Trasformatore di potenza: design, valutazione, perdite, efficienza, usi

• Definizione del trasformatore di potenza
• Progettazione del trasformatore di potenza
• Schema del trasformatore di potenza
• Potenza trasformatore nominale
• Perdite del trasformatore di potenza
• Efficienza del trasformatore di potenza
• Applicazione trasformatore di potenza (in una sottostazione)
• Manutenzione del trasformatore di potenza
• Guasto del trasformatore di alimentazione

Definizione del trasformatore di potenza

Un tipico trasformatore può essere definito come "Un dispositivo che trasferisce l'energia elettrica tra i circuiti elettrici". È un dispositivo passivo e statico. Un trasformatore di alimentazione è unico nel suo genere. I trasformatori di potenza vengono utilizzati per interfacciare la riduzione e l'aumento delle tensioni nel sistema di distribuzione dell'alimentazione. 

Un tipico trasformatore di alimentazione ha una durata di circa 30 anni.

Design del trasformatore di potenza

Un tipico trasformatore è costituito da parti:

• A. Anima metallica
• B. Due avvolgimenti costituiti da bobine

Un trasformatore di potenza ha gli stessi componenti di uno normale. Inoltre, ha un sistema di raffreddamento e uno scheletro metallico, che è laminato con fogli. A seconda della struttura del nucleo, un trasformatore di alimentazione può essere del tipo a guscio o del tipo di nucleo. Questo può anche essere di tipo trifase o monofase. Un trifase può essere realizzato da tre trasformatori monofase.

Gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti utilizzando conduttori dall'interno o dall'esterno del nucleo. Monofase e trifase entrambi i trasformatori necessitano di "banco" per posizionare gli avvolgimenti. Se utilizziamo tre trasformatori monofase, è necessario identificare ogni banco isolato dagli altri. Se una delle banche si guasta, anche il trasformatore garantirà un servizio continuo. Ma nel caso di un singolo trasformatore trifase, non funzionerà se una banca fallisce.

Tutte queste impostazioni con il nucleo sono conservate all'interno di uno scheletro. Lo scheletro viene assorbito all'interno di un olio protetto dal fuoco. L'olio svolge sia il lavoro di isolamento che di raffreddamento. C'è il busing (isolatori), che consente al conduttore di svolgere il proprio lavoro senza interferire con la struttura esterna. Anche i trasformatori hanno bisogno di un dispositivo di raffreddamento. Un ventilatore o un altro processo può servire al processo.

Schema del trasformatore di potenza

Potenza di trasferimento nominale

I trasformatori sono classificati in base alla potenza che può fornire al carico. Se un trasformatore fornisce 5 volt e 4 ampere di corrente come uscita, la potenza del trasformatore sarà 5 * 4 = 20 volt ampere. Ecco perché i trasformatori sono classificati in Volt - Ampere (VA) o Kilovolt - Ampere (kVA). Di solito funziona per tensioni più elevate e sono valutate in kilovolt ampere.

Un trasformatore di alimentazione è una parte costosa di un sistema di distribuzione. Se la potenza nominale non viene eseguita correttamente, il trasformatore potrebbe essere bruciato. Quindi, è necessario valutare accuratamente un trasformatore di potenza. Il valore della corrente può essere calcolato utilizzando il diametro della bobina degli avvolgimenti. La tensione può essere calcolata utilizzando il numero di spire o utilizzando il rapporto spire.

Perdite del trasformatore di potenza

Un trasformatore di potenza subisce una perdita in quanto non è un trasformatore ideale. Una perdita del trasformatore significa perdita di potenza. Le perdite del trasformatore possono essere suddivise in quattro categorie. Loro sono -

• A. Perdita nucleo / perdita di ferro (perdita di isteresi e perdita di correnti parassite)
• B. Perdita dielettrica
• C. Perdita di rame o perdita ohmica
• D. Perdita vagante

A. Perdita di nucleo / perdita di ferro:

Queste perdite sono anche definite "perdite a vuoto". Questo trasformatore subisce tali perdite ogni volta che viene collegato alla corrente anche se non ha alcun carico collegato ad esso sul lato secondario. Questi tipi di perdite sono costanti e non fluttuano. Anche la perdita di ferro è di due tipi:

• un. Perdite di isteresi
• b. Perdite da correnti parassite

un. Perdite per isteresi:

• Una forza magnetizzante alternata si verifica all'interno del nucleo del trasformatore. A causa della leva magnetizzante, è stato tracciato un ciclo di isteresi e la potenza è stata dissipata sotto forma di calore. Le perdite di isteresi causano una perdita a vuoto dal 50% all'80%.

