Un trasformatore di sottostazioni è un componente cruciale nel sistema di alimentazione elettrica, svolgendo un ruolo vitale nel aumentare o abbassare i livelli di tensione per garantire una trasmissione e una distribuzione di potenza efficienti e sicure. Come fornitore di trasformi di sottostazione leader, sono entusiasta di condividere con te come funzionano questi straordinari dispositivi.
Il principio di base di un trasformatore
Al centro di un trasformatore di sottostazione si trova il principio dell'induzione elettromagnetica, che fu scoperto da Michael Faraday nel 1831. Secondo questo principio, un campo magnetico mutevole può indurre una forza elettromotrice (EMF) in un conduttore vicino. In un trasformatore, questo principio viene utilizzato per trasferire l'energia elettrica da un circuito all'altro attraverso un campo magnetico, senza alcun collegamento elettrico diretto tra i due circuiti.
Un trasformatore è costituito da due o più bobine di filo, note come avvolgimenti, che sono avvolte attorno a un nucleo comune fatto di un materiale magnetico come il ferro. L'avvolgimento collegato alla fonte di alimentazione è chiamato avvolgimento primario, mentre l'avvolgimento collegato al carico è chiamato avvolgimento secondario. Quando una corrente alternata (AC) scorre attraverso l'avvolgimento primario, crea un campo magnetico in evoluzione nel nucleo. Questo cambio di campo magnetico induce quindi un EMF nell'avvolgimento secondario, che fa fluire una corrente alternata nel circuito secondario.
Step - Up and Step - Down Transformers
I trasformatori di sottostazioni possono essere classificati in trasformatori a gradini e trasformatori di gradini in base alla loro funzione.
Step - Transformers
In un impianto di generazione di energia, l'elettricità viene generalmente generata a una tensione relativamente bassa, generalmente nell'intervallo da 11 kV a 33 kV. Tuttavia, per la trasmissione di potenza a lunga distanza, è più efficiente trasmettere elettricità ad alte tensioni, in genere nell'intervallo da 110 kV a 765 kV. Questo perché la perdita di potenza in una linea di trasmissione è proporzionale al quadrato della corrente che scorre attraverso di essa (p = I²R, dove p è la perdita di potenza, i è la corrente e r è la resistenza della linea). Aumentando la tensione e riducendo la corrente, la perdita di potenza può essere significativamente ridotta.
Un trasformatore di gradini viene utilizzato per aumentare la tensione dalla tensione del generatore alla tensione di trasmissione. Il numero di giri nell'avvolgimento secondario di un trasformatore di gradini è maggiore del numero di turni nell'avvolgimento primario. Secondo l'equazione del trasformatore, V₁/V₂ = N₁/N₂, dove V₁ e V₂ sono rispettivamente le tensioni negli avvolgimenti primari e secondari e N₁ e N₂ sono il numero di turni negli avvolgimenti primari e secondari. Quindi, quando n₂> n₁, v₂> v₁.
STEP - Transformers
All'estremità ricevente della linea di trasmissione, l'elettricità ad alta tensione deve essere calpestata a una tensione inferiore per la distribuzione ai consumatori. La tensione viene prima calpestata dalla tensione di trasmissione a una tensione di trasmissione secondaria (ad es. 33 kV o 66 kV) in una sottostazione primaria. Quindi, in una sottostazione di distribuzione, la tensione viene ulteriormente calpestata a una tensione di utilizzo, come 400 V per applicazioni industriali e commerciali a tre fasi o 230 V per applicazioni residenziali a fase singola.
Un trasformatore Step - Down ha meno giri nell'avvolgimento secondario che nell'avvolgimento primario. Usando di nuovo l'equazione del trasformatore, quando n₂ <n₁, v₂ <v₁.
