Teoria del Trasformatore in Funzionamento a Carico e Senza Carico

Definizione del trasformatore

Un trasformatore è definito come un dispositivo elettrico che trasferisce energia elettrica tra due o più circuiti attraverso l'induzione elettromagnetica.

Teoria del trasformatore a vuoto

Senza resistenza di avvolgimento e reattanza di dispersione

Consideriamo un trasformatore con solo perdite nel nucleo, il che significa che non ha perdite di rame o reattanza di dispersione. Quando una sorgente di corrente alternata viene applicata al primario, fornisce corrente per magnetizzare il nucleo del trasformatore.

Tuttavia, questa corrente non è la corrente di magnetizzazione effettiva; è leggermente superiore alla corrente di magnetizzazione effettiva. La corrente totale fornita dalla sorgente ha due componenti, uno è la corrente di magnetizzazione che serve solo per magnetizzare il nucleo, e l'altro componente della corrente della sorgente è consumato per compensare le perdite nel nucleo del trasformatore.

A causa del componente di perdite nel nucleo, la corrente di sorgente a vuoto non si ritarda rispetto alla tensione di alimentazione esattamente di 90°, ma di un angolo θ, che è inferiore a 90°. La corrente totale Io ha un componente Iw in fase con la tensione di alimentazione V1, rappresentando il componente di perdite nel nucleo.

Questo componente è preso in fase con la tensione di sorgente perché è associato alle perdite attive o operative nei trasformatori. Un altro componente della corrente di sorgente è indicato come Iμ.

Questo componente produce il flusso magnetico alternato nel nucleo, quindi è senza potenza; significa che è la parte reattiva della corrente di sorgente del trasformatore. Pertanto, Iμ sarà in quadratura con V1 e in fase con il flusso alternato Φ. Quindi, la corrente primaria totale in un trasformatore nelle condizioni a vuoto può essere rappresentata come:

Ora hai visto quanto sia semplice spiegare la teoria del trasformatore a vuoto.

Teoria del trasformatore a carico

Senza resistenza di avvolgimento e reattanza di dispersione

Ora esamineremo il comportamento del trasformatore sopra menzionato a carico, il che significa che il carico è collegato ai terminali secondari. Consideriamo un trasformatore con perdite nel nucleo, ma senza perdite di rame e reattanza di dispersione. Ogni volta che un carico è collegato all'avvolgimento secondario, la corrente del carico inizierà a fluire attraverso il carico e l'avvolgimento secondario.

Questa corrente del carico dipende solo dalle caratteristiche del carico e anche dalla tensione secondaria del trasformatore. Questa corrente è chiamata corrente secondaria o corrente del carico, qui indicata come I2. Poiché I2 sta fluendo attraverso il secondario, verrà prodotto un MMF (forza magnetomotrice) nell'avvolgimento secondario. Qui è N2I2, dove N2 è il numero di spire dell'avvolgimento secondario del trasformatore.

Questo MMF o forza magnetomotrice nell'avvolgimento secondario produce il flusso φ2. Questo φ2 opporrà il flusso di magnetizzazione principale e momentaneamente indebolirà il flusso principale e cercherà di ridurre l'auto-indotta emf E1. Se E1 scende sotto la tensione di sorgente primaria V1, ci sarà una corrente extra che scorre dalla sorgente all'avvolgimento primario.

Questa corrente extra primaria I2′ produce un flusso extra φ′ nel nucleo che neutralizzerà il flusso contrapposto secondario φ2. Pertanto, il flusso di magnetizzazione principale del nucleo, Φ, rimane invariato indipendentemente dal carico. Quindi, la corrente totale che questo trasformatore preleva dalla sorgente può essere divisa in due componenti.

Il primo è utilizzato per magnetizzare il nucleo e compensare le perdite nel nucleo, cioè Io. È il componente a vuoto della corrente primaria. Il secondo è utilizzato per compensare il flusso contrapposto dell'avvolgimento secondario. 

È noto come componente a carico della corrente primaria. Pertanto, la corrente primaria totale a vuoto I1 di un trasformatore elettrico di potenza senza resistenza di avvolgimento e reattanza di dispersione può essere rappresentata come segue

Dove θ2 è l'angolo tra la Tensione Secondaria e la Corrente Secondaria del trasformatore.Ora procederemo di un passo ulteriore verso un aspetto più pratico del trasformatore.

Teoria del trasformatore a carico, con avvolgimenti resistenti, ma senza reattanza di dispersione

Ora, consideriamo la resistenza degli avvolgimenti del trasformatore, ma senza reattanza di dispersione. Finora abbiamo discusso il trasformatore che ha avvolgimenti ideali, ovvero avvolgimenti senza resistenza e reattanza di dispersione, ma ora considereremo un trasformatore che ha resistenza interna negli avvolgimenti, ma senza reattanza di dispersione. Poiché gli avvolgimenti sono resistenti, ci sarebbe una caduta di tensione negli avvolgimenti.

Abbiamo dimostrato in precedenza che, la corrente primaria totale dalla sorgente a carico è I1. La caduta di tensione nell'avvolgimento primario con resistenza R1 è R1I1. Ovviamente, l'indotta emf sull'avvolgimento primario E1, non è esattamente uguale alla tensione di sorgente V1. E1 è minore di V1 per la caduta di tensione I1R1.

Ancora nel caso del secondario, la tensione indotta sull'avvolgimento secondario, E2, non appare completamente sul carico poiché cade di un valore I2R2, dove R2 è la resistenza dell'avvolgimento secondario e I2 è la corrente secondaria o corrente del carico.

Analogamente, l'equazione di tensione del lato secondario del trasformatore sarà:

Teoria del trasformatore a carico, con resistenza e reattanza di dispersione

Ora considereremo la condizione quando c'è reattanza di dispersione del trasformatore e resistenza degli avvolgimenti del trasformatore.

Siano X1 e X2 le reattanze di dispersione degli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore, rispettivamente. Pertanto, l'impedenza totale degli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore con resistenze R1 e R2, rispettivamente, può essere rappresentata come,

Abbiamo già stabilito l'equazione di tensione di un trasformatore a carico, con solo resistenze negli avvolgimenti, dove le cadute di tensione negli avvolgimenti avvengono solo a causa della caduta di tensione resistiva.

Ma quando consideriamo la reattanza di dispersione degli avvolgimenti del trasformatore, la caduta di tensione negli avvolgimenti avviene non solo a causa della resistenza, ma anche a causa dell'impedenza degli avvolgimenti del trasformatore. Pertanto, l'equazione di tensione effettiva di un trasformatore può essere facilmente determinata sostituendo le resistenze R1 & R2 nelle equazioni di tensione precedentemente stabilite con Z1 e Z2.

Pertanto, le equazioni di tensione sono,

Le cadute di resistenza sono nella direzione del vettore di corrente. Ma una caduta reattiva sarà perpendicolare al vettore di corrente, come mostrato nel diagramma vettoriale del trasformatore sopra.