Trasformatori di corrente: design, principio di funzionamento e tipi

I trasformatori di corrente sono ampiamente utilizzati nella moderna ingegneria energetica come apparecchiature per cambiare vari parametri elettrici mantenendo i loro valori di base. Il funzionamento dell'attrezzatura si basa sulla legge dell'induzione, che è rilevante per i campi magnetici ed elettrici che variano sinusoidalmente. Il trasformatore trasforma il valore della corrente primaria rispetto alla modulazione e alla trasmissione angolare in proporzione ai dati grezzi. La scelta dell'attrezzatura deve essere fatta in base all'area di applicazione e al numero di consumatori collegati.

Cos'è un trasformatore di corrente?

Sono utilizzati nell'industria, nell'ingegneria municipale e civile, nell'industria e in altre aree per applicare corrente con parametri fisici definiti. La tensione viene applicata alle bobine dell'avvolgimento primario, dove si genera una corrente alternata come risultato della radiazione magnetica. La stessa radiazione viaggia attraverso le bobine rimanenti, a causa della quale le forze EMF si muovono, e quando le bobine secondarie sono cortocircuitate o collegate al circuito elettrico, una corrente secondaria appare nel sistema.

I moderni trasformatori di corrente permettono di convertire l'energia in modo tale che il suo uso non causi danni alle apparecchiature che la utilizzano. Consentono anche di misurare carichi più elevati con la massima sicurezza per i macchinari e il personale, perché gli avvolgimenti primari e secondari sono isolati in modo affidabile l'uno dall'altro.

Per quali trasformatori?

È facile capire a cosa serve un trasformatore di corrente: le sue applicazioni coprono tutti i settori in cui si trasformano valori energetici. Questi dispositivi sono dispositivi ausiliari che vengono utilizzati in parallelo con strumenti di misura e relè per creare un circuito di corrente alternata. In questi casi, i trasformatori convertono l'energia per facilitare la decifrazione dei parametri o per collegare apparecchiature con caratteristiche diverse nello stesso circuito.

C'è anche la funzione di misura dei trasformatori: si usano per far funzionare circuiti elettrici con tensioni più alte, a cui si devono collegare strumenti di misura, ma non è possibile farlo direttamente. La loro funzione principale è quella di trasmettere le informazioni sui valori di corrente agli strumenti di misura collegati all'avvolgimento secondario. Permette anche il monitoraggio della corrente nel circuito: quando il relè viene utilizzato e viene raggiunto il valore massimo di corrente, si attiva una protezione che spegne l'apparecchiatura per evitare di bruciarla e danneggiare il personale.

Principio di funzionamento

Il funzionamento di questo apparecchio si basa sulla legge dell'induzione, per cui la tensione viene applicata alle bobine primarie e la corrente supera la resistenza creata dall'avvolgimento, il che provoca la trasmissione del flusso magnetico alla bobina magnetica. Il flusso è perpendicolare alla corrente, minimizzando così le perdite, e mentre attraversa gli avvolgimenti secondari si attiva il CEM. Questo induce una corrente nel sistema che è maggiore della resistenza della bobina, e la tensione all'estremità di uscita delle bobine secondarie è ridotta.

Il design più semplice del trasformatore consiste quindi in un nucleo metallico e una coppia di avvolgimenti, che non sono collegati tra loro e sono fatti come fili isolati. In alcuni casi il carico va solo agli avvolgimenti primari e non ai secondari: questa è la cosiddetta modalità idle. Se un'apparecchiatura che consuma energia è collegata all'avvolgimento secondario, una corrente scorre attraverso le bobine e si crea una forza elettromotrice. Il CEM è determinato dal numero di avvolgimenti. Il rapporto della forza elettromotrice per le spire primarie e secondarie è noto come rapporto di trasformazione, calcolato dal rapporto del numero di spire. È possibile regolare la tensione finale cambiando il numero di spire primarie o secondarie.

