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Simbolo circuitale del trasformatore

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, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica (a meno delle perdite per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite). 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 ha importanza fondamentale nel mondo di oggi: senza di esso le grandi reti di trasporto dell'energia elettrica che collegano le centrali elettriche a milioni di industrie e di case non potrebbero funzionare. E' stato uno dei motivi principali della vittoria della corrente alternata di Tesla nella famosa guerra delle correnti contro Edison.

Introduzione [modifica]

Le enormi quantità di energia elettrica richieste dalla società moderna fanno sì che questa debba essere prodotta in grandi quantità presso centri di produzione denominati centrali elettriche. Un parametro utile per determinare la dimensione e la quantità di energia prodotta da una centrale è la potenza (simbolo P unità di misura W) la quale può variare dalle decine di kW (1 kW = 1000 W) di piccole centrali idroelettriche o solari alle centinaia di MW (1 MW = 1.000.000 W) delle grandi centrali termoelettriche e nucleari. Questa energia deve essere trasportata anche per centinaia di km. La potenza elettrica è legata in maniera diretta ai parametri di tensione e corrente, secondo la formula

P = V I \cos \phi \,

dove \cos \phi\,\!\!, detto fattore di potenza, è il correttivo dovuto allo sfasamento.

Trasformatore di media tensione su palo in una zona rurale. Alla sommità del palo si vede l'arrivo dei tre fili della media tensione con isolatori in vetro,appena sotto si vedono gli scaricatori per le sovratensioni di origine atmosferica, alla cui altezza partono anche due cavi di uscita verso le utenze in bassa tensione. A sinistra sopra il trasformatore è visibile il serbatoio dell'olio di raffreddamento.

Ciò significa che a parità di potenza aumentando la tensione V diminuisce la corrente I (e si deve mantenere \cos \phi \, più vicino possibile al valore unitario. (Vedi la voce Rifasamento). Ciò è molto importante in quanto la corrente I genera al suo passaggio nei conduttori elettrici calore (Effetto Joule), più la corrente è alta e più calore si genera; per ovviare a questo bisogna aumentare la sezione dei conduttori, ma viene da sé che c'è un limite economico e tecnologico nel dimensionamento delle linee elettriche, legato anche al fenomeno della caduta di tensione delle linee stesse. Al fine quindi di abbassare la corrente I si effettua una trasformazione aumentando la tensione V a parità di potenza P. Naturalmente diminuendo le distanze da percorrere e la potenza da trasportare viene anche meno l'esigenza di avere tensioni alte, se a questo si associa l'altra esigenza che è quella di avere per l'uso domestico e industriale un livello di tensione compatibile con le esigenze di sicurezza ne conviene che dalla produzione alla distribuzione è opportuno effettuare un numero adeguato di trasformazioni verso tensioni più basse.
La macchina che si occupa di effettuare tali trasformazioni è appunto il trasformatore. A titolo di esempio citiamo alcune delle tensioni tipiche di esercizio degli impianti elettrici ovvero:

  • 230 V - tensione per usi domestici
  • 400 V - tensione per uso industriale
  • 15/20 kV (15.000 ÷ 20.000 V) tensione di esercizio delle reti elettriche di distribuzione secondaria (Lunghezza alcune decine di km)
  • 132/150/220/380 kV tensione di esercizio delle linee elettriche di distribuzione primaria (Lunghezza alcune centinaia di km)
  • 0,5/1 MV tensione di esercizio delle linee elettriche di interconnessione su lunghissime percorrenze (Lunghezza alcune migliaia di km)

Invenzione [modifica]

Fra le principali tappe che hanno portato all'attuale trasformatore ricordiamo:

  • Michael Faraday inventò il 29 agosto 1831 l'anello a induzione, il primo trasformatore. Egli lo usò però solamente per dimostrare i principi dell'induzione elettromagnetica e non ne intravide un uso pratico.
  • Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs presentarono a Londra nel 1881 un dispositivo chiamato generatore secondario e vendettero l'idea alla società americana Westinghouse. Fu il primo trasformatore di uso pratico, ma impiegava un nucleo lineare, abbandonato poi in favore del nucleo circolare. Fu anche presentato a Torino nel 1884, dove fu adottato per un sistema di illuminazione.
  • William Stanley, un ingegnere della Westinghouse, costruì un modello di trasformatore nel 1885 dopo che George Westinghouse acquistò l'invenzione di Gaulard e Gibbs. Egli utilizzò per il nucleo due ferri sagomati a forma di E ed il modello entrò in commercio nel 1886.
  • Ottó Bláthy, Miksa Déri e Károly Zipernowsky, ingegneri ungheresi della società Ganz di Budapest svilupparono nel 1885 un efficiente modello "ZBD" basato sul progetto di Gaulard e Gibbs.
  • Nikola Tesla nel 1891 inventò la bobina di Tesla, un trasformatore risonante con avvolgimenti sintonizzati in aria per produrre altissime tensioni ad alta frequenza.

