trasformatore - Digilander

ITIS “ HENSEMBERGER”
RELAZIONE DI LABORATORIO DI TDP
IL
TRASFORMATORE
FINALIZZATO ALL’AREA DI PROGETTO
“CANCELLO AUTOMATICO”
DEL LAB. DI T.D.P.
RELAZIONE SVOLTA DAGLI ALUNNI : Michele Parrella, Marco Vigano,
Andrea Borghetti
RELAZIONE N’: 4
ANNO SCOLASTICO: 2005/2006
DATA SVOLGIMENTO DELLA PROVA: 25/1/2006
DOCENTI RESPONSABILI: I.T.P. Giuseppe Rizzaro,
Doc. teorico Alda Scimia.
ASSISTENTE DI LABORATORIO: Giusi Lazzaro.
LUOGO SVOLGIMENTO PROVA: Laboratorio TDP.
OBIETTIVO: Costruire un trasformatore monofase di piccola potenza.
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ATTENZIONE:il trasformatore che andremo a costruire è composto da una sola bobina sulla quale
verranno montati i due avvolgimenti,cioè un trasformatore a nucleo corazzato e non un
trasformatore a nucleo a colonna.
V1
V2
NUCLEO CORAZZATO
V1
V2
NUCLEO A COLONNA
CENNI TEORICI SUL TRASFORMATORE:
2
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In figura vediamo schematizzato un trasformatore. Con Vi è indicata la tensione di ingresso e con
Vu
quella
di
uscita.
Indicando con N1 e N2 rispettivamente il numero di spire del circuito primario e del circuito
secondario, con K = N1/N2 il loro rapporto (rapporto di trasformazione), la relazione matematica
che lega la tensione di uscita a quella di ingresso è:
Vu = Vi/K
Se non ci fosse il nucleo magnetico, il flusso sarebbe minore (l'aria ha una minore permeabilità
magnetica) e solo una parte raggiungerebe il circuito secondario, poichè disperso in più direzioni
(figura sottostante)
Il trasformatore è una macchina elettrica statica (perché non contiene parti in movimento)
appartenente alla categoria più ampia dei convertitori. In particolare il trasformatore consente di
convertire i parametri di tensione (simbolo V unità di misura [V] Volt) e corrente (simboli I unità di
misura [A] Ampere) in ingresso rispetto a quelli in uscita. Il trasformatore è una macchina in grado
di operare solo in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi
variabili.Il trasformatore più semplice è costituito da due conduttori elettrici (solenoidi) avvolti su
un anello di materiale ferromagnetico detto nucleo magnetico. L'avvolgimento al quale viene fornita
energia viene detto primario, mentre quello dalla quale l'energia è prelevata è detto secondario. I
trasformatori sono macchine reversibili, per cui questa classificazione non corrisponde ad un
avvolgimento fisico unico.
Quando sul primario viene applicata una tensione elettrica alternata sinusoidale, per effetto
dell'induzione magnetica si crea nel nucleo un flusso magnetico con andamento sinusoidale. Per la
legge di Faraday-Neumann-Lenz, questo campo magnetico induce nel secondario una tensione
sinusoidale.
La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e
quelle del secondario secondo la relazione:
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dove Vp è la tensione applicata sul primario, Vs la tensione indotta sul secondario, Np il numero di
spire del primario e Ns il numero di spire del secondario.
Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del
nucleo è data dalla relazione:
E = 4.44 * f * N * S * B
Dove E è il valore efficace (RMS) della tensione indotta, f è la frequenza in Hertz, N è il numero di
spire dell'avvolgimento al quale si fa riferimento, S è la sezione del nucleo e B è il valore
dell'induzione Tesla. La costante pura 4,44 deriva da diverse costanti richieste dalle unità di misura
usate.
Il trasformatore reale
Il trasformatore converte la tensione entrante in un valore differente, ma senza aumentare la
potenza. Il prodotto di tensione per corrente tra i due circuiti è uguale:
Vp × Ip = Vs × Is
PERDITE NELLE MACCHINE ELETTRICHE:
Un trasformatore reale però non è una macchina perfetta e per questo presenta delle perdite. Le
trasformazioni energetiche che avvengono nelle macchine elettriche sono sempre accompagnate da
fenomeni dissipativi che determinano la degradazione in calore di una parte dell’energia ricevuta.
L’entità del flusso di calore prende il nome di potenza perduta o dissipata o, semplicemente di
perdite. L’esame delle perdite che si manifestano in una macchina elettrica è fondamentale
importanza sia tecnica che economica.