P_h = η * SI_max * N * f *V

P_h = Perdita di isteresi

η = coefficiente di isteresi di Steinmetz

B_max = Massima densità di flusso

n = esponente di Steinmetz

f  = frequenza di inversioni magnetiche al secondo

V = volume del materiale magnetico

b. Perdita di correnti parassite:

• La perdita di correnti parassite si verifica a causa della legge di induzione di Faraday. Una fem è indotta nel circuito principale a causa del flusso magnetico. Questa fem causa il flusso di corrente attraverso la struttura centrale in quanto è costituita da ferro. Questa corrente è nota come Eddy Current. La corrente parassita non è utile per lavorare in questo circuito. Quindi, la perdita di potenza dovuta a questa corrente è nota come perdita di correnti parassite. Le perdite di correnti parassite sono responsabili di una perdita a vuoto dal 20% al 50%.

La perdita è data da -

Pe = K_e * B_max² * f *V*t²

P_e = Perdita di correnti parassite

K_e = Costante di correnti parassite

B_max = Massima densità di flusso

f  = frequenza di inversioni magnetiche al secondo

V = volume del materiale magnetico

t = spessore magnetico

B. Perdite dielettriche:

• Gli isolatori posti all'interno dei trasformatori sono la ragione di questa perdita. Non è una perdita significativa e contribuisce all'1% delle perdite totali senza carico.

C. Perdita di rame o perdita ohmica:

• Questo tipo di perdita in un trasformatore di potenza può essere chiamato Perdite di carico poiché i trasformatori subiscono questo tipo di perdita a causa di condizioni di cortocircuito o quando sono collegati al carico. La resistenza degli avvolgimenti del filo è la fonte di questa perdita. Poiché la maggior parte dei cavi è costituita da rame, la perdita prende il nome da questo.

D. Perdita vagante:

• Questa perdita si verifica a causa del flusso di dispersione. Il flusso di dispersione dipende da diversi parametri come: la struttura geometrica dell'avvolgimento, le dimensioni del serbatoio, ecc. La modifica di questi parametri può anche ridurre le perdite. È una perdita trascurabile.

Ci sono anche altre perdite. Uno di questi è le perdite ausiliarie. Il sistema di raffreddamento del trasformatore provoca questo tipo di perdita. Inoltre, la potenza sbilanciata e distorta provoca alcune perdite extra.

Efficienza del trasformatore di potenza

L'efficienza di un dispositivo elettrico è data dal rapporto tra la potenza di uscita e la potenza di ingresso. È dato da - η.

η = Uscita / Ingresso * 100%

In uno scenario pratico, un trasformatore ha delle perdite, come accennato in precedenza. Questa perdita è numericamente uguale alla differenza tra la potenza in ingresso e la potenza in uscita, ovvero:

Perdita = Potenza in ingresso - Potenza in uscita

Oppure, Potenza in uscita = Potenza in ingresso - Perdita

Ora, l'efficienza può essere scritta -

η = (Perdita di potenza in ingresso) / Potenza in ingresso * 100%

η = 1- (perdita / potenza in ingresso) * 100%

Può anche essere scritto come:

= (V₂I₂Cosϕ / (V₂I₂Cosϕ + P_i+ P_c )) * 100%

Dove,

V₂ = Tensione secondaria

I₂ = Corrente secondaria

Cos ϕ = Fattore di potenza

P_i = Perdita di ferro / Perdita di nucleo

P_c = Perdita di rame

Un trasformatore di potenza grande può raggiungere un'efficienza fino al 99.75% e uno piccolo può raggiungere un'efficienza fino al 97.50%. Se l'efficienza di un trasformatore di potenza rimane in un intervallo dal 98 al 99.50%, sarà considerata buona.

Il bisogno di potere sta aumentando a passi da gigante. Nel caso della distribuzione di potenza, un trasformatore di potenza è uno degli strumenti essenziali necessari. Sebbene questi siano progettati per una maggiore efficienza, è alta la necessità di una maggiore efficienza con una preoccupazione per l'ambiente e un ridotto utilizzo di energia. La riduzione delle perdite è la via verso questo obiettivo.