Costruzione e principio di funzionamento [modifica]

Schema di principio

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 flusso variabile 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:

\frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_s}=k_0

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, k0 è chiamato rapporto di trasformazione.

Per una tensione sinusoidale di ampiezza massima Em il valore efficace E vale:

E = \frac{E_m}{\sqrt{2}}

Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del nucleo è data dalla relazione:

E = \frac{\omega}{\sqrt{2}} N S B = \frac{2\pi}{\sqrt{2}} f N S B = 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 (in m2) e B è il valore dell'induzione in Tesla.

Dal trasformatore ideale al reale [modifica]

Immagine:Trasformatore_ideale.png

Per trasformatore ideale in figura si assume la convenzione degli utilizzatori alla porta 1 (primario) e quella dei generatori alla porta 2 (secondario). Questo è governato dalle equazioni simboliche:

\begin{cases} U_1 = k_0 U_2 \\ I_1 = {1 \over k_0} I_2 \end{cases}

dove k0 è il rapporto di trasformazione.

Un trasformatore reale approssima quello ideale quando:

  • la riluttanza del nucleo è nulla (cioè, la permeabilità del nucleo è infinita)
  • le perdite nel nucleo sono nulle (cioè, le perdite nel ferro per correnti parassite e isteresi magnetica)
  • gli avvolgimenti hanno accoppiamento perfetto (assenza dei flussi dispersi)
  • le resistenze degli avvolgimenti sono nulle (assenza delle perdite per effetto Joule)

Riluttanza del nucleo non nulla [modifica]

Immagine:Trasformatore_ideale_riluttanza_non_nulla.png

Usiamo l'ipotesi di accoppiamento perfetto cosi da concatenare lo stesso flusso di induzione magnetica:

\begin{cases} \Phi_{c1} = N_1 \Phi_t \\ \Phi_{c2} = -N_2 \Phi_t \end{cases}

Le tensioni ai morsetti coincidono con le f.e.m. indotte valgono:

\begin{cases} U_1= E_1= j \omega \Phi_{c1} = j \omega N_1 \Phi_t \\ U_2= E_2= -j \omega \Phi_{c2} = j \omega N_2 \Phi_t \end{cases}

Considerando il funzionamento a vuoto, posso scrivere:

N_1 I_{1 \mu} = \mathfrak{R} \Phi_t

con I1μ detta corrente di magnetizzazione. Possiamo ricavare:

U_1 = j \omega N_1 \Phi_t = j \omega { N_1^2 \over \mathfrak{R}} I_{1 \mu} = j \omega L_1 I_{1 \mu } = j X_{10} I_{1 \mu }

da cui considerando il funzionamento a carico, per il secondo principio di Kirchhoff

N_1 I_1 - N_2 I_2 = \mathfrak{R} \Phi_t

risolvendo e sostituendo la precedente equazione ottengo:

I_1 = I_{1 \mu} + { N_2 \over N_1} I_2

quindi la relazione che lega tensioni e correnti del trasformatore ideale diviene:

\begin{cases} U_1 = n U_2 \\ I_1 = I_{1 \mu} + {1 \over n} I_2 = I_{1 \mu} + I_{12} \end{cases}

Perdite nel nucleo non nulle [modifica]

Immagine:Trasformatore_ideale_perdite_non_nulla.png

Oltre alla corrente di magnetizzazione va aggiunta la componente dovuta a perdite per isteresi e correnti parassite detta corrente a vuoto:

I_{10} = I_{1 \mu} + I_{1a} \,\!

così la relazione che lega tensioni e correnti del trasformatore ideale diviene:

\begin{cases} U_1 = k0 U_2 \\ I_1 = I_{10} + {1 \over n} I_2 = I_{10} + I_{12} \end{cases}

Per considerare le perdite per isteresi e correnti parassite che si producono nel nucleo.