Da loro dipende innanzitutto il funzionamento della macchina stessa, che non può superare
determinati limiti per non provocare un degradamento eccessivamente rapido delle caratteristiche
meccaniche e isolanti dei materiali dielettrici impiegati. Le perdite incidono inoltre sul costo di
esercizio della macchina. Per l’uno o l’altro motivo si rende quindi necessario contenere l’entità
delle perdite entro valori tecnicamente ed economicamente accettabili. Ciò viene fatto ponendo dei
limiti alle sollecitazioni elettriche, magnetiche, meccaniche ecc. a cui sono sottoposte le diverse
parti costituenti una macchina. Per il caso che qui interessa delle macchine elettriche,il
contenimento delle perdite impone, per ogni macchina di date dimensioni, limiti superiori per le
tensioni e le correnti di funzionamento e quindi,in ultima analisi per la potenza. I fenomeni che
nelle macchine elettriche determinano dissipazione di potenza sono molti e assai complessi. Fra le
perdite che ne conseguono, le principali sono quelle di seguito esposte:
-Perdite per effetto Joule: Rientrano in questa categoria le perdite che si manifestano in tutte le
parti componenti la macchina elettrica destinate ad essere percorse da corrente elettrica. Tali parti
sono dette avvolgimenti: se R è la resistenza di un avvolgimento e I è il valore efficace della
corrente che lo percorre, la potenza media dissipata in esso per Effetto Joule è:
Pj = R* I2
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Occorre ricordare che nel calcolare la resistenza R da introdurre si deve tenere conto dell’inevitabile
riscaldamento degli avvolgimenti. Inoltre, nel caso di avvolgimenti percorsi da corrente alternata, la
resistenza è maggiore di quella misurabile in corrente continua. Ciò è dovuto anche all’effetto della
pelle che tende a concentrare le linee di corrente solo in una parte della sezione disponibile del
conduttore. Il fenomeno è tanto più importante quanto maggiori sono la sezione dei conduttori e la
frequenza di lavoro.
-Perdite nel ferro: Queste perdite si manifestano nei nuclei ferromagnetici interessati da induzioni
variabili nel tempo. Tale situazione è frequente nelle macchine elettriche dove la struttura
magnetica o parte di essa è spesso interessata da induzioni alternate sinusoidali o che si possono
ritenere tali in prima approssimazione.
Con queste ipotesi si hanno nei materiali ferromagnetici perdite per isteresi e per correnti parassite.
In questo caso si considera la perdita specifica per unità di peso. Nel caso di circuiti magnetici
laminati, essa può essere calcolata in funzione dell’induzione massima Bm e della frequenza f con
l’espressione qui sotto citata:
P’f = Ki * f * Bαm + Kc * f2 * B2m * δ2 (W/Kg)
con α variabile fra 1,6 e 2, δ spessore dei lamierini e Ki e Kc coefficienti che dipendono dal tipo di
materiale. Il primo addendo si riferisce alle perdite per isteresi, il secondo a quelle delle correnti
parassite.
Per tutti i materiali ferromagnetici viene fornita la cifra di perdita Cp intendendo con ciò la potenza
perduta in un kilogrammo di materiale, quando sia sottoposto a un’induzione sinusoidale con valore
massimo di 1 T alla frequenza di 50 Hz. Nel caso in cui la frequenza risulti diversa da 50 Hz o
l’induzione massima diversa da 1 T, si può stimare la perdita per unità di peso con l’espressione
qui sotto:
P’f = Cp (f/50)m * B2m
(W/Kg)
in cui m compreso fra1,2 e 1,8.
-Perdita di flusso magnetico al di fuori del nucleo che può indurre correnti su oggetti vicini al
trasformatore;
-Perdite per isteresi magnetica;
-Perdite per movimenti meccanici dovuti a forze magnetiche o magnetostrizione, solitamente
percettibili come il classico ronzio del trasformatore;
Per contrastare questi problemi si adottano avvolgimenti con il minimo numero di spire possibile, di
sezione quadrata o (meglio ancora, dove possibile) circolare per minimizzare la lunghezza
complessiva del filo; i nuclei magnetici devono avere una sezione adeguata, una lunghezza minore
possibile e devono essere costituiti da materiale ferromagnetico che abbia una resistenza elettrica il
più possibile alta, per minimizzare le perdite per effetto Joule, e una forza coercitiva il più possibile
bassa, per avere un ciclo di isteresi il più possibile stretto (e quindi delle perdite magnetiche minori
possibili). In genere si adottano nuclei fatti di pacchi di lamierini di acciaio magnetico al silicio, per
ridurre al minimo le correnti parassite.
La forma può essere quella di un toro (trasformatori toroidali) oppure, più comunemente, quadrata o
di due rettangoli uniti per un lato. In questo caso gli avvolgimenti sono posti sul lato comune. Il
nucleo non è realizzato in metallo compatto, ma è costituito da sottili lamierini incollati a formare
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pacchetti. Questo ha lo scopo di impedire che nel nucleo circolino correnti parassite. Nei
trasformatori operanti a frequenze elevate, il nucleo è costituito da polveri metalliche agglomerate
con collanti.
Più un trasformatore è grande, maggiore è il suo rendimento: i trasformatori di potenza molto
piccola (da 1 a 10 Watt) hanno una efficienza dell'80% appena, mentre i trasformatori più grandi
(oltre i 20 kW) arrivano ad un rendimento del 99% circa. Per queste potenze però l'1% della
potenza dissipata è comunque notevole e perciò sono necessari sistemi di raffreddamento:
trasformatori così grandi lavorano in un bagno di olio refrigerante e hanno un sistema di ventilatori.
La potenza assorbita da queste funzioni accessorie è considerata tra le perdite.
Il circuito equivalente del trasformatore a vuoto è il seguente:
R1
Xd1
R2
I1'
I1
Xd2
I2o
Io
V1
Ra
E1
X
V2o
E2
I
Ia
R 1 = resistenza avvolgimento primario,
X1d = reattanza di dispersione causata dal fatto che viene prodotto un secondo flusso
sull’avvolgimento che è inutile,
R a = resistenza fittizia,
Xµ = reattanza di magnetizzazione,
E1 = forza contro elettromotrice,
E2 = forza elettromotrice indotta nel secondario.
