Trasformatori monofase

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

I trasformatori sono macchine elettriche stazionarie che aumentano o abbassano la tensione CA. Sono tipicamente formati da bobine o avvolgimenti primari e secondari, in cui la tensione sul primario viene intensificata o abbassata al secondario, o il contrario. Quando una tensione viene applicata a uno degli avvolgimenti e la corrente scorre in quell'avvolgimento, il flusso viene indotto nel nucleo magnetico, accoppiando entrambi gli avvolgimenti. Con una corrente alternata, il flusso CA viene indotto e la sua velocità di variazione induce tensione sull'avvolgimento secondario (legge di Faraday). Il collegamento del flusso tra entrambi gli avvolgimenti dipende dal numero di giri di ciascun avvolgimento; pertanto, se gli avvolgimenti primari hanno più giri rispetto all'avvolgimento secondario, la tensione sarà maggiore sul primario che sul secondario e viceversa.

Questo esperimento caratterizza un trasformatore monofase trovando i suoi parametri di circuito equivalenti. Vengono eseguiti tre test: test a circuito aperto, test di cortocircuito e test DC.

Il trasformatore utilizzato in questo esperimento è valutato a 115 V/24 V, 100 VA. La tensione nominale deriva dalla capacità dell'isolamento di ciascun avvolgimento di gestire in sicurezza tensioni specifiche, mentre la potenza nominale VA o la potenza (Watt) provengono dalla capacità di gestione della corrente di questi avvolgimenti, in particolare lo spessore del filo. È importante non mescolare primario e secondario con la nomenclatura ad alta e bassa tensione. Per questo esperimento, si presume che il lato primario abbia la potenza nominale di 115 V, mentre il lato secondario è valutato a 24 V. Il lato 115 V ha due terminali etichettati IN1 e IN2, mentre il lato secondario ha due terminali etichettati OUT1 e OUT2.

Il lato ad alta tensione è comunemente usato per i test di cortocircuito per ottenere una maggiore risoluzione di tensione. Ad esempio, se un trasformatore è valutato per 1200 V / 120 V, un cortocircuito sul 120 V probabilmente ha corrente nominale che scorre con meno del 10% dei 1200 V, il che rende un auto-trasformatore variabile 0-120 V (VARIAC) sul 1200 V adatto a questo test. Il lato a bassa tensione è comunemente usato per i test a circuito aperto, poiché questa tensione è più accessibile in laboratorio. Pertanto, questo approccio è seguito come pratica standard in questo esperimento.

Il test a circuito aperto aiuta a stimare l'induttanza reciproca tra due avvolgimenti, nonché le perdite di potenza del nucleo causate dal flusso indotto nel nucleo. Il test di cortocircuito aiuta a identificare l'induttanza di perdita di entrambi gli avvolgimenti, poiché la corrente massima viene aspirata nel cortocircuito e alcune perdite di flusso dal nucleo attorno agli avvolgimenti. Il test DC aiuta a misurare la resistenza del filo di entrambi gli avvolgimenti.

1. Test DC

1. Accendere l'alimentatore CC a bassa tensione disponibile sul banco.
2. Impostare la tensione di uscita su 0 V e impostare il limite di corrente su 0,8 A.
3. Ricontrollare le connessioni del circuito, quindi collegare l'uscita dell'alimentatore attraverso gli avvolgimenti laterali primari (IN1 e IN2). Lasciare aperti gli avvolgimenti laterali secondari (OUT1 e OUT2).
4. Accendere l'alimentazione e aumentare leggermente la tensione fino a raggiungere il limite di corrente. Si noti che l'alimentazione potrebbe essere già limitata alla corrente quando l'alimentazione è attivata. Non aumentare il limite corrente.
5. Registrare le letture di tensione e corrente dal display dell'alimentatore.
6. Riportare la tensione a 0 V e scollegare l'alimentazione.
7. Regolare il limite di corrente a 4 A, quindi collegare l'uscita di alimentazione attraverso gli avvolgimenti laterali secondari (OUT1 e OUT2). Lasciare aperti gli avvolgimenti laterali primari (IN1 e IN2).
8. Accendere l'alimentazione e aumentare leggermente la tensione fino a raggiungere il limite di corrente. Si noti che l'alimentazione potrebbe essere già limitata alla corrente quando l'alimentazione è attivata. Non aumentare il limite corrente.
9. Registrare le letture di tensione e corrente dal display dell'alimentatore. Per questo trasformatore, la tensione di ingresso è di 3,5 V e la corrente è di 0,8 A.
10. Impostare la tensione su 0 V, spegnere l'alimentazione e scollegarla.
11. Misurare la resistenza attraverso gli avvolgimenti primari con un multimetro.
12. Misurare la resistenza attraverso gli avvolgimenti secondari con un multimetro.
13. È comune che la resistenza laterale a tensione più alta sia superiore alla resistenza laterale a tensione inferiore a causa del fatto che la potenza su entrambi i lati è idealmente uguale, e una tensione più alta significa corrente inferiore e quindi una resistenza inferiore. Il test DC e la resistenza misurata sul multimetro dovrebbero corrispondere da vicino.