Componenti di un trasformatore di sottostazioni
Un trasformatore di sottostazioni è un dispositivo complesso composto da diversi componenti chiave:
Nucleo
Il nucleo è realizzato con materiale magnetico, solitamente fogli di acciaio silicio laminati. Laminare il nucleo aiuta a ridurre le perdite di corrente parassita, che sono causate dalle correnti indotte che circolano all'interno del nucleo. Il nucleo fornisce un percorso a bassa riluttanza per il flusso magnetico, garantendo un trasferimento efficiente di energia tra gli avvolgimenti primari e secondari.
Avvolgimenti
Gli avvolgimenti sono realizzati con conduttori di rame o alluminio ad alta conducibilità. Sono attentamente progettati e isolati per resistere alle alte tensioni e alle correnti. Gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti attorno al nucleo in una configurazione specifica per ottenere il rapporto di trasformazione della tensione desiderato.
Cisterna
Gli avvolgimenti del trasformatore e il nucleo sono immersi in un serbatoio pieno di olio isolante. L'olio isolante ha due scopi principali: fornisce isolamento elettrico tra gli avvolgimenti e il nucleo e aiuta a dissipare il calore generato durante il funzionamento del trasformatore. Il serbatoio è generalmente realizzato in acciaio ed è progettato per essere a prova di perdita.
Sistema di raffreddamento
Durante il funzionamento, un trasformatore genera calore a causa delle perdite negli avvolgimenti e nel nucleo. Per evitare il surriscaldamento, è necessario un sistema di raffreddamento. Esistono diversi tipi di sistemi di raffreddamento, tra cui olio - aria naturale - naturale (onan), olio - aria naturale - forzata (ONAF), olio - aria forzata - forzata (OFAF) e acqua forzata - forzata - forzata (OFWF). La scelta del sistema di raffreddamento dipende dalle dimensioni e dalla valutazione del trasformatore.
Cambiaggio di rubinetto
Un cambio di rubinetto viene utilizzato per regolare il rapporto di tensione del trasformatore. Consente di accordare la tensione di uscita per compensare le variazioni della tensione di ingresso o le modifiche nel carico. Esistono due tipi di cambi di rubinetto: ON - Caricano i cambiavaluti (OLTC) e Off - Caricano i cambiavaluti (OLTC). ON - Caricare i cambiavaluti possono essere azionati mentre il trasformatore è eccitato, mentre i cambiavaluti off - caricano richiedono il trasformatore di essere eliminato per la regolazione.
Il processo di lavoro di un trasformatore di sottostazioni
Quando l'avvolgimento primario di un trasformatore di sottostazioni è collegato a una fonte di alimentazione CA, una corrente alternata scorre attraverso l'avvolgimento primario. Questa corrente crea un campo magnetico nel nucleo, che varia in grandezza e direzione con la frequenza dell'alimentazione CA.
Il mutevole campo magnetico nel nucleo induce un EMF nell'avvolgimento secondario secondo la legge di Faraday di induzione elettromagnetica. L'entità dell'EMF indotta nell'avvolgimento secondario dipende dal numero di curve nell'avvolgimento secondario, dalla velocità di variazione del flusso magnetico e dalle proprietà magnetiche del nucleo.
Poiché l'avvolgimento secondario è collegato a un carico, l'EMF indotto fa fluire una corrente alternata nel circuito secondario. La potenza trasferita dal circuito primario al circuito secondario è data da P₁ = P₂ (trascurando le perdite), in cui P₁ è la potenza nel circuito primario e P₂ è la potenza nel circuito secondario. Poiché P = VI, se la tensione viene intensificata nell'avvolgimento secondario, la corrente nell'avvolgimento secondario verrà proporzionalmente ridotta e viceversa.
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Riferimenti
- Sistemi di alimentazione elettrica: analisi e controllo di Claudio A. Cañizares
- Ingegneria del sistema di alimentazione di Nagrath e Kothari
- Transformers: design, tecnologia e applicazione di Badrul H. Chowdhury