SPIEGAZIONE DEL FUNZIONAMENTO DEL TRASFORMATORE A VUOTO:
Applico tensione al circuito primario composto da una resistenza e da una reattanza ( quindi una
impedenza). Una tensione diviso una impedenza genera una corrente. La corrente passando nelle
spire genera un flusso. Il flusso si concatena con il flusso del secondo avvolgimento, e crea una
forza elettromotrice per la legge di Faraday-Neumann-Lenz.
legge di Faraday-Neumann-Lenz: la variazione di flusso genera una forza elettromotrice.
SCHEMA A BLOCCHI
V1
I1
1
/
Z1
φ
N1 * I1
N1
1
/
E1
d
/
dt
6
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Il circuito equivalente del trasformatore a carico è il seguente:
R1
Xd1
R2
I1'
I1
I2
Xd2
Io
V1
Ra
E1
X
Ia
E2
V2
Zc
I
SPIEGAZIONE DEL FUNZIONAMENTO DEL TRASFORMATORE A CARICO:
La spiegazione del funzionamento è uguale a quello a vuoto tranne che : chiudendo il circuito
secondario con un carico c’è una corrente I2 sul circuito secondario che crea un flusso sulle spire
del secondario che tende ad annullare il primo flusso ( questo comporterebbe il non funzionamento
del trasformatore. Il trasformatore da solo richiama una I1 prima che annulla la I2).
Il trasformatore viene indicato con il seguente simbolo elettrico:
Primario
Secondario
PROCEDIMENTO:
Prima di iniziare la costruzione del trasformatore occorre essere a conoscenza innanzitutto degli
obbiettivi da soddisfare a seconda del tipo di progetto richiesto,quindi a seconda dei dati di progetto
e dei parametri prefissati scelti dal costruttore,andiamo a dimensionare il circuito magnetico e
successivamente il circuito elettrico.
Nel dimensionare il trasformatore va tenuto conto dei materiali disponibili e del raggiungimento dei
parametri prefissati,tra cui: se il trasformatore risulta fattibile e se il valore del rendimento è
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accettabile.Se queste condizioni non vengono soddisfatte bisognerà andare a modificare i parametri
del dimensionamento affinchè tutti i valori risultanti siano uguali ai valori richiesti.
MATERIALI UTILIZZATI:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rocchetto di legno,
filo di rame smaltato da 56mm per il circuito primario,
filo di rame smaltato da 1,5 mm per il circuito secondario,
carta di nastro adesiva,
cartone isolante sottile malleabile (chiamato prespan),
carta verde lucida isolante malleabile,
cavi unipolari in rame da 1,5 mm,
stagno,
lamierini(composti da due parti,1 traversinino e 1 lamierino ad E),
sostegni in metallo per il trasformatore,
viti di seraggio per il pacco lamellare,
fettuccine di tela.
N.B.:Attraverso la prova di isolamento abbiamo individuato i valori di isolamento del cartone
isolante e della carta verde lucida isolante.Sicuramente i due materiali resistono a 5000 volt in
quanto la nostra macchina che non supera questo valore di tensione non ha perforato i due
isolanti.Teoricamente il cartone e la carta isolanti superano di gran lunga questo valore (5000 V)
arrivando fino a 10000 volt.
STRUMENTI UTILIZZATI:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
bobinatrice,
saldatore,
forbici,
martello,
amperometro(digitale),
2voltmetri(digitali),
wattmetro(digitale),
alimentatore in corrente continua (110 V / 5 A),
alimentatore in corrente alternata (220 V / 10A),
tester.
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DIMENSIONAMENTO DEL PACCO MAGNETICO:
G
A
TRAVERSINA
E
G
LAMIERINO ad E
H
F
D
C
B
LamierinoDEL
ad ETRASFORMATORE:
DIMENSIONAMENTO
Traversina
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TABELLE DEI MATERIALI:
VALORI SPERIMENTALI DEL RENDIMENTO
IN FUNZIONE DELLA POTENZA NOMINALE
TABELLA UNEL- DIMETRO DEI FILI SMALTATI
Scu
Diametro Diametro Spessore Coeff. di
filo
filo nudo
smalt.
smalto riempim.
mm2
mm
mm
mm
0,00785
0,0095
0,0113
0,0154
0,0201
0,0254
0,0314
0,0380
0,0491
0,0616
0,0707
0,0804
0,0962
0,126
0,159
0,196
0,237
0,283
0,331
0,385
0,503
0,636
0,785
0,950
1,130
1,540
2,010
2,540
3,140
3,800
4,910
6,160
7,070
0,10
0,11
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,25
0,28
0,30
0,32
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
2,20
2,50
2,80
3,00
0,116
0,128
0,138
0,167
0,189
0,21
0,23
0,25
0,28
0,32
0,34
0,36
0,39
0,45
0,51
0,56
0,61
0,66
0,71
0,76
0,87
0,97
1,08
1,19
1,29
1,49
1,69
1,89
2,09
2,29
2,59
2,89
3,09
0,02
0,02
0,02
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,04
0,04
0,04
0,04
0,05
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,07
0,07
0,08
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,10
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
POTENZA NOM.