2. Test a circuito aperto

1. Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
2. Collegare il circuito per il test a circuito aperto (Fig. 1). Utilizzare un misuratore di potenza digitale.
3. Assicurarsi che il VARIAC sia allo 0%.
4. Verificare che le connessioni del circuito siano come previsto dalla Fig. 1, quindi accendere la sorgente trifase.
5. Regolare lentamente la manopola VARIAC fino a quando la lettura della tensione sul misuratore di potenza digitale raggiunge i 24 V.
6. Registrare la tensione, la corrente, la potenza reale e il fattore di potenza del misuratore di potenza.
7. Impostare variaC su 0%, spegnere l'origine trifase e scollegare l'uscita VARIAC.
8. Nella prova a circuito aperto o a vuoto, la reattanza magnetizzante (X_m) e la resistenza alla perdita del nucleo (R_C) si trovano dalle misurazioni di corrente (I_OC), tensione (V_OC) e potenza (P_OC) come segue:
   R_C= V_OC²/P_OC (1)
   e X_m= V_OC²/Q_OC (2)
   dove Q_OC²=(V_OCI_OC)² - P _OC² (3)

Figura 1: Schema di test DC. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Test di cortocircuito

1. Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
2. Collegare il circuito per il test di cortocircuito (Fig. 2). Assicurarsi che IN1 e IN2 siano collegati all'uscita VARIAC.
3. Assicurarsi che il VARIAC sia allo 0%.
4. Calcolare la corrente nominale di ingresso del trasformatore. Questo si trova dividendo il rating VA per il regolatore di tensione sul lato di ingresso. Ad esempio, se l'ingresso è 115 V e il valore nominale VA è 100 VA, la corrente nominale di ingresso è 100/115 = 0,87 A.
5. Controllare il circuito, quindi accendere la sorgente trifase.
6. Regolare lentamente e con attenzione la manopola VARIAC fino a quando la lettura della corrente sul misuratore di potenza digitale raggiunge la corrente di ingresso nominale.
7. Registrare la tensione, la corrente, la potenza reale e il fattore di potenza sul misuratore di potenza.
8. Impostare variaC su 0%, spegnere l'interruttore di disconnessione e scollegare l'uscita VARIAC. Tenere collegato il cavo trifase VARIAC.
9. Rimuovere il cortocircuito posto attraverso il trasformatore secondario.
10. Nella prova di cortocircuito, la reattanza di dispersione (X₁+X₂'=X_eq) e la resistenza del filo (R₁+R₂'=R_eq) di entrambi gli avvolgimenti si trovano dalle misurazioni di corrente (I_SC), tensione (V_SC) e potenza (P_SC) come segue:
    R_eq=P_SC/I_SC² (4)
    e X_eq= Q_SC/I_SC² (5)
    dove Q_SC²=(V_SC I_SC)² - P _SC² (6)
11. Si presume che X₁ sia uguale a X₂', mentre R₁ e R₂' possono essere utilizzati dal test DC (o almeno uno di essi). Se il test DC non viene eseguito, è comune supporre che R₁ e R₂' siano uguali.

Figura 2: Schema di test di cortocircuito. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Prova di carico

I test di carico mostrano come i valori di corrente e tensione siano correlati tra i lati di ingresso e di uscita del trasformatore dove idealmente, V₁/ V 2 = I₂ / I 1 = N₁/ N₂ = a dove N è il numero di giri, i pedice 1 e 2 sono rispettivamente per i lati primario e secondario e a è il rapporto di giri. L'impedenza sul lato secondario riflessa sul lato primario è R'=un²R o X'=un²X.

1. Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
2. Collegare il circuito per la prova di carico (Fig. 3). Assicurarsi che IN1 e IN2 siano collegati all'uscita VARIAC.
3. Assicurarsi che il VARIAC sia allo 0%.
4. Collegare una sonda di tensione differenziale dell'oscilloscopio attraverso il primario con un'impostazione 1/200. Regolare la misurazione della sonda per l'offset di 0 V con un fattore di scala appropriato.
5. Collegare una sonda di corrente dell'oscilloscopio per misurare la corrente di carico. Regolare la misurazione della sonda per l'offset di 0 mV con un fattore di scala 1X per un'impostazione di 100 mV/A.
6. Controllare il circuito, quindi accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
7. Regolare lentamente la manopola VARIAC fino a quando V_P legge 115 V.
8. Registrare la tensione, la corrente, la potenza reale e il fattore di potenza di entrambi i misuratori di potenza digitali.
9. Cattura lo schermo dell'oscilloscopio con almeno tre cicli mostrati.
10. Spegnere la sorgente trifase e impostare variaC su 0%.
11. Sostituire il resistore da 100 Ω con tre resistori da 100 Ω in parallelo.
12. Accendere la sorgente trifase e regolare lentamente la manopola VARIAC fino a quando V_Plegge 115 V.
13. Registrare solo le due letture digitali del misuratore di potenza (nessuna cattura dello schermo dell'oscilloscopio).
14. Impostare variaC su 0%, spegnere l'interruttore di disconnessione e scollegare la configurazione.

Figura 3: Schema del test di carico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Eseguendo le prove DC, a circuito aperto, a cortocircuito e di carico, sono stati identificati i parametri del circuito equivalente del trasformatore; pertanto, la simulazione, il funzionamento e l'analisi del comportamento realistico del trasformatore diventano possibili.

Il test di cortocircuito viene solitamente eseguito applicando una tensione crescente sul lato ad alta tensione, poiché solo piccole tensioni su quel lato possono causare il flusso di corrente nominale sul lato a bassa tensione cortocircuitato. Ciò è utile per il funzionamento del trasformatore a corrente nominale e, quindi, per testare la capacità di trasporto della corrente.

Per questo test, la tensione di cortocircuito è 11,9 V, la corrente di cortocircuito è 0,865 A e la potenza di cortocircuito è di 7,11 W. Le misurazioni del cortocircuito vengono quindi utilizzate per calcolare la reattanza di perdita, che in questo caso è 9,94Ω. Il lato primario risultante e le reattanze laterali riflesse sono ciascuna 4,97Ω. La resistenza totale del filo è calcolata come 9.502Ω. Sottraendo la resistenza dell'avvolgimento primario (4.375Ω) si ottiene 5.127

Per quanto riguarda il test a circuito aperto, è utile per garantire che le capacità di isolamento della tensione del trasformatore siano soddisfatte durante l'esecuzione di tensioni nominali. Vengono eseguiti anche altri test, come test di isolamento ad alto contenuto per la rottura del materiale isolante, test di vibrazioni meccaniche, ecc., Ma per applicazioni più avanzate.

Per questo trasformatore, la tensione a circuito aperto è 23,8 V, la corrente a circuito aperto è 335,5 mA e l'alimentazione a circuito aperto è 2,417 W. Da queste misurazioni, la resistenza alla perdita del nucleo, R_c, e la reattanza reciproca, X_m, possono essere calcolate rispettivamente come 234,35Ω e 74,67Ω.

I test descritti sono fondamentali per valutare l'impedenza di un trasformatore e per determinarne i parametri di circuito equivalenti. Poiché le applicazioni dei trasformatori variano da semplici caricabatterie a trasmissioni CA ad alta potenza, è essenziale caratterizzare in modo appropriato diversi trasformatori per varie applicazioni. L'impedenza del trasformatore viene utilizzata nei sistemi di alimentazione per determinare possibili impedenze di guasto su entrambi i lati di un trasformatore, approssimare l'efficienza di un trasformatore, calcolare la sua regolazione della linea e del carico e simulare il trasformatore come parte di sistemi elettrici più grandi.