Classificazione dei trasformatori di corrente

Ci sono diversi tipi di trasformatori di corrente che sono classificati secondo una serie di criteri tra cui lo scopo, il metodo di installazione, il numero di passi di conversione e altri fattori. Questi parametri devono essere considerati prima di scegliere un trasformatore di corrente:

• Scopo. Questo è usato per distinguere tra i modelli di misurazione, intermedi e di protezione. Per esempio, i trasformatori intermedi sono utilizzati per il collegamento di dispositivi per operazioni di calcolo in sistemi di protezione a relè e altri circuiti. Distinguere i trasformatori di laboratorio separati, che forniscono una maggiore precisione degli indicatori, hanno un gran numero di coefficienti di conversione.
• Metodo di installazione. Ci sono trasformatori per l'installazione all'esterno e all'interno: non solo hanno un aspetto diverso, ma hanno anche diversi indicatori di resistenza alle influenze esterne (per esempio, i dispositivi per uso esterno hanno una protezione contro le precipitazioni e gli sbalzi di temperatura). Si fa anche una distinzione tra i trasformatori a pad e quelli portatili; questi ultimi hanno un peso e dimensioni relativamente bassi.
• Tipo di avvolgimento. I trasformatori possono essere a uno o più volt, a bobina, a nucleo o a sbarra. Sia l'avvolgimento primario che quello secondario possono essere diversi, e anche l'isolamento (secco, porcellana, bachelite, olio, composto, ecc.) è diverso.
• Il livello delle fasi di trasformazione. L'attrezzatura può essere a uno o due stadi (cascata), il limite di tensione di 1000 V può essere minimo o massimo.
• Design. Ci sono due tipi di trasformatori di corrente secondo questo criterio: a bagno d'olio e a secco. Nel primo caso, gli avvolgimenti e il nucleo magnetico si trovano in un recipiente contenente un liquido oleoso speciale: esso svolge il ruolo di isolamento e permette la regolazione della temperatura di funzionamento del mezzo. Nel secondo caso, il raffreddamento è ad aria e tali sistemi sono utilizzati in edifici industriali e residenziali, poiché i trasformatori in olio non possono essere installati all'interno a causa dell'aumento del rischio di incendio.
• Tipo di tensione. I trasformatori possono essere step-down e step-up: nel primo caso, la tensione sugli avvolgimenti primari viene ridotta, mentre nel secondo caso, la tensione viene aumentata.
• Un altro modo di classificare è quello di selezionare un trasformatore di corrente secondo la sua potenza. Questo parametro dipende dallo scopo dell'attrezzatura, dal numero di consumatori collegati e dalle loro proprietà.

Parametri e caratteristiche

Quando si selezionano tali attrezzature, è necessario considerare i principali parametri tecnici che influenzano la gamma di applicazioni e il costo. Le caratteristiche principali sono:

• Carico nominale, o potenza: una selezione può essere fatta usando la tabella comparativa delle caratteristiche dei trasformatori. Il valore di questo parametro determina gli altri valori di corrente, poiché è strettamente regolato e serve a definire il funzionamento normale dell'apparecchiatura nella classe di precisione selezionata.
• Corrente nominale. Questo valore determina per quanto tempo il dispositivo può funzionare senza surriscaldarsi a temperature critiche. I trasformatori hanno di solito una riserva termica considerevole e funzionano normalmente quando sono sovraccaricati fino al 18-20%.
• Tensione. Questo valore è importante per la qualità dell'isolamento dell'avvolgimento e assicura il buon funzionamento della macchina.
• Errori. Questo fenomeno è causato dal flusso magnetico; il valore dell'errore è la differenza tra la corrente primaria e secondaria esatta. L'aumento del flusso magnetico nel nucleo del trasformatore contribuisce ad un aumento proporzionale dell'errore.
• Il rapporto di trasformazione, che è il rapporto tra la corrente negli avvolgimenti primari e gli avvolgimenti secondari. Il valore reale del coefficiente differisce dal nominale di una quantità pari al grado di perdita di conversione dell'energia.
• Molteplicità limite, espressa come rapporto tra la corrente primaria effettiva e la corrente nominale.
• Molteplicità della corrente che si verifica negli avvolgimenti del secondario.

I dati chiave di un trasformatore di corrente sono determinati da un diagramma del fattore di potenza: questo permette di esaminare le caratteristiche dell'apparecchiatura in diverse modalità di funzionamento, da vuoto a pieno carico.

I valori principali sono segnati sul corpo del dispositivo per mezzo di una marcatura speciale. Può anche contenere informazioni sul metodo di sollevamento e di installazione dell'attrezzatura, informazioni di avvertimento sulle alte tensioni sugli avvolgimenti secondari (oltre 350 volt), informazioni sulla presenza di un cuscinetto di messa a terra. Il convertitore di energia è contrassegnato da un adesivo o da una vernice.

