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.
Un trasformatore può sembrare una semplice scatola di metallo. Ma all'interno, un modo intelligente di assemblarlo lo fa funzionare. Questo processo si chiama progettazione del trasformatore. Un trasformatore di potenza modifica la tensione elettrica in modo che sia più alta o più bassa. Questo articolo vi mostrerà come progettare un trasformatore. Spiegheremo le parti più difficili in modo semplice e comprensibile. Imparerete a conoscere il nucleo, gli avvolgimenti e a far funzionare bene il trasformatore senza sprechi di energia. La lettura di questo manuale vi aiuterà a capire cosa rende un trasformatore un buon trasformatore. Inoltre, vi mostrerà come un ingegnere ne costruisce uno fin dall'inizio.
Il trasformatore di potenza è un'apparecchiatura elettrica. Invia l'energia elettrica da un circuito a un altro circuito. È in grado di farlo senza parti in movimento. Il compito principale di un trasformatore è quello di cambiare la quantità di tensione e corrente. Un trasformatore può essere di tipo step-up o step-down. Un trasformatore step-up aumenta la tensione. Un trasformatore step-down riduce la tensione. Questo è di grande aiuto in molti sistemi elettrici.
Il trasformatore svolge il suo lavoro utilizzando un campo magnetico. Ha due parti principali. Una parte è un nucleo magnetico e l'altra è un gruppo di avvolgimenti. Ci sono almeno due avvolgimenti: l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario. L'avvolgimento primario riceve l'energia in ingresso. L'avvolgimento secondario emette la potenza in uscita. Quando una tensione di ingresso viene applicata all'avvolgimento primario, si crea un campo magnetico che cambia all'interno del nucleo. Questo campo magnetico, chiamato flusso magnetico, genera una tensione nell'avvolgimento secondario. La particolarità di un trasformatore è vedere come tutte queste parti svolgano il loro lavoro come una squadra. Un semplice trasformatore può fare molto lavoro.
Un buon progetto per un trasformatore è molto importante per realizzarne uno sicuro e che svolga bene il suo lavoro. Un trasformatore non ben progettato può causare grossi problemi. Può surriscaldarsi, sprecare energia e persino smettere di funzionare in un colpo solo. Un ingegnere deve pensare a molte cose durante il processo di progettazione di un trasformatore. L'obiettivo principale è quello di realizzare un trasformatore in grado di gestire la quantità di potenza prevista. Inoltre, deve funzionare molto bene senza sprechi di energia. Un trasformatore che funziona così bene fa risparmiare sia denaro che energia.
Un buon progetto di trasformatore assicura anche che il trasformatore continui a funzionare per molti anni. Deve essere in grado di gestire il calore prodotto dalla perdita di potenza. L'isolamento deve essere sufficientemente resistente per la massima tensione che verrà utilizzata. Il modo in cui le parti sono assemblate deve essere corretto. Un buon trasformatore è quello su cui si può contare per il suo funzionamento. Ad esempio, un trasformatore di potenza da 100 kVA deve essere progettato con cura. Questo per assicurarsi che sia in grado di gestire quella potenza in modo sicuro per un lungo periodo di tempo. Il compito di un ingegnere è quello di trovare la giusta combinazione di prezzo, dimensioni e funzionalità nel progetto finale del trasformatore. Questo è ciò che rende il trasformatore un elemento utile in un sistema elettrico.
Per progettare un trasformatore, occorre innanzitutto sapere che cosa deve fare. È necessario determinare i dettagli di base del trasformatore. Questi dettagli sono il primo passo per tutto il lavoro matematico. Se non li avete, non potete costruire un trasformatore utile.
Ecco le cose importanti da decidere all'inizio:
Una volta ottenute queste informazioni, è possibile iniziare a calcolare le altre parti del trasformatore con la matematica. Ad esempio, la potenza in ingresso e la potenza in uscita aiutano a determinare la quantità di corrente che passerà attraverso gli avvolgimenti primari e secondari. Questi primi passi sono la base per la progettazione dell'intero trasformatore.
Il nucleo magnetico è come il cuore del trasformatore. Il suo compito è quello di indicare al flusso magnetico dove andare. Lo guida dall'avvolgimento primario all'avvolgimento secondario. Il materiale utilizzato per il nucleo è determinante per il buon funzionamento del trasformatore. La maggior parte nuclei di trasformatori sono realizzati in un materiale speciale chiamato acciaio al silicio. Questo materiale lascia che un campo magnetico lo attraversi molto facilmente.
