una grande corrente parassita. Per questo motivo, invece di utilizzare un blocco di ferro solido, i costruttori realizzano il nucleo del trasformatore da un nucleo laminato. Ciò significa che l'anima è costituita da molti fogli di acciaio molto sottili. Questi fogli sono chiamati laminati.
Ogni foglio sottile, o laminazione, è dotato di uno speciale rivestimento. Questo rivestimento agisce come una parete che non lascia passare l'elettricità. È molto difficile per la corrente saltare da una lamina all'altra. Questo interrompe i grandi percorsi circolari che una corrente parassita vuole seguire. La corrente può scorrere solo in piccoli cerchi all'interno di ciascun foglio sottile. In questo modo si creano correnti parassite molto più deboli, dette appunto correnti parassite. Questo metodo riduce notevolmente la perdita totale di corrente parassita. L'uso di un nucleo laminato è il modo normale per ridurre al minimo le perdite causate dalle correnti parassite e migliorare l'efficienza del trasformatore. Il nucleo viene laminato per ridurre il flusso di correnti parassite.
Il materiale del nucleo è molto importante per le prestazioni del trasformatore. Influisce anche sull'efficienza dei trasformatori. Un ottimo materiale per il nucleo deve fare bene due cose. Innanzitutto, deve essere facile da magnetizzare e da smagnetizzare. Questo aiuta a minimizzare la perdita di isteresi. I materiali a bassa isteresi non contrastano più di tanto il cambiamento del campo magnetico. Ciò significa un minore spreco di energia. L'acciaio al silicio è molto utilizzato perché ha grandi capacità magnetiche e una bassa isteresi.
In secondo luogo, il materiale del nucleo deve avere un'elevata resistenza all'elettricità. Ciò contribuisce a ridurre al minimo la perdita di corrente parassita. Se la resistenza è più alta, è più difficile che si verifichi una corrente parassita, anche se la tensione è la stessa. L'aggiunta di silicio all'acciaio ne aumenta la resistenza. Questo è un altro motivo per cui è un'ottima scelta per un trasformatore. Anche lo spessore della laminazione svolge un ruolo importante. Una laminazione più sottile contribuisce a ridurre ulteriormente le correnti parassite. L'obiettivo principale è quello di scegliere un materiale in grado di gestire un forte flusso magnetico, ma con la minore isteresi e perdite parassite possibili.
Le perdite del nucleo hanno un effetto reale sul funzionamento di un trasformatore. Queste perdite sono sempre presenti. Rappresentano uno spreco costante di energia per tutto il tempo in cui il trasformatore è in funzione. L'energia sprecata si trasforma in calore. Questo calore rende il trasformatore più caldo. Se un trasformatore si scalda troppo, l'isolamento dell'avvolgimento può danneggiarsi. Questo può far sì che il trasformatore non duri a lungo. È quindi necessario controllare il calore prodotto dalle perdite del nucleo. A tal fine sono spesso necessari sistemi di raffreddamento.
Inoltre, le perdite del nucleo riducono l'efficienza del trasformatore. L'efficienza del trasformatore ci dice quanta potenza immessa viene trasformata in potenza utile. Ogni briciola di energia persa come calore è energia che non raggiunge il dispositivo che dovrebbe alimentare. Nel corso dell'intera vita di un trasformatore, questa perdita costante di energia può costare molto denaro. Questo è molto vero per i trasformatori di potenza di grandi dimensioni che rimangono in funzione per molti anni. Una migliore regolazione della tensione e un'elevata efficienza derivano dalla riduzione delle perdite. Per questo motivo le aziende elettriche pagheranno di più per un trasformatore ad alta efficienza con basse perdite di nucleo.
Per ridurre le perdite del nucleo e migliorare le prestazioni di un trasformatore, i costruttori lavorano su due aspetti fondamentali. Si concentrano sul materiale del nucleo e sul modo in cui il nucleo è costruito. L'idea è quella di correggere sia la perdita per isteresi che quella per correnti parassite. Il primo passo consiste nell'utilizzare un materiale del nucleo di alta qualità. Esistono tipi speciali di acciaio al silicio realizzati per avere un'isteresi molto bassa. Alcuni nuovi modelli di trasformatori utilizzano persino nuclei in metallo amorfo. Questi hanno una perdita di isteresi ancora più bassa.
Per contrastare le perdite di corrente parassita, la soluzione migliore è l'utilizzo di un nucleo laminato. Le laminazioni devono essere il più possibile sottili. Ciascuna di esse deve avere un buon rivestimento che la isoli dalle altre. Un trasformatore di buona fattura con un nucleo di alta qualità a laminazioni sottili avrà perdite di nucleo molto basse. Quando scegliete un trasformatore, verificate il numero di perdite a vuoto. Un numero più basso significa meno energia sprecata e costi di gestione più bassi nel tempo. Ciò contribuisce a ridurre il consumo energetico.
Ecco un rapido elenco delle idee più importanti sulle perdite del nucleo del trasformatore:
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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