Applicazione trasformatore di potenza (trasformatore di alimentazione in una sottostazione)

I trasformatori sono una delle innovazioni essenziali e più incredibili nel campo dell'ingegneria elettrica. I trasformatori di potenza sono i più utilizzati nel sistema di distribuzione dell'alimentazione. Alcune delle applicazioni sono:

• I trasformatori di potenza sono utilizzati nei sistemi di generazione e distribuzione di energia.
• I trasformatori di potenza sono utilizzati nelle sottostazioni. Una sottostazione trasforma le tensioni elettriche più alte in tensioni più basse e un trasformatore di alimentazione fa questo lavoro. questi sono i dispositivi più critici di una sottostazione elettrica.
• Per ridurre le perdite di potenza nella trasmissione di potenza. I trasformatori aiutano a ridurre al minimo la potenza e quindi l'elettricità può essere fornita in tutte le aree.
• Per aumentare e diminuire le tensioni secondo le necessità.
• I trasformatori di alimentazione funzionano continuamente, garantendo l'alimentazione per 24 * 7. Pertanto, quando è necessario farlo sempre, è possibile utilizzare un trasformatore.
• Questi trovano applicazione anche nei trasformatori di messa a terra, trasformatori di isolamento.

Manutenzione del trasformatore di potenza

I trasformatori di potenza sono costosi, ingombranti e una parte essenziale di un sistema di distribuzione dell'alimentazione. Quindi, un trasformatore necessita di una manutenzione di alta qualità. La manutenzione può essere di due tipi: giornaliera e al momento dell'emergenza. La manutenzione regolare è altamente raccomandata per questo tipo di trasformatore, che si trova in una sottostazione. Di seguito vengono forniti alcuni tipi di manutenzione:

Manutenzione regolare:

1. Controllo del livello dell'olio
2. Per mantenere il livello dell'olio al livello desiderato.
3. Per sigillare eventuali perdite rilevate.
4. Per sostituire il gel di silice se il colore diventa rosa.

Manutenzione mensile:

1. Livello dell'olio per evitare danni.
2. Per controllare le boccole.
3. Pulizia dello scheletro.

Manutenzione semestrale:

1. Per controllare IFT, DDA, punti di infiammabilità.
2. Per controllare l'acidità, il contenuto di acqua e la rigidità dielettrica.

Manutenzione annuale:

1. Controllare le condizioni dell'olio: la situazione in termini di contenuto di umidità e rigidità dielettrica.
2. Per controllare tutti gli interruttori di allarme e controllo.
3. Misurazione e controllo del collegamento a terra.
4. Controllo boccole e pulitura.
5. Per controllare un dispositivo di comunicato stampa.

Guasto del trasformatore di alimentazione

Un tipico trasformatore elettrico è piuttosto complesso nei suoi circuiti. Un trasformatore di alimentazione è più complicato in quanto ha alcuni elementi aggiuntivi. Un trasformatore si guasta se si brucia o si spegne un trasformatore. Il guasto di un trasformatore può verificarsi a causa di diversi motivi. Guasti meccanici, manutenzione periodica, calamità naturali come i fulmini possono portare alla distruzione di un trasformatore.

• I trasformatori generano calore durante il funzionamento. Se c'è materiale di bassa qualità per l'isolamento, il calore generato porterebbe alla combustione.
• La condizione di sovraccarico è un'altra causa per i trasformatori.
• I vecchi trasformatori possono causare guasti. I guasti meccanici sono importanti per i vecchi trasformatori.
• Se il contenuto di umidità dell'olio oscilla rispetto ai valori nominali, ciò può anche portare a un guasto.

L'interruzione di corrente può essere prevenuta eseguendo una manutenzione regolare. Le informazioni basate su precedenti guasti aiutano anche a rilevare i segni di un'interruzione di corrente prima che si verifichi l'incidente.

Per saperne di più sul trasformatore clicca qui

Sudipta Roy

Ciao, sono Sudipta Roy. Ho fatto B. Tech in Elettronica. Sono un appassionato di elettronica e attualmente mi dedico al campo dell'elettronica e delle comunicazioni. Nutro un vivo interesse nell'esplorazione delle tecnologie moderne come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico. I miei scritti sono dedicati a fornire dati accurati e aggiornati a tutti gli studenti. Aiutare qualcuno ad acquisire conoscenze mi dà un immenso piacere.
Colleghiamoci tramite LinkedIn –