Possibili difetti

Come qualsiasi altra apparecchiatura, i trasformatori si guastano di tanto in tanto e richiedono una manutenzione esperta con diagnosi. Prima di controllare il dispositivo, è importante sapere quali guasti si verificano e quali segni vi corrispondono:

• Rumore irregolare all'interno dell'involucro, crepitio. Questo fenomeno indica di solito una rottura dell'elemento di messa a terra, una sovrapposizione all'involucro dalle spire dell'avvolgimento o una pressione allentata dei fogli che servono da nucleo magnetico.
• Riscaldamento eccessivo dell'involucro, aumento della corrente sul lato consumatore. Il problema può essere causato da cortocircuiti degli avvolgimenti dovuti all'usura o a danni meccanici dello strato isolante, da frequenti sovraccarichi dovuti a cortocircuiti.
• Isolatori incrinati, scariche scorrevoli. Questi si verificano in caso di difetti di produzione non rilevati prima della messa in funzione, caduta di corpi estranei e sovrapposizioni tra conduttori di fase di valori diversi.
• Emissioni di olio durante le quali si rompe il diaframma della struttura di scarico. Il problema è attribuito al cortocircuito interfase causato dall'usura dell'isolamento, da un calo del livello dell'olio, da cadute di tensione o dal verificarsi di sovracorrenti in caso di cortocircuito da un capo all'altro.
• Perdite d'olio da sotto le guarnizioni o nei rubinetti del trasformatore. Le cause principali sono una saldatura difettosa dei componenti, guarnizioni deboli, guarnizioni distrutte o tappi delle valvole non strofinati.
• Attivazione del relè di protezione del gas. Questo fenomeno si verifica quando l'olio si decompone a causa di un guasto agli avvolgimenti, di un circuito aperto, della bruciatura dei contatti dell'interruttore o nel caso di un cortocircuito al corpo del trasformatore.
• Spegnimento del relè di protezione del gas. La decomposizione attiva del liquido dell'olio come risultato di un guasto interfase, di una sovratensione interna o esterna o a causa di un cosiddetto "fuoco d'acciaio" causa il problema.
• Protezione differenziale scattata. Questo guasto si verifica quando c'è un guasto nell'alloggiamento dell'alimentatore, quando c'è una sovrapposizione tra le fasi o in altri casi.

Per massimizzare la funzionalità dell'apparecchio, è opportuno effettuare controlli regolari con una termocamera: l'apparecchiatura può diagnosticare il deterioramento della qualità del contatto e la riduzione della temperatura di funzionamento. Gli specialisti eseguono la seguente gamma di operazioni durante la verifica:

• 1. Letture di tensione e corrente.
  2. Verifica del carico utilizzando una fonte esterna.
  3. Determinazione dei parametri nel circuito di funzionamento.
  4. Calcolo del rapporto di trasformazione, confronto e analisi dei valori.

Calcolo di un trasformatore

Il principio di base è definito dalla formula U1/U2=n1/n2i cui elementi sono decifrati come segue:

• U1 e U2 sono le tensioni delle spire primarie e secondarie.
• n1 e n2 sono il numero di avvolgimenti primari e secondari rispettivamente.

Un'altra formula è usata per determinare l'area della sezione trasversale del nucleo: S=1,15 * √PLa potenza si misura in watt e l'area in centimetri quadrati. Se l'anima usata nell'attrezzatura ha la forma di una lettera S, l'area della sezione trasversale è calcolata per l'anima centrale. Per determinare le spire nell'avvolgimento del livello primario, usate la formula n=50*U1/S, se il componente 50 non è invariante, si raccomanda di sostituirlo con il 60 per evitare il verificarsi di interferenze elettromagnetiche. Un'altra formula è d=0,8*√Idove d è la sezione trasversale del conduttore e I è l'indice di intensità di corrente, è usato per calcolare il diametro del cavo.

Le cifre calcolate sono arrotondate per eccesso (ad esempio, la potenza calcolata di 37,5 W è arrotondata per difetto a 40). L'arrotondamento è consentito solo verso l'alto. Tutte le formule di cui sopra sono usate per selezionare i trasformatori che operano nella rete a 220 V; quando si costruiscono linee ad alta frequenza si usano altri parametri e metodi di calcolo.

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