Il nucleo non è un pezzo solido di acciaio. È costruito con molti fogli di metallo sottili. Queste lamiere sono chiamate laminazioni. Ogni laminazione ha un sottilissimo strato di isolamento. In questo modo si mantiene separata dalle altre lamiere. Questa configurazione della laminazione è molto importante. Contribuisce a ridurre la quantità di energia che viene sprecata nel nucleo. Questo spreco di energia è noto come perdite del nucleo. Un nucleo solido lascerebbe circolare al suo interno grandi correnti elettriche. Questo creerebbe molto calore e sprecherebbe molta energia. Le sottili laminazioni bloccano queste correnti, facendo funzionare il trasformatore molto meglio.
La tensione di un trasformatore dipende completamente dal numero di spire dei suoi avvolgimenti. Il collegamento tra la tensione di ingresso, la tensione di uscita e il numero di spire è molto semplice. Questa connessione è nota come rapporto di spire. Se l'avvolgimento secondario ha un numero di spire superiore a quello dell'avvolgimento primario, il trasformatore è un trasformatore step-up. Se l'avvolgimento secondario ha meno spire, si tratta di un trasformatore step-down.
Per determinare il numero di spire, gli ingegneri utilizzano una formula. Questa formula è spesso chiamata equazione del campo elettromagnetico del trasformatore. Un modo più semplice di pensarla è "volt per giro". In primo luogo, si calcola la tensione che un singolo giro dell'avvolgimento può gestire. Ad esempio, se si scopre che i volt per giro sono 0,5 e si ha bisogno di un avvolgimento primario per 120 volt, si calcolerà il tutto in questo modo:
Numero di spire = Tensione di avvolgimento / Volt per giro Numero di spire = 120 volt / 0,5 = 240 spire
Per l'avvolgimento primario sono necessarie 240 spire. Se si desidera un'uscita secondaria a 12 volt, occorrono 12 / 0,5 = 24 spire per l'avvolgimento secondario. Questo calcolo è un passo molto importante quando si progetta un trasformatore.
L'avvolgimento di un trasformatore è una bobina fatta di filo. Questo filo, o conduttore, è quasi sempre di rame. Il rame è una buona scelta perché trasporta molto bene l'elettricità e non costa troppo. Lo spessore, o calibro, del filo di rame scelto è importante. Lo spessore giusto dipende dalla quantità di corrente che l'avvolgimento deve trasportare.
Un avvolgimento che trasporta molta corrente deve avere un filo di rame spesso. Un avvolgimento con poca corrente può utilizzare un filo più sottile. Se si sceglie un filo troppo sottile per la quantità di corrente, si surriscalda troppo. Il calore può fondere l'isolamento del filo. Questo può causare la rottura del trasformatore. Per trovare la giusta dimensione del filo, occorre innanzitutto calcolare la corrente primaria e la corrente secondaria. A tale scopo si può utilizzare la potenza nominale del trasformatore (VA).
| Potenza nominale | Tensione di ingresso | Corrente primaria | Filo suggerito |
|---|---|---|---|
| 100 VA | 120 Volt | 0,83 Ampere | Sottile |
| 1000 VA | 120 Volt | 8,3 Ampere | Medio |
| 5000 VA | 120 Volt | 41,7 Ampere | Spessore |
Questa tabella mostra un'idea semplice. Man mano che la corrente aumenta, il filo deve essere più spesso. La scelta del conduttore corretto fa sì che il trasformatore possa gestire la potenza che deve fornire senza surriscaldarsi troppo. Questo è molto importante per avere un trasformatore sicuro su cui poter contare.
Nessun trasformatore è perfetto. Ogni singolo trasformatore ha un po' di potenza sprecata. Questa potenza sprecata si trasforma in calore. Esistono due tipi principali di perdite in un trasformatore: le perdite di nucleo e le perdite di rame. Conoscere queste perdite è molto importante quando si progetta un trasformatore per farlo funzionare bene.
Le perdite di nucleo sono perdite che si verificano nel nucleo magnetico del trasformatore. Sono causate dal campo magnetico all'interno dell'acciaio al silicio, che cambia continuamente. Queste perdite sono presenti ogni volta che il trasformatore è acceso. Questo vale anche se non è collegato nulla all'avvolgimento secondario. L'utilizzo di lamierini sottili e di un buon materiale per il nucleo aiuta a ridurre queste perdite.
