La funzione principale di un nucleo in un trasformatore è fornire un percorso magnetico che collega gli avvolgimenti primario e secondario. La sua elevata permeabilità consente di modificare il flusso magnetico per seguire questo percorso con una corrente magnetizzante relativamente piccola. Ciò supporta un efficace accoppiamento magnetico tra gli avvolgimenti. Anche il materiale e la costruzione del nucleo influenzano le perdite di energia, quindi il suo ruolo implica sia guidare il flusso magnetico sia limitare il calore prodotto durante il funzionamento.
In che modo il nucleo collega gli avvolgimenti primari e secondari?
Quando viene applicata una tensione alternata all'avvolgimento primario, nel nucleo si sviluppa un flusso magnetico variabile. Questo flusso collega anche l'avvolgimento secondario, inducendo una tensione ai suoi terminali. Quando un carico completa il circuito secondario, la corrente può fluire e l'energia elettrica viene fornita a quel carico.
Il nucleo fornisce un percorso magnetico condiviso attraverso le regioni circondate da entrambi gli avvolgimenti. I suoi arti e i suoi gioghi formano il circuito magnetico principale, aiutando a concentrare il flusso dove può collegare le bobine. Questa relazione è chiamata accoppiamento magnetico.
Come spiegato in Nella spiegazione di OpenStax del funzionamento del trasformatore , la modifica del flusso condiviso dagli avvolgimenti induce le loro tensioni. In un trasformatore ideale, il rapporto di tensione è uguale al rapporto di spire. Il nucleo consente un accoppiamento efficace; il numero di spire stabilisce se la tensione aumenta o diminuisce.
Ad esempio, un trasformatore ideale con il doppio delle spire secondarie rispetto alle spire primarie produce una tensione secondaria doppia della sua tensione primaria. Il nucleo non crea energia aggiuntiva. Anche i trasformatori reali hanno perdite, quindi la loro potenza in uscita è inferiore alla potenza in ingresso.
Gli avvolgimenti rimangono elettricamente isolati dal nucleo. Il trasferimento di energia tra avvolgimenti separati si basa quindi sull'induzione elettromagnetica piuttosto che su una connessione conduttiva attraverso il metallo. Una parte del flusso non riesce ancora a collegare entrambi gli avvolgimenti; questo è chiamato flusso di dispersione e anche la disposizione degli avvolgimenti influisce su di esso.
Perché è importante un percorso magnetico a bassa riluttanza?
La riluttanza magnetica descrive quanto fortemente un percorso magnetico si oppone all'instaurarsi del flusso magnetico. Un percorso a bassa riluttanza consente al flusso richiesto di svilupparsi con un minore sforzo di magnetizzazione. È una proprietà magnetica, distinta dalla resistenza elettrica che si oppone alla corrente in un filo.
I materiali centrali come l'acciaio elettrico hanno una permeabilità magnetica molto più elevata rispetto all'aria. La permeabilità descrive la prontezza con cui un materiale risponde a un campo magnetizzante. L'uso di un nucleo adatto riduce quindi la riluttanza magnetica rispetto a un percorso equivalente attraverso l'aria.
Il vantaggio pratico è una corrente magnetizzante inferiore : la componente della corrente primaria necessaria per stabilire il flusso magnetico alternato. Questa corrente è richiesta anche quando il circuito secondario è aperto e nessuna potenza raggiunge il carico.
Per un trasformatore alimentato a tensione e frequenza sinusoidali fisse, con un numero fisso di spire primarie, il flusso richiesto è approssimativamente determinato da tali condizioni. Una permeabilità più elevata riduce principalmente la corrente magnetizzante necessaria per stabilire quel flusso. Non aumenta automaticamente la tensione secondaria.
Anche la geometria del nucleo e le articolazioni contano. Gli spazi involontari aumentano la riluttanza magnetica e possono aumentare la corrente magnetizzante. Le proprietà dei materiali e un percorso magnetico ben assemblato devono quindi lavorare insieme.
Un vero nucleo consuma una certa energia sotto forma di calore durante la magnetizzazione ripetuta. Due meccanismi principali sono la perdita di isteresi e la perdita di correnti parassite . Comprendere le loro differenze spiega perché i nuclei dei trasformatori utilizzano materiali magnetici selezionati e metodi di costruzione specifici.
La perdita di isteresi si verifica quando la magnetizzazione del materiale si inverte ripetutamente con il flusso alternato. I materiali magneticamente morbidi con uno stretto anello di isteresi riducono l'energia dissipata durante ogni ciclo. Anche la lavorazione del materiale influisce su questo comportamento.
La perdita per correnti parassite si verifica perché il cambiamento del flusso induce la circolazione di correnti elettriche all'interno di un nucleo conduttivo. Queste correnti generano calore. Sottili lamierini in acciaio, isolati elettricamente tra loro, limitano i loro percorsi e riducono le relative perdite rispetto a un blocco di acciaio massiccio.
Nei trasformatori di potenza e distribuzione, Nuclei CRGO e i nuclei amorfi offrono diverse caratteristiche di perdita. Le loro prestazioni devono essere valutate alla frequenza e alla densità di flusso magnetico previste.
La laminazione affronta principalmente le correnti parassite ; non dovrebbe essere descritto come il rimedio principale per la perdita di isteresi. Le minori perdite del nucleo riducono lo spreco di energia e il calore che il sistema di raffreddamento deve rimuovere.
Domande frequenti
Il nucleo consuma energia quando non è collegato alcun carico?
SÌ. Un trasformatore energizzato ha ancora un flusso alternato nel nucleo quando il suo secondario è aperto. L'isteresi e le correnti parassite continuano quindi a produrre perdite, contribuendo al consumo energetico a vuoto.
Le perdite nel nucleo sono uguali alle perdite nel rame?
No. Le perdite del nucleo si verificano nel materiale magnetico. Le perdite nel rame rappresentano un riscaldamento resistivo negli avvolgimenti e aumentano con il quadrato della corrente dell'avvolgimento quando la resistenza è costante.
Una maggiore permeabilità significa sempre una maggiore efficienza?
No. Una permeabilità più elevata può ridurre la corrente magnetizzante, ma l'efficienza dipende anche dalle perdite del nucleo, dalla resistenza dell'avvolgimento e dalle condizioni operative. La permeabilità da sola non può stabilire l’efficienza totale del trasformatore.
Un nucleo efficace del trasformatore combina un percorso magnetico adeguato con perdite controllate. Entrambi sono necessari per un funzionamento efficiente.