RENDIMENTO
VA
%
10 ÷ 30
30 ÷ 100
100 ÷ 500
500 ÷ 1000
65 ÷ 80
80 ÷ 85
85 ÷ 90
90 ÷ 94
VALORI SPERIMENTALI DELLA C. D. T. %
IN FUNZIONE DELLA POTENZA NOMINALE
POTENZA NOM.
VA
∆V %
%
100
200
300
500
1000
5,0
4,0
3,5
3,0
2,8
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PERDITE SPECIFICHE Ws (W/kg) DEI
LAMIERINI AL
SILICIO NORMALMENTE UTILIZZATI
NELLA
COSTRUZIONE DEI TRASFORMATORI
Spessore
lamierino
Percentuale
Slam
mm
di silicio
%
Perdida
specifica
a 1W/m2 e
50 Hz
W/kg
0,35
0,35
0,5
0,5
0,5
0,5
3,7
4
0,8
1,5
2,8
4
1,6
1,1
3,6
3
2,3
1,7
DIMENSIONI DEI LAMIERINI UNIFICATI (mm)
A
B
C
E
D=F=G
30
35
36
42
12
14
18
21
6
7
40
45
50
55
62,5
70
80
90
48
54
60
66
75
84
96
108
16
18
20
22
25
28
32
36
24
27
30
33
37,5
42
48
54
8
9
10
11
12,5
14
16
18
100
112,5
125
120
135
150
40
45
50
60
67,5
75
20
22,5
25
TABELLE CARATTERISTICHE MAGNETIZZAZIONE LAMIERINI E Pfe:
CARATTERISTICA MAGNETICA B - H DEI LAMIERINI MAGNETICI UTILIZZATI IN TDP
B
H
Tesla Asp/cm
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
0,000
0,155
0,280
0,380
0,457
0,517
0,563
0,598
0,627
0,653
0,681
0,713
0,754
0,808
0,878
0,968
1,082
1,224
1,398
1,608
1,856
2,148
2,487
2,876
11
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1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
1,45
1,50
3,321
3,823
4,388
5,019
5,720
6,494
7,346
PERDITE SPECFICHE NEL FERRO B - Pfe DEI LAMIERINI MAGNETICI UTILIZZATI IN TDP
B
Tesla
Pfe
W/kg
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
1,45
1,50
0,000
0,072
0,137
0,198
0,258
0,316
0,376
0,439
0,508
0,583
0,667
0,762
0,869
0,990
1,127
1,283
1,458
1,654
1,875
2,120
2,393
2,695
3,027
3,392
3,792
4,228
4,702
5,216
5,773
6,372
7,018
CALCOLO DEL TRASFORMATORE
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REALIZZAZIONE PRATICA DEL TRASFORMATORE:
- COSTRUZIONE DELL’ANIMA DI LEGNO:
Dai calcoli si ricavano le dimensioni che deve avere l’anima di legno che fa da supporto al
rocchetto di cartone (l’anima deve avere le stesse dimensioni della colonna centrale del nucleo
magnetico C/E).Per costruzione del rocchetto si utilizza il prespan,un tipo di cartone molto
rigido.Da un foglio di prespan si taglia una striscia delle dimensioni volute,poi sarà piegata in 5
facce in modo da aderire al supporto in legno.Chiudiamo il cartone sull’anima di legno con la carta
adesiva.Prima di avvolgere col prespan l’anima di legno,bisogna forarla da un lato al centro da parte
a parte per inserirla nella bobinatrice.Il foro va eseguito facendo molta attenzione al lato su cui
verranno avvolte le spire.
A sinistra il prespan,a destra l’anima
di legno forata ed adattata per le
dimensioni della colonna centrale del
nucleo magnetico.
Rocchetto avvolto dal prespan.
- COSTRUZIONE DELL’AVVOLGIMENTO PRIMARIO:
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Montiamo il rocchetto avvolto dal prespan sulla bobinatrice.
Figura A
Bobinatrice con matassa filo
smaltato.
Figura B
Albero motore della bobinatrice
smontabile dove viene inserito e
bloccato il rocchetto.
Rimontato l’albero motore alla bobinatrice,rivestire ogni singolo lato del rocchetto con delle strisce
di carta verde lucida isolante più lunghe del rocchetto in modo da poterle scocciare al sostegno
esterno del rocchetto stesso(ci serviranno per richiudere il rocchetto al termine degli
avvolgimenti).Far aderire bene le strisce verdi di carta isolante al rocchetto.Prima di iniziare
l’avvolgimento,forare un lato della carta verde lucida e farci passare un cavo unipolare isolato da
1,5mm e saldarlo con il filo smaltato usato per il primario (56mm).La parte di filo saldata la
avvolgiamo con la carta di nastro adesiva.Ricopriamo il rocchetto con il prespan(figura D)e lo
blocchiamo con la carta di nastro adesiva(in modo da isolare la parte saldate con
l’avvolgimento).L’altra estremità del cavo unipolare (quella non saldata)che fuoriesce dal rocchetto
la avvolgiamo ad una parte dell’albero e la fissiamo(figura C).
N.B:Prima di saldare i cavi togliere lo smalto isolante dai cavi stessi.Noi abbiamo utilizzato un lato
delle forbice per toglierlo(lo smalto è tolto quando il cavo è di colore argento e non più di color
rame).