Le perdite di rame sono perdite che si verificano negli avvolgimenti di rame. Sono causate dalla resistenza del filo elettrico. Quando la corrente si muove attraverso il filo, produce calore. Questo fenomeno è noto anche come perdita I²R. Le perdite di rame aumentano con l'aumentare del lavoro del trasformatore. Più corrente significa più calore e più energia sprecata. Un buon progetto di trasformatore cerca di ridurre il più possibile sia le perdite del nucleo che le perdite di rame. Questo per far sì che il trasformatore funzioni meglio e sprechi meno energia.
Il modo in cui gli avvolgimenti primari e secondari sono collocati sul nucleo è chiamato disposizione degli avvolgimenti. Questa disposizione può cambiare il modo in cui il trasformatore svolge il suo lavoro. L'obiettivo principale è ottenere la migliore connessione magnetica tra le bobine primarie e secondarie. Ciò significa che si vuole che la maggior parte del flusso magnetico dell'avvolgimento primario si colleghi all'avvolgimento secondario.
Una configurazione normale prevede l'avvolgimento della bobina secondaria proprio sopra la bobina primaria. Tra di loro c'è un foglio di isolamento. In questo modo i due avvolgimenti sono molto vicini tra loro. La vicinanza contribuisce a ridurre il flusso di dispersione. Il flusso di dispersione è un campo magnetico che sfugge e non si collega a entrambi gli avvolgimenti. Una buona disposizione degli avvolgimenti migliora la regolazione della tensione del trasformatore. La regolazione della tensione indica di quanto si abbassa la tensione di uscita quando il trasformatore lavora a piena potenza. Una buona disposizione aiuta il trasformatore a funzionare meglio quando cambia la quantità di potenza erogata. Inoltre, influisce sull'impedenza del trasformatore e sulla sua capacità di mantenere separati i circuiti di ingresso e di uscita.
Tutta l'energia sprecata in un trasformatore si trasforma in calore. Se questo calore non viene sottratto, il trasformatore diventa sempre più caldo. Il calore eccessivo può danneggiare l'isolamento. Questo può causare la rottura del trasformatore. Per questo motivo, ogni trasformatore di potenza deve avere un modo per raffreddarsi. I metodi di raffreddamento utilizzati dipendono dalle dimensioni e dalla potenza del trasformatore.
Per i trasformatori di piccole dimensioni, è sufficiente il movimento dell'aria intorno al trasformatore per mantenerlo fresco. Il calore passa dal nucleo e dagli avvolgimenti alla superficie esterna e poi si sposta nell'aria. Per i trasformatori più grandi, questo non è sufficiente. Un trasformatore di potenza più grande, come un'unità da 100 kVA, potrebbe essere dotato di alette sul suo involucro esterno. Queste alette offrono più spazio per il contatto con l'aria, migliorando il raffreddamento. I trasformatori molto grandi sono spesso collocati all'interno di un serbatoio riempito con un olio speciale. L'olio assorbe il calore del nucleo e degli avvolgimenti del trasformatore. L'olio caldo si sposta e viene raffreddato dall'aria o dall'acqua. La scelta del modo in cui raffreddare il trasformatore è una parte molto importante del progetto del trasformatore.
Dopo che un ingegnere ha terminato la progettazione del trasformatore e lo ha costruito, è necessario testarlo. I test vengono eseguiti per assicurarsi che il trasformatore faccia ciò che deve fare e sia sicuro da usare. Esistono alcuni test normali per un trasformatore.
Un test è chiamato test a circuito aperto. Per questo test, la tensione viene applicata al lato primario, ma il lato secondario viene lasciato aperto senza alcun collegamento. Questo test verifica le perdite del nucleo del trasformatore. Un altro test è quello del cortocircuito. L'uscita del secondario viene collegata con un filo spesso e una piccolissima tensione viene applicata al lato primario. Questo test verifica le perdite di rame e l'impedenza del trasformatore. Infine, viene eseguito un test di regolazione della tensione. Si verifica come cambia la tensione secondaria in assenza di carico e a pieno carico. Questi test assicurano che il trasformatore abbia la giusta tensione e funzioni come desiderato. Questo è l'ultimo controllo per un trasformatore progettato bene.
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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