Perdite del trasformatore spiegate: perdite a vuoto e perdite a carico.
Le perdite a vuoto e le perdite a carico in un trasformatore sono le due principali forme di perdita di energia durante il suo funzionamento. Di seguito viene fornita una spiegazione dettagliata di come vengono generate, distribuite e dissipate all'interno del trasformatore.
Le perdite a vuoto si verificano quando l'avvolgimento primario del trasformatore è percorso da una piccola corrente di eccitazione in condizioni di assenza di carico. In queste condizioni, le perdite nel rame sono trascurabili e la maggior parte delle perdite si verifica nel nucleo, ed è nota come perdita nel ferro. Le perdite nel ferro sono costituite da perdite per isteresi e perdite per correnti parassite. Le perdite per isteresi derivano dal continuo ribaltamento dei domini magnetici all'interno del nucleo sotto l'influenza di un campo magnetico alternato, che consuma energia e genera calore. Le perdite per correnti parassite si verificano perché il nucleo stesso è conduttivo. Quando sottoposto a un campo magnetico variabile, si induce una forza elettromotrice in piani perpendicolari alle linee di campo magnetico, formando circuiti chiusi che generano correnti – note come correnti parassite – che producono calore a causa della resistenza del materiale del nucleo.
Le perdite a vuoto sono concentrate principalmente nel nucleo, poiché quest'ultimo è il componente primario del circuito magnetico e al suo interno si verificano perdite per isteresi e per correnti parassite. Inoltre, una piccola quantità di perdite per effetto Joule si genera nell'avvolgimento primario a causa della corrente a vuoto, ma in genere è trascurabile. Il calore generato dalle perdite a vuoto viene dissipato principalmente per conduzione e irraggiamento dal nucleo all'ambiente circostante. Il nucleo è a contatto con l'olio o l'aria del trasformatore, trasferendo calore all'olio o all'aria. Questo calore viene quindi trasportato via per convezione naturale dell'olio o del flusso d'aria, dissipandosi infine nell'ambiente circostante.
Le perdite a carico comprendono le perdite di rame di base e le perdite aggiuntive. Le perdite di rame di base sono le perdite dovute alla resistenza degli avvolgimenti quando la corrente di carico li attraversa. Secondo la legge di Joule, quando la corrente scorre attraverso un conduttore si genera calore e la perdita di potenza è proporzionale al quadrato della corrente. Le perdite aggiuntive includono le perdite per correnti parassite negli avvolgimenti, le perdite per correnti circolanti, le perdite vaganti nei componenti strutturali, ecc., che sono proporzionali al quadrato della corrente e al quadrato della frequenza.
Le perdite a carico sono distribuite principalmente negli avvolgimenti e nel nucleo. La corrente di carico negli avvolgimenti genera perdite di rame, mentre il nucleo subisce anche alcune perdite dovute al flusso di dispersione causato dalla corrente di carico, sebbene queste siano relativamente piccole rispetto alle perdite di rame negli avvolgimenti. Inoltre, il flusso di dispersione indotto dalla corrente di carico genera perdite parassite nei componenti strutturali metallici esterni agli avvolgimenti.
Il calore generato dalle perdite di carico viene in parte trasferito all'olio del trasformatore per conduzione termica dagli avvolgimenti e successivamente dissipato per convezione naturale o circolazione forzata dell'olio. Un'altra parte viene dispersa nell'ambiente circostante per conduzione termica e irraggiamento dal nucleo e dai componenti strutturali. Nei trasformatori di grandi dimensioni, si ricorre spesso al raffreddamento a circolazione forzata dell'olio o a metodi simili per migliorare la dissipazione del calore, aumentando così l'efficienza operativa e l'affidabilità del trasformatore.