Il principio di funzionamento del trasformatore

Con la scoperta e l'inizio dell'uso industriale dell'elettricità, è diventato necessario creare sistemi per la sua trasformazione e consegna ai consumatori. Ecco come sono comparsi i trasformatori, il cui principio di funzionamento sarà discusso.

La loro comparsa fu preceduta dalla scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica da parte del grande fisico inglese Michael Faraday quasi 200 anni fa. Successivamente, lui e il suo collega americano D. Henry hanno disegnato un diagramma del futuro trasformatore.

Trasformatore di Faraday

La prima incarnazione dell'idea in ferro avvenne nel 1848 con la creazione di una bobina a induzione da parte del meccanico francese G. Rumkorf. Hanno contribuito anche scienziati russi. Nel 1872, un professore dell'Università di Mosca A.G. Stoletov scoprì un circuito di isteresi e descrisse la struttura di un ferromagnete, e 4 anni dopo, un eccezionale inventore russo P.N. Yablochkov ricevette un brevetto per l'invenzione del primo trasformatore di corrente alternata.

Come funziona il trasformatore e come funziona

I trasformatori sono il nome di una vasta "famiglia", che comprende trasformatori monofase, trifase, step-down, step-up, di misura e molti altri tipi di trasformatori. Il loro scopo principale è convertire una o più tensioni di corrente alternata in un'altra basata sull'induzione elettromagnetica a frequenza costante.

Quindi, in breve, come funziona il più semplice trasformatore monofase. Consiste di tre elementi principali: avvolgimenti primari e secondari e un circuito magnetico che li unisce in un unico insieme, su cui sono infilati, per così dire. La sorgente è collegata esclusivamente all'avvolgimento primario, mentre il secondario rimuove e trasferisce la tensione già modificata all'utenza.

Il principio di funzionamento del trasformatore

L'avvolgimento primario collegato alla rete crea un campo elettromagnetico alternato nel circuito magnetico e forma un flusso magnetico, che inizia a circolare tra gli avvolgimenti, inducendo in essi una forza elettromotrice (EMF). Il suo valore dipende dal numero di giri negli avvolgimenti. Ad esempio, per abbassare la tensione, è necessario che ci siano più spire nell'avvolgimento primario che nel secondario. Ecco come funzionano i trasformatori step-down e step-up.

Un'importante caratteristica di progettazione del trasformatore è che il circuito magnetico ha una struttura in acciaio e gli avvolgimenti, solitamente sotto forma di un cilindro, sono isolati da esso, non sono direttamente collegati tra loro e hanno i propri contrassegni.

Trasformatori di tensione

Questo è forse il tipo più numeroso della famiglia dei trasformatori. In poche parole, la loro funzione principale è quella di rendere l'energia prodotta nelle centrali elettriche disponibile per il consumo da vari dispositivi. Per questo, esiste un sistema di trasmissione di potenza costituito da sottostazioni di trasformazione step-up e step-down e linee elettriche.

Inizialmente, l'elettricità generata dalla centrale viene immessa nella sottostazione del trasformatore elevatore (ad esempio, da 12 a 500 kV). Ciò è necessario per compensare le inevitabili perdite di elettricità durante la trasmissione a lunga distanza.

La fase successiva è una sottostazione step-down, da cui l'elettricità viene fornita tramite una linea a bassa tensione a un trasformatore step-down e quindi al consumatore sotto forma di una tensione di 220 V.

Ma il lavoro dei trasformatori non finisce qui. La maggior parte degli elettrodomestici che ci circondano - PC, TV, stampanti, lavatrici, frigoriferi, forni a microonde, DVD e persino lampadine a risparmio energetico - hanno trasformatori step-down. Un esempio di trasformatore "tascabile" individuale è un caricatore per telefono cellulare (smartphone).

L'enorme varietà di dispositivi elettronici moderni e le funzioni che svolgono corrispondono a molti diversi tipi di trasformatori. Questo non è un elenco completo di loro: potenza, impulso, saldatura, isolamento, adattamento, rotanti, trifase, trasformatori di picco, trasformatori di corrente, toroidali, a barra e blindati.

Cosa sono i trasformatori del futuro

L'industria dei trasformatori è considerata molto conservatrice. Tuttavia, deve anche fare i conti con cambiamenti rivoluzionari nel campo dell'ingegneria elettrica, dove la nanotecnologia sta diventando sempre più forte. Come molti altri dispositivi, stanno gradualmente diventando più intelligenti.

Trasformatori SF6

C'è una ricerca attiva di nuovi materiali da costruzione - isolanti e magnetici, in grado di fornire una maggiore affidabilità delle apparecchiature di trasformazione. Una delle direzioni può essere l'uso di materiali amorfi, che aumenteranno significativamente la sua sicurezza antincendio e affidabilità.

Appariranno trasformatori antideflagranti e ignifughi, in cui i clorobifenili utilizzati per impregnare i materiali isolanti elettrici saranno sostituiti da dielettrici liquidi atossici e rispettosi dell'ambiente.

Trasformatori SF6

Un esempio di ciò sono i trasformatori di potenza isolati in gas, in cui la funzione di un refrigerante è svolta dal gas SF6 non combustibile, esafluoruro di zolfo, invece che dall'olio per trasformatori non sicuro.

Questione di tempo è la realizzazione di reti elettriche "intelligenti" dotate di trasformatori allo stato solido a semiconduttore con controllo elettronico, con l'aiuto del quale sarà possibile regolare la tensione a seconda delle esigenze dei consumatori, in particolare, da collegare rinnovabile e alimentatori industriali alla rete domestica, o viceversa, per scollegare quelli non necessari quando non sono necessari.

Un'altra area promettente sono i trasformatori superconduttori a bassa temperatura. I lavori per la loro creazione sono iniziati negli anni '60. Il problema principale affrontato dagli scienziati è l'enorme dimensione dei sistemi criogenici necessari per la produzione di elio liquido. Tutto è cambiato nel 1986 quando sono stati scoperti materiali superconduttori ad alta temperatura. Grazie a loro, è stato possibile abbandonare ingombranti dispositivi di raffreddamento.

Trasformatore con convertitore a semiconduttore

I trasformatori superconduttori hanno una qualità unica: ad alta densità di corrente, le perdite in essi sono minime, ma quando la corrente raggiunge valori critici, la resistenza dal livello zero aumenta bruscamente.