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figura C
Albero motore con il rocchetto avvolto
dal prima strato di filo(avvolgimento
primario).Ai lati del rocchetto fissati
sui sostegni ci sono le strisce di carta
verde isolante.Sulla sinistra dell’albero
motore c’è avvolto il cavo unipolare da
1,5mm.
Figura D
Prespan bloccato ed avvolto sul
rocchetto.
Iniziare ad avvolgere il rocchetto con il filo (figura F) cercando di far aderire bene ogni spira e di
non farle accavallare.Il numero di spire e di strati da realizzare è dato nei dati del dimensionamento
del trasformatore.Ogni volta che si completa uno strato di spire,lo isoliamo con uno strato di
prespan(figura E).
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Figura E
Figura F
N.B. Venti spire prima di terminare il primario si inserisce la fettuccina di tela piegata a metà e si
bobina sopra lasciando le due estremità della fettuccina fuoriuscire.All’interno della piegatura della
fettuccina che fuoriesce dalla bobinatura saldiamo il terminale delle spire dell’avvolgimento
primario (che è stato tagliato terminati gli avvolgimenti)con un altro cavo unipolare in rame da 1,5
mm(figura Z).Tirare la fettuccina di tela dalla parte opposta di dove si sono saldati i cavi.L’uscita
del primario appena saldata la facciamo passare dalla stessa parte del trasformatore rispetto al cavo
16
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di ingresso del primario.Isoliamo il tutto per terminare l’avvolgimento primario con la carta verde
lucida isolante.
Figura Z
- COSTRUZIONE DELL’AVVOLGIMENTO SECONDARIO:
Montiamo sulla bobinatrice la matassa di filo smaltato da 1,5 mm.
Realizziamo l’avvolgimento secondario (figura G)svolgendo tutte le operazioni descritte nella
realizzazione del primario.
Figura G
Realizzazione dell’avvolgimento
secondario dopo aver isolato il
primario.
N.B.Una volta realizzate metà delle spire del secondario uscire con un cavo,questo perché
sappiamo che ogni spira ha una differenza di potenziale e la somma di queste sul secondario è 24
V,uscendo a metà abbiamo una differenza di potenziale pari a 12 V e quindi possiamo una volta
terminato il trasformatore utilizzarlo con in uscita o 24 o 12 V a seconda del bisogno.
Terminato anche l’avvolgimento secondario chiudiamo il rocchetto con la carta verde scocciata ai
lati del rocchetto stesso(operazione svolta prima di bobinare).Smontiamo il rocchetto dalla
17
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bobinatrice e leviamo l’anima di legno.Applichiamo sul rocchetto due anelli di carta verde lucida
isolante delle stesse dimensioni del rocchetto sui lati dove si vedono le spire(i lati dove il rocchetto
è forato)e blocchiamo il tutto scocciando gli anelli al rocchetto(questo per evitare che le spire
vengano danneggiate quando andiamo a inserire i lamierini e le traverse e le compattiamo
utilizzando il martello).
Rocchetto chiuso e isolato.
Inserire i lamierini ad E all’interno del rocchetto in modo intercalato(figura L).Il numero di
lamierini da inserire è riportato nei dati del dimensionamento del trasformatore.L’inserimento degli
ultimi lamierini ad E potrebbe risultare difficoltoso,aiutarsi con il martello.
I lamierini sono laminati a freddo,al silicio orientati (basse perdite) isolati con carlite.
Figura L
Ai lati i lamierini ad E
da inserire in modo
intercalato al centro del
rocchetto.
Inserire le traversine all’interno dei lamierini ad E aiutandosi con il martello(figura M e figura N).
18
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Figura M
Lamierini ad E
e traversine inserite
intorno al rocchetto.
Figura N
Lamierini ad E
e traversine inserite
intorno al rocchetto.
Compattare tutto il pacco dei lamierini e traversine inseriti (pacco lamellare) con il
martello.Attraverso le 4 viti di serraggio blocchiamo il pacco lamellare.Fissiamo 2 spaletti ad L
(sostegni in metallo)per dare compatezza al trasformatore (figura P) e per poter inserire
successivamente una morsettiera.
19
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Figura P
Pacco lamellare bloccato
dalle viti di serraggio.
Inserire i morsetti sui sostegni in metallo del trasformatore sia sul primario (figura Q) che sul
secondario (figura R).
Figura Q
Figura R
I morsetti si possono inserire anche nel seguente modo senza utilizzare i sostegni in metallo ad L.
20
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Collegata la morsettiera il trasformatore è terminato ed è pronto per essere collaudato.
PROVE SUL TRASFORMATORE:
Ora verificheremo se il nostro trasformatore è funzionante attraverso diverse prove che andremo a
vedere singolarmente:
•
•
•
•
•
•
MISURA DELLE RESISTENZE DI ISOLAMENTO
MISURA DEI MORSETTI CORRISPONDENTI
MISURA DELLE RESISTENZE DEI DUE AVVOLGIMENTI
MISURA DEL RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE
PROVA DI CORTO CIRCUITO
PROVA A VUOTO
MISURA DELLE RESISTENZE DI ISOLAMENTO:
Prima di eseguire le prove con tensioni elevate è importante accertarsi che gli avvolgimenti del
trasformatore e quindi le parti in tensione siano ben isolate, azzerando così i rischi per il
collaudatore.
Attraverso questa prova determiniamo il valore della resistenza di isolamento del trasformatore
monofase mediante un megaohmetro.