Accoppiamento non perfetto tra gli avvolgimenti [modifica]

L'accoppiamento imperfetto tra gli avvolgimenti è dovuto a linee di flusso che abbandonano il nucleo per richiudersi attraverso percorsi in aria, si avranno cosi altri 2 flussi:

  • flusso di dispersione al primario Φ1d
  • flusso di dispersione al secondario Φ2d

posso definire:

  • reattanza di dispersione a primario X_1 = \omega L_1 = { N_1 \Phi_{1d} \over I_1}
  • reattanza di dispersione a secondario X_2 = \omega L_2 = { N_2 \Phi_{1d} \over I_2}

Resistenza degli avvolgimenti non nulle [modifica]

Considera la resistenza dei conduttori che costituiscono gli avvolgimenti R1 e R2 poste in serie con le perdite per accoppiamento non perfetto.

Schema completo equivalente [modifica]

Immagine:Trasformatore reale schema completo.png

Eliminate tutte le ipotesi di idealità, le f.e.m. indotte dal solo flusso di mutua induzione

\begin{cases} E_1= j \omega N_1 \Phi_t \\ E_2= j \omega N_2 \Phi_t \end{cases}

mentre le differenze di potenziale effettivamente presente alle porte del trasformatore reale valgono:

\begin{cases} U_1= E_1 + (R_1+jX_1)I_1 \\ U_2= E_2 - (R_2+jX_2)I_2 \end{cases}

ricordando il rapporto di trasformazione:

k0= {E_1 \over E_2} = {N_1 \over N_2}

ottengo relazione che lega tensioni e correnti del trasformatore reale:

\begin{cases} U_1 = (R_1+jX_1)I_1 +n (R_2+jX_2)I_2 + n U_2 \\ I_1 = I_{10} + {1 \over n} I_2 = I_{10} + I_{12} \end{cases}

queste equazioni descrivono il comportamento del trasformatore reale.

Il trasformatore reale [modifica]

Trasfomatore trifase a bagno d'olio privo del contenitore

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:

VpIp = VsIs

Fattori influenti sul rendimento [modifica]

Un trasformatore reale però non è una macchina perfetta e per questo presenta delle perdite, ovvero la potenza assorbita dal primario è sempre superiore a quella fornita dal secondario. I diversi motivi di perdita sono:

  • Effetto Joule prodotto dalla corrente che scorre negli avvolgimenti (dette perdite nel rame);
  • Induzione di correnti parassite nel nucleo che possono a loro volta dissipare energia per effetto Joule (dette perdite nel ferro);
  • Perdita di flusso magnetico al di fuori del nucleo che può indurre correnti su oggetti vicini al trasformatore;
  • Perdite per isteresi magnetica (sono perdite nel ferro);
  • Perdite per movimenti meccanici dovuti a forze magnetiche o magnetostrizione, solitamente percettibili come il classico ronzio del trasformatore;

Forme [modifica]

Piccolo trasformatore toroidale

La forma può essere quella di:

  • Toro trasformatori toroidali
  • Quadrata o di due rettangoli uniti per un lato, gli avvolgimenti sono posti sul lato comune

Accorgimenti [modifica]

Per ridurre l'effetto dei vari elementi che inficino il rendimento del trasformatore si:

  • Avvolgimenti come caratteristiche devono avere:
    • Minor numero di spire possibile
    • Lunghezza minore, il filo dell'avvolgimento deve essere di lunghezza minore possibile, generalmente questo è un dato dato dal nucleo, che deve cercare d'avere una sezione della colonna del nucleo, di sezione quadrata o (meglio ancora, dove possibile) circolare per minimizzare la lunghezza complessiva del filo.
  • Nucleo, come caratteristica devono avere:
    • Sezione adeguata
    • Una lunghezza minore possibile
    • Essere in 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).
    • Struttura il nucleo per impedire che circolino correnti parassite non è realizzato in metallo compatto, ma è costituito da sottili lamierini (lamierini di acciaio magnetico al silicio) incollati a formare pacchetti, mentre nei trasformatori operanti a frequenze elevate, il nucleo è costituito da polveri metalliche agglomerate con collanti
  • Raffreddamento il raffreddamento è ricercato soprattutto nei trasformatori che devono fornire un'elevata energia e che pur avendo un rendimento elevatissimo, la potenza dissipata è comunque notevole e la si deve dissipare per evitare il surriscaldamento del trasformatore:
    • Aria, il trasformatore non ha nessun dispositivo per il raffreddamento, soluzione tipica dei normali trasformatori civili e per le piccole potenze.
    • Bagno d'olio lavorano in un bagno di olio dentro involucri metallici opportunamente sagomati per facilitare la dispersione del calore
    • Bagno d'olio forzata rispetto al sistema in bagno d'olio sono previste anche delle pompe per la circolazione forzata dell'olio e un sistema di ventilatori esterni per aumentare l'asportazione di calore

La potenza assorbita da queste funzioni accessorie è considerata tra le perdite.

