Le perdite a vuoto dei trasformatori in dettaglio: definizione, cause e calcoli

Che cos'è la perdita a vuoto di un trasformatore

La perdita a vuoto di un trasformatore si riferisce alla potenza attiva consumata dal trasformatore quando l'avvolgimento secondario del trasformatore è aperto e l'avvolgimento primario applica la frequenza e la tensione nominale. In altre parole, in assenza di carico, è il trasformatore stesso a perdere. La perdita a vuoto è composta principalmente dalla perdita di ferro e dalla perdita di corrente a vuoto.

Perdita di ferro (perdita del nucleo)

quando il nucleo del trasformatore si trova nel campo elettromagnetico alternato, il materiale del nucleo sarà dovuto alla corrente parassita del flusso magnetico alternato e all'effetto isteresi, con conseguente perdita di energia. Questa parte della perdita è legata alla progettazione del trasformatore, al livello di tensione e alle proprietà del materiale, di solito inevitabile.

Perdita di corrente a vuoto

Quando il trasformatore è a vuoto, anche se non c'è carico, ma a causa della bobina del trasformatore c'è ancora un flusso di corrente, questa parte della corrente generata dalla perdita di rame è chiamata perdita di corrente a vuoto. È correlata alla resistenza CC della bobina del trasformatore e alle dimensioni della corrente.

Sebbene le perdite a vuoto rappresentino di solito una piccola percentuale delle perdite totali, possono comunque influire sull'efficienza complessiva del trasformatore, soprattutto durante il funzionamento a lungo termine.

Motivi delle perdite a vuoto eccessive dei trasformatori

Una perdita a vuoto del trasformatore troppo elevata indica di solito che ci sono problemi di progettazione o di funzionamento; le ragioni principali includono:

Scarsa qualità del materiale di base

Il materiale del nucleo influisce direttamente sulle perdite per isteresi e correnti parassite. Se il materiale del nucleo utilizzato, come ad esempio la lamiera di acciaio al silicio, è di scarsa qualità, la perdita di isteresi e le perdite per correnti parassite aumenteranno, con conseguente aumento della perdita a vuoto.

Il design del nucleo di ferro è irragionevole

L'area della sezione trasversale del nucleo di ferro, la forma, la tecnologia di lavorazione e altri fattori influiscono sulla distribuzione del flusso magnetico del trasformatore. Se la progettazione non è adeguata, il nucleo di ferro si satura facilmente, aumentando le perdite.

Fluttuazione di tensione eccessiva

La perdita a vuoto è legata alla tensione applicata al lato primario del trasformatore. Quando la fluttuazione della tensione è elevata, la densità del flusso magnetico nel nucleo di ferro cambia, con conseguente aumento delle perdite di ferro. Se la tensione effettiva è superiore alla tensione nominale, la perdita aumenta esponenzialmente.

Problemi di qualità nella lavorazione del nucleo di ferro

Il nucleo di ferro nel processo di lavorazione, in caso di taglio impreciso, cattivo isolamento tra gli strati o scarso contatto dei trucioli di ferro, aumenterà la perdita di isteresi e la perdita di corrente parassita.

Invecchiamento del trasformatore

Con l'aumentare del tempo di funzionamento, le prestazioni di isolamento e la permeabilità magnetica del nucleo di ferro possono diminuire, con conseguente aumento della perdita a vuoto.

Come calcolare la perdita a vuoto del trasformatore

La perdita a vuoto del trasformatore è composta principalmente dalla perdita di ferro e dalla perdita di corrente a vuoto, di cui la perdita di ferro è la parte principale.

La formula per il calcolo della perdita a vuoto è la seguente.

perdita a vuoto = k × P × G

Tra questi:

k: coefficiente del processo di perdita a vuoto, che dipende dalla progettazione e dal processo di fabbricazione del trasformatore;

P: perdita unitaria, solitamente determinata dalle proprietà del materiale;

G: peso del nucleo di ferro, in funzione del volume e del materiale del trasformatore.

Calcolo dettagliato della perdita di ferro:

La perdita di ferro è composta principalmente dalla perdita per isteresi e dalla perdita per correnti parassite:

Tra questi:

kn e kw: costanti;

f: la frequenza della tensione esterna del trasformatore;

Bm : densità di flusso massima nel nucleo di ferro;

n: costante di Shteinmetz, di solito da 2,5 a 3,5.

Ciò significa che la perdita a vuoto è strettamente correlata all'entità della tensione applicata, alla frequenza e alle prestazioni del materiale del nucleo. Il mantenimento della stabilità della tensione e la scelta di materiali del nucleo di alta qualità durante il funzionamento sono la chiave per controllare le perdite a vuoto.