L'esperienza viene suddivisa in tre parti ognuna delle quali servirà a determinare se il trasformatore
è isolato oppure no. Le tre parti sono:
isolamento tra PRIMARIO/CARCASSA del trasformatore;
21
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- isolamento tra SECONDARIO/CARCASSA del trasformatore.
- isolamento tra PRIMARIO/SECONDARIO del trasformatore;
La resistenza di isolamento deve rispettare la seguente legge:
RIS =
VN (valore _ più _ elevato)
> 1MΩ
S N [ KVA] + 1000
Tra PRIMARIO e CARCASSA del trasformatore la prova è stata eseguita con una tensione massima di
3500 V.
Ris = 3500 / (200 + 1000) = 2,9 MΩ
Tra SECONDARIO e CARCASSA del trasformatore la prova è stata eseguita con una tensione massima di
3000 V.
Ris = 3000 / (200 + 1000) = 2,5 MΩ
Tra PRIMARIO e SECONDARIO del trasformatore la prova è stata eseguita con una tensione massima di
3000 V.Ris = 3000 / (200 + 1000) = 2,5 MΩ
22
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La prova ha dato esito positivo in quanto le resistenze misurate sono superiori al valore richiesto,e
l’isolante del trasformatore ha resistito alle tensioni di prova.
MISURA DEI MORSETTI CORRISPONDENTI:
Si passa ora a determinare i morsetti corrispondenti, ovvero una volta posto sotto tensione il
circuito primario, si passa a determinare quale dei morsetti convenzionali che in uscita al
secondario eroga la corrente, e quello che in entrata al primario la assorbe.
Il circuito da realizzare per la prova è il seguente:
V2
V1
U
1
L’avvolgimento primario viene alimentato con una tensione non necessariamente uguale a quella
nominale; vengono collegati fra di loro un morsetto secondario e un morsetto primario; inoltre
vengono posti due voltmetri (V1 e V2) per misurare le tensioni degli avvolgimenti, e un terzo
voltometro (U1)fra i due morsetti primario e secondario non collegati fra di loro.
Se:
V1 + U1 = V2
si ha la corrispondenza dei morsetti;
Se:
V1 + V2 = U1
non si ha la corrispondenza dei morsetti;
Ovvero se è verificata la prima relazione, il cavo di collegamento fra un morsetto primario e un
morsetto secondario, non è collega morsetti corrispondenti.
Nella prova pratica abbiamo realizzato tre misurazioni con altrettanti valori di tensione di
alimentazione:
V1
V2
U1
20
2,1
22,1
40
4,32
44,7
60
6
67
Con la tabella sopra indicata notiamo che i morsetti non sono corrispondenti.
È facilmente verificabile che per ogni terna di valori è verificata la legge V1 + V2 = U1 quindi
23
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abbiamo individuato la non corrispondenza dei morsetti.
Ora scambiamo il morsetto di collegamenti del voltmetro U2 e del cavo:
V1
V2
U1
20
22,3
2
40
44,5
4
60
67,5
6,52
È facilmente verificabile che per ogni terna di valori è verificata la legge V1 + U1 = V2 quindi
abbiamo individuato la corrispondenza dei morsetti.
MISURA DELLE RESISTENZE DEI DUE AVVOLGIMENTI:
In questa prova si procede a misurare la resistenza dell’avvolgimento primario e dell’avvolgimento
secondario in corrente continua, come prescritto dalle normative, con il metodo voltmetro a valle.
Il circuito da realizzare per la prova è il seguente:
Come appare evidente è necessario porre una resistenza in serie al circuito di alimentazione per
limitare la corrente circolante e quindi non riscaldare eccessivamente il trasformatore per evitare di
avere risultati sfalsati; la prova si effettua su entrambi gli avvolgimenti, rilevando 4 valori e
considerando la media.Per trovare la R in tabella utilizzare la seguente formula R = V / I.
Il reostato utilizzato è da 4,89 ohm.
24
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Avvolgimento primario:
V
I
R
V
A
Ω
5
0,6
8,3
10
1,4
7,14
15
2
7,5
20
2,6
7,69
Il valore medio calcolato è 7,7 ohm.Confrontiamo questo valore con quello precendetemente
misurato con il multimetro ai capi del nostro avvolgimento primario.Il valore letto sullo strumento è
uguale a quello calcolato.
Avvolgimento secondario:
V
I
R
V
A
Ω
0,2
1,14
0,17
0,4
2,32
0,17
0,6
3,43
0,17
Il valore medio calcolato è 0.17 ohm. Confrontiamo questo valore con quello precendetemente
misurato con il multimetro ai capi del nostro avvolgimento secondario. Il valore letto sullo
strumento è 0,3 ohm.
Osservando i valori medi è facile dedurre che il primario è il lato di alta tensione (AT) in quanto
presenta una resistenza maggiore, mentre il secondario è il lato di bassa tensione (BT), in quanto
presenta resistenza minore.
25
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MISURA DEL RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE:
Il rapporto di trasformazione nominale ( K ) rappresenta un dato di targa molto importante del
trasformatore; la relazione fondamentale per determinarlo è la seguente:
KN =
V1N
V2 N
Per il trasformatore monofase KN coincide con il rapporto spire m, quindi si hanno informazioni
relative alla modalità di costruzione del trasformatore.