Studio e prove sul trasformatore [modifica]

Funzionamento a vuoto [modifica]

Si ha quando non ci sono carichi alimentati dal circuito secondario, quindi I2 = 0 e quindi è anche nulla anche I12 mentre circola solo corrente nella prima parte del circuito primario quindi I1 = I10.

Ricordando lo schema di trasformatori reali dove:

  • definisco impedenza a vuoto al primario
Z_{10} = { jX_{10} R_{10} \over R_{10} + jX_{10} }
  • si trascura:
Z_{10} \gg \sqrt{ R_1^2 +X_1^2 } tipicamente di un fattore 1000.
  • la resistenza e l'induttanza al secondario non sono attraversate da corrente quindi vengono sostituite con un corto circuito.

si ottiene così lo schema di funzionamento a vuoto (sopra riportato).

Questo schema ci da un'idea delle perdite nel ferro perché legate all'impedenza Z10 e quindi della relativa perdita di potenza che ci sarà utile per il calcolo del rendimento del trasformatore.

Funzionamento in corto circuito [modifica]

Si ha una configurazione di corto circuito quando si sostituisce il carico con un corto circuito: in questo caso si annullerà la tensione U2 = 0 e le correnti vengono chiamate correnti di cortocircuito (la tensione U1 dovrà essere opportunamente ridotta per non generare correnti che guastino il trasformatore):

I_1=I_{1CC} , \, I_2=I_{2CC}

Per l'analisi del trasformatore in corto circuito, partendo dalla configurazione di trasformatore reale, si riportano al primario la resistenza e l'induttanza del secondario, mettendole in parallelo con Z10 e in serie con R1 e jX1

\begin{cases} R_{12}= n^2 R_2 \\ X_{12}= n^2X_2 \end{cases}

Adesso prendiamo in considerazione la prima parte dello schema proposto e definiamo l'impedenza al primario:

\dot{Z}_{1C}=R_{1C}+jX_{1C}

dove:

  • R1C è definita resistenza in corto circuito a primario
  • X1C è definita reattanza in corto circuito a primario
  • le resistenze e le induttanze del primario sono considerate in serie:
\begin{cases} R_{1C}= R_{1}+R_{12}\\ X_{1C}= X_{1}+X_{12} \end{cases}
  • ricordo che Z_{10} \gg \sqrt{ R_1^2 +X_1^2 } tipicamente di un fattore 1000 e quindi viene trascurata.

Considerando la parte di destra dello schema, possiamo trasportare l'impedenza del primario al secondario e ottenere:

\dot{Z}_{2C}=R_{2C}+jX_{2C}

dove:

  • R2C è definita resistenza in corto circuito a secondario
  • X2C è definita reattanza in corto circuito a secondario
  • \begin{cases} R_{2C}= { R_{1C} \over n^2}\\ X_{2C}= { X_{1C} \over n^2} \end{cases}

In conclusione il funzionamento in corto circuito è dipendente dalle impedenze al primario e al secondario \dot{Z}_{1C} , \dot{Z}_{2C} \,, quindi la potenza assorbita dal trasformatore in corto circuito è legata alle perdite dovute alle resistenze quindi alle perdite nel rame; questa considerazione ci sarà utile per il calcolo del rendimento del trasformatore.

Prova a Vuoto [modifica]

La Prova a vuoto serve per determinare i componenti del circuito equivalente del ramo magnetizzante (trasversali), visti dal lato primario, le Perdite nel Ferro dovute al nucleo ferromagnetico e la caratteristica a vuoto della macchina. P_{f}={ U_1^2 \over R_{10} }

Lo schema prevede l'utilizzo dei seguenti strumenti da collegare al primario:

  • Un Frequenzimetro, per controllare che la frequenza sia sempre quella nominale;
  • Un Variac, per regolare la tensione per ogni lettura da svolgere;
  • Tre Amperometri;
  • Un Voltmetro;
  • Due Wattmetri in inserzione Aron oppure tre wattmetri.

La prova viene svolta nel seguente modo:

  • Viene alimentato il trasformatore alla frequenza nominale e con una tensione leggermente superiore alla tensione nominale : ad esempio 1,1 V{2n},\!
  • Tramite un Variac o (Autotrasformatore) viene abbassata gradualmente la tensione di alimentazione fino al valore 0, effettuando per ogni tensione diverse letture di Corrente e Potenza, riportando il tutto in una tabella.
  • Con i dati ricavati è possibile costruire dei grafici e determinare graficamente il valore della P_{f},\!

