Quando si verifica la corrente di spunto magnetizzante nei trasformatori?

Le condizioni di corrente di spunto magnetizzante si verificano anche a una frequenza molto più elevata rispetto ai cortocircuiti, quindi vale la pena approfondire questo fenomeno.

Consideriamo cosa accade quando si alimenta inizialmente un trasformatore monofase. Il flusso magnetico nel nucleo è pari all'integrale della tensione di eccitazione.

Se il circuito viene chiuso quando la tensione attraversa lo zero e il flusso iniziale è zero, il flusso sinusoidale sarà completamente sfasato rispetto a zero. Il valore di picco del flusso completamente sfasato è il doppio del valore di picco del flusso sinusoidale simmetrico. In altre parole, il flusso di picco dell'onda completamente sfasata può essere quasi il doppio del normale flusso di picco, il che di solito è sufficiente a portare il nucleo in saturazione.

A questo punto, l'unico fattore che limita la corrente di magnetizzazione è l'impedenza del nucleo d'aria dell'avvolgimento, che è di ordini di grandezza inferiore alla normale impedenza di magnetizzazione.

Pertanto, durante la semi-fase di saturazione del nucleo, la corrente di campo è molto maggiore della corrente di campo normale. Durante la semi-fase opposta, il nucleo non è più saturo e la corrente di campo è approssimativamente uguale alla corrente di campo normale.

La situazione è ancora più estrema quando è presente un flusso residuo nel nucleo e la direzione di tale flusso è la stessa della direzione dello sfasamento dell'onda di flusso sinusoidale. Come mostrato nella Figura 2 qui sotto. Si noti che le Figure 1 e 2 sono tracciate a scale di corrente diverse, quindi il picco di corrente rappresentato nella Figura 2 è in realtà molto maggiore del picco di corrente rappresentato nella Figura 1.

02 Valore di picco dell'impulso di eccitazione

Per trovare la corrente di picco di spunto limitata solo dalla reattanza del nucleo d'aria, è conveniente calcolare l'induttanza dell'avvolgimento utilizzando le unità cgs:

Qui:

N – numero di spire della bobina

Amt – Area all'interno del diametro medio della bobina, cm2

l – la lunghezza assiale della bobina, cm

L – induttanza della bobina, μH

Il flusso prodotto dall'induttore φL è pari al flusso residuo più 2 volte la variazione di flusso normale meno il flusso di saturazione, poiché il flusso di saturazione è nel ferro. Ma φL è correlato all'induttanza e alla corrente:

Pertanto, la corrente di spunto di picco è espressa nel sistema di unità cgs come segue:

Qui:

Parlo in ampere e

φr – flusso residuo

φn – variazione del flusso magnetico normale

φs – flusso di saturazione

Se nel circuito non ci fossero resistori, ogni picco successivo avrebbe lo stesso valore e la corrente di spunto continuerebbe indefinitamente. Tuttavia, in presenza di una resistenza nel circuito, la caduta di tensione ai capi della resistenza sarà elevata e l'aumento del flusso non dovrà necessariamente essere così alto come nel ciclo precedente.

L'integrale della caduta di tensione rappresenta la riduzione netta del flusso magnetico necessario per sostenere la tensione applicata. Poiché la caduta di tensione i×R è sempre nella stessa direzione, ogni ciclo riduce il flusso magnetico richiesto. Quando il valore di picco del flusso magnetico scende al di sotto del valore di saturazione del nucleo, la corrente di spunto scompare. Il tasso di decadimento non è esponenziale, sebbene sia simile a una corrente di decadimento esponenziale.

Importante! Con i trasformatori di potenza di grandi dimensioni, la corrente di spunto può durare alcuni secondi prima di scomparire completamente.

La reattanza di linea ha l'effetto di ridurre la corrente di spunto di picco semplicemente aggiungendo induttanza all'induttanza del nucleo d'aria dell'avvolgimento. Esiste una relazione precisa tra corrente di spunto e corrente di cortocircuito, poiché entrambe sono correlate all'induttanza del nucleo d'aria dell'avvolgimento.

Ricorda che i cortocircuiti tendono a spingere il flusso fuori dal nucleo.

Regola empirica! In genere, la regola empirica è che la corrente di spunto di magnetizzazione di picco è leggermente superiore al 90% della corrente di cortocircuito di picco. Tuttavia, la forza magnetica causata dalla corrente di spunto di magnetizzazione è solitamente molto inferiore alla forza di cortocircuito. Poiché ogni fase contiene un solo avvolgimento, non vi è repulsione magnetica tra gli avvolgimenti.

L'intero problema dell'analisi delle correnti di spunto di magnetizzazione diventa più complesso quando si considerano i trasformatori trifase. Questo perché gli angoli di fase delle tensioni di eccitazione sono di 120°, si verifica un'interazione di corrente e tensione tra le fasi e i tre poli del dispositivo di commutazione non si chiudono esattamente nello stesso momento.

Tuttavia, si può affermare con certezza che la corrente di spunto di picco di un trasformatore trifase è prossima al livello della corrente di cortocircuito.

Una delle caratteristiche interessanti delle correnti di spunto di magnetizzazione è l'elevata percentuale di armoniche pari, dovuta alla completa cancellazione delle correnti stesse. Le armoniche pari, inoltre, sono raramente presenti nei circuiti di potenza.

03 Flusso di empatia

Esiste anche un fenomeno noto come "sovracorrente simpatico", in cui un trasformatore precedentemente alimentato presenta un'improvvisa variazione di corrente quando un trasformatore vicino si accende. La sovracorrente simpatico è causata dalla variazione della tensione di linea provocata dalla corrente di spunto del secondo trasformatore.