Nella prova pratica si determinano KAB e KBA , ovvero il rapporto di trasformazione nominale
alimentando il trasformatore sul lato di alta tensione e alimentando il trasformatore sul lato di bassa
tensione. Il circuito della prova è il seguente:
V1
V2
BT
V1
AT
AT
BT
V2
Con il primo circuito si determina KBA , mentre con il secondo KAB; sono state effettuate tre
misurazioni per circuito:
Alimentato ad alta tensione:
V1
V2
Kba
V
V
20
180
0,1
10
92
0,1
15
140
0,1
K BA =
VBT
VAT
Kba medio = 0,1
26
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Alimentato a bassa tensione:
V1
V2
Kab
V
V
220
23
2
100
13
4
50
5,6
6,52
K AB =
VAT
VBT
Kab medio = 4,17
Si procede calcolano KN con la seguente formula:
6,457
Quindi il rapporto di trasformazione del trasformatore vale 6,457.
PROVA DI CORTO CIRCUITO:
Scopo della prova che siamo per descrivere è la determinazione delle perdite per effetto joule, delle
perdite addizionali, della tensione di cortocircuito, del fattore di potenza di cortocircuito, della
resistenza equivalente e della reattanza equivalente.
La prova per un trasformatore monofase viene eseguita secondo lo schema proposto. Si chiude in
cortocircuito (con conduttori a grossa sezione) l'avvolgimento di bassa tensione alimentando
l'avvolgimento di alta tensione con un VARIAC. La prova potrebbe essere anche effettuata
alimentando l'altro circuito, ma in tal caso si avrebbero correnti più elevate negli strumenti.
Si consiglia l'inserzione delle voltmetriche a valle.
Nel funzionamento reale del trasformatore esistono delle perdite dette addizionali di cui conosciamo
la causa e le motivazioni ma non sempre riusciamo a valutarle; ciò comporta una resistenza fittizia
detta addizionale:
R''eq = R''eqtot + Radd
Esplicitando la Radd il circuito equivalente del trasformatore diviene circuito equivalente
approssimato con parametri concentrati al secondario.
''eq
I suddetti parametri R
X''eq possono essere valutati, calcolati, noti alcuni valori rilevati
sperimentalmente in laboratorio, mediante la nostra prova di cortocircuito. Qualora lo stesso calcolo
venisse applicato ai parametri secondari sarebbe possibile trasferire i parametri secondari dal blocco
secondario al blocco primario.
Si definisce tensione di cortocircuito primaria quella tensione ridotta (circa il 5-6 % della tensione
nominale) con cui bisogna alimentare l'avvolgimento primario alla frequenza nominale, affinché
27
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nell'avvolgimento secondario circoli la sua corrente nominale.
La prova di cortocircuito convenzionale deve essere eseguita a temperatura convenzionale di 75°C
alla frequenza nominale e alla corrente nominale. Con ciò si determinano i parametri equivalenti
serie concentrati o al primario o al secondario che verranno anche chiamati parametri equivalenti
serie di cortocircuito.
Le suddette grandezze di cortocircuito convenzionali, normalmente, vengono date sottoforma di
percentuale.
La prova viene effettuata in funzione della tensione di cortocircuito VCC.
Il circuito da montare è il seguente:
+
+
A
W
V
Qui di seguito sono riportati i valori misurati nella prova:
cos φcc
cos φlett.
20
1
0,99
0,88
16
1
0,99
16
0,77
12
0,97
0,99
80
14
0,675
9,3
0,98
0,99
70
12
0,579
6,9
0,99
0,99
60
10
0,472
4,6
0,97
0,99
In %
Vcc
Icc
Pcc
V
A
W
110
20
1
100
18
90
28
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GRAFICO DELLA TENSIONE PRIMARIA DI C.C IN
FUNZIONE DELLA CORRENTE DI C.C.
21
18
Vcc
15
12
9
6
3
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Icc
Come si può notare l’andamento del grafico è giustamente lineare infatti nella tabella dei dati al
diminuire della tensione diminuisce anche la corrente.
Il valore della Vcc viene rilevato interpolando la Icc e la Vcc alla corrente nominale % di 100
(vedere tabella dati).
V CC = 18V ⇒ vCC % =
V CC
18
× 100 =
× 100 = 7,83%
V1N
230
GRAFICO DELLA POTENZA DI C.C. IN FUNZIONE
DELLA CORRENTE DI C.C.
21
18
Pcc
15
12
9
6
3
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Icc
29
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L’andamento della curva è di tipo parabolico, chiaro segno di una proporzionalità quadratica fra PCC
e I1CC, infatti :
Pcc = Req. * Icc 2
Il valore delle Pcc viene rilevato interpolando la Icc e la Pcc alla corrente nominale % di 100
(vedere tabella dati).
PCC = 16 W ⇒ p CC % = PCC × 100 = 16
SN
200
× 100 = 8 %
GRAFICO DEL FATTORE DI POTENZA DI C.C. IN
FUNZIONE DELLA CORRENTE DI C.C.
1,2
cos φcc lett.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Icc
Calcoliamo ora algebricamente, il valore di cosφCC, per poi confrontarlo con quello ottenuto
dall’interpolazione del grafico.
cos ϕ CC =
7, 83
pCC %
=
= 0,98
VCC %
8
Il fattore di potenza di corto circuito ottenuto dall’interpolazione fra Icc e cos φ cc lett.al valore
della corrente nominale % di 100 è di 0,99.Il valore è quasi totalmente preciso.
Nel grafico si è ottenuta una retta parallela all’asse delle ascisse quindi il grafico risulta corretto.
Riassumiamo i risultati della prova di corto circuito:
VCC% = 7,83 %
PCC% = 8 %
CosφCC = 0,98
30
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PROVA A VUOTO:
Lo scopo della prova è la determinazione delle perdite nel ferro del trasformatore e, in secondo
luogo, della corrente e del fattore di potenza a vuoto dello stesso.
Lo schema circuitale della prova è il seguente:
+
+
W
A
V
Come già accennato prima lo scopo della prova è la determinazione delle perdite nel ferro del
trasformatore e della corrente e del fattore di potenza a vuoto dello stesso. E' noto infatti che,
alimentando un trasformatore con il circuito secondario aperto, viene assorbita dalla linea di
alimentazione una certa potenza P0.
Poiché il valore della corrente risulta molto basso, le perdite per effetto Joule nel circuito sono
trascurabile, quindi la potenza rappresenta l'intera potenza dissipata per isteresi e correnti parassite
nelle lamiere costituenti il circuito magnetico del trasformatore.
La prova può essere condotta secondo lo schema rappresentato in figura.
Si può alimentare dal lato di bassa o dal lato di alta tensione: in genere è preferibile alimentare il
lato bassa tensione per ragioni di sicurezza e di più facile reperibilità degli strumenti di portata
adeguata.
La prova viene eseguita alla frequenza nominale e con tensione variabile fra il 40 % e il 110 % di
VN, in modo da poter controllare i valori via via ottenuti: se un punto rilevato cade molto al di fuori
della curva che si viene tracciando, vuol dire che si è commesso un errore nella misura o nei calcoli.
Si alimenta allora il circuito mediante un variatore di tensione, facendo aumentare gradualmente la
tensione da un valore minimo che permette una lettura sufficientemente esatta sugli strumenti fino
ad un 110% circa in più della tensione nominale.
Gli strumenti devono essere tutti di buona precisione. Il wattmetro deve essere a basso cosφ.
Si noti che, qualora si effettui una sola prova a tensione nominale e quindi si escluda il variatore di
tensione, occorre inserire un tasto sui circuiti voltmetrici degli strumenti in modo da evitare i danni
che potrebbero aversi all'atto dell'apertura e della chiusura del circuito.
Il wattmetro e l'amperometro danno direttamente i valori di potenza e corrente a vuoto da cui si può
ricavare il fattore di potenza a vuoto:
cos ϕ 0 =
P0
(V × I 0 )
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Qui di seguito sono riportati i valori misurati nella prova:
Vn%
cos φo
cos φlett.
4,5
3,6
0,339
0,4
0,51
0,57
0,361
2,8
0,48
0,65
14
12
10
8
0,281
0,231
0,187
0,154
2,2
1,7
1,2
0,8
0,556
0,665
0,64
0,65
0,72
0,75
0,8
0,8
6
0,123
0,5
0,67
0,78
V1
Io
Po
V
A
W
110
100
20
18
0,663
0,498
90
16
80
70
60
50
40
Tutti gli strumenti erano digitali a lettura diretta, quindi si sono eliminati i gli errori di lettura.
Una volta ottenuti tutti i dati,determinare il Cosφ0, I0, e P0, tramite l’interpolazione dei grafici
ottenuti con Excel, nonché i0% e p0%.
GRAFICO DELLA CORRENTE A VUOTO IN
FUNZIONE DELLA TENSIONE
0,7
0,6
0,5
Io
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V1
Per determinare I0 alla tensione nominale e frequenza nominale si procede all’interpolazione dal
grafico soprastante fra il valore della Io ed il valore della V1 alla tensione nominale % di 100 (vedi
tabella prova).
I 0 = 0,498 A ⇒ i0 % =
I0
0,498
× 100 =
× 100 = 52 %
I1 N
0,95
32
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GRAFICO DELLA POTENZA A VUOTO IN FUNZIONE
DELLA TENSIONE
5
4,5
4
3,5
Po
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V1
Per determinare Po si procede all’interpolazione dal grafico soprastante fra il valore della Po ed il
valore della V1 alla tensione nominale % di 100 (vedi tabella prova).
P0 = 3,6 W ⇒ p0 % =
p0
3,6
.
× 100 =
× 100 = 1 , 8 %
SN
200
Determinare il cosφ0 algebricamente con la relazione:
cos ϕ 0 =
P0 % 1,8
=
I0 %
52
= 0,03
33
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GRAFICO DEL FATTORE DI POTENZA A VUOTO IN
FUNZIONE DELLA TENSIONE
0,8
0,7
0,6
cos φo
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V1
In conclusione abbiamo determinato i parametri fondamentali della prova a vuoto:
I0% = 52 %
P0% = 1,8 %
Cosφ 0 = 0,03
N.B.La prova a vuoto non è stata eseguita in modo corretto in quanto il valore % della Io risulta
troppo alto (in teoria la Io % varia tra il 10 e il 15 % della In) ed il Cosφ0 risulta troppo basso.
Probabilmente gli errati valori nella prova sono dovuti ad alcune imprecisioni nelle
misurazioni.
CONCLUSIONI:Il trasformatore al termine delle prove risulta funzionante e affidabile ed ha
soddisfatto le richieste del costruttore.
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