I grafici sono:

  • I_{20}=f(U_{2}),\!\!
  • P_{0}=f(U_{2}),\!\!
  • cos(\phi_{0})=f(U_{2}),\!\!

Dai grafici è possibile determinarsi i valori nominali di corrente, potenza e cos(φ) (tutti riferiti al funzionamento a vuoto) in corrispondenza del valore della tensione nominale di funzionamento. In particolare: il valore di potenza nominale a vuoto ricavato dal grafico è proprio il valore di Pf.

Perdite e rendimento [modifica]

I trasformatori reali presentato due tipi di perdite:

  • perdite nel rame dovute all'effetto Joule che si manifesta negli avvolgimenti percorsi da corrente:
P_{Cu}=P_j=R_{1C}\,I_1^2+R_{2C}\,I_2^2
P_{Fe}={ U_1^2 \over R_{10} }

quindi definiamo il rendimento: \, \ {\eta} = { P_u \over P_{Cu} +P_{Fe} +P_u }

dove:

  • Pu potenza utile al secondario
  • Pd potenza disponibile al primario

Da ricordare che il rendimento è funzione della condizione di carico (vedi anche: Rifasamento, φ), ossia di quanto sia sfasata la corrente al secondario, l'angolo φ che forma con al tensione al secondario.

Il trasformatore è la macchina elettrica a maggiore rendimento, dove 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 99,98% circa, inoltre il rendimento massimo per ogni singolo trasformatore lo si ha ai 3/4 del suo carico massimo.

Configurazione in parallelo [modifica]

Porre due trasformatori in parallelo è giustificato da queste esigenze:

  • Variabilità del carico: non sarà sempre richiesta la potenza nominale di progetto sulla rete (es: esigenze domestiche o industriali sono variabili a seconda delle ore della giornata) così da abbassare sensibilmente il rendimento del trasformatore quando questo lavori lontano dalle condizioni di progetto.
  • Sicurezza: nel caso di guasto di uno dei due trasformatori non risulta compromessa del tutto l'erogazione della rete (black out)
  • Manutenzione: si possono effettuare operazioni di manutenzione sui trasformatori disattivandoli alternativamente senza dover interrompere completamente l'erogazione del servizio.

Condizioni di funzionamento in parallelo [modifica]

La configurazione di due trasformatori in parallelo impone:

  1. Condizioni sulle tensioni e sulle correnti:
    \begin{cases} U_{1a}=U_{1b}=U_1\\ U_{2a}=U_{2b}=U_2\\ I_{2a}+I_{2b}= I_2 \end{cases}
  2. Che il trasformatore lavori più vicino alla condizione di massimo rendimento:
    se I_2=0 \Rightarrow I_{2a}=0, \, I_{2b}=0
  3. Dalla precedente condizione si ha che i due trasformatori lavorino entrambi alla loro potenza nominale, quella massima consentita di progetto:
    P_n=P_{na}+P_{nb}=U_{2na}I_{2na}+U_{2bn}I_{2bn}=U_{2n}(I_{2na}+I_{2bn}) \,
  4. Per poter verificare la precedente condizione si deve avere che le due correnti in uscita dai trasformatori siano in fase tra loro.
  5. I due trasformatori debbono avere i rapporti di trasformazione uguali (condizione di utilizzo a vuoto)
    n_a=n_b \,
  6. Devono avere i triangoli di corto circuito uguali (condizione di funzionamento in corto circuito).

Valori nominali dei trasformatori [modifica]

Tabella valori nominali..

U1n
tensione nominale primaria (V)

U2n
tensione nominale secondaria (V)

I1n
corrente nominale primaria (A)

I2n
corrente nominale secondaria (A)

Pn
potenza nominale (VA)

fn
frequenza nominale (Hz)

n
rapporto di trasformazione

  • Tra i valori nominali di tensione e corrente sussistono le relazioni:
    { U_{1n} \over U_{2n}} = n
    { I_{1n} \over I_{2n}} = {1 \over n}
  • La potenza nominale è legata alle tensioni e correnti nominali dalle relazioni:
  • P_n = U_{1n} I_{1n} = U_{2n} I_{2n} \, per il monofase
  • P_n = \sqrt{3}U_{1n} I_{1n} = \sqrt{3}U_{2n} I_{2n} per il trifase

Tipi [modifica]

Un trasformatore raffreddato ad olio con primario a 10 kV e secondario a 220 V, risalente agli anni sessanta

Sebbene basati sullo stesso principio, esistono trasformatori di tutte le dimensioni, da quelli grandi pochi millimetri usati in elettronica a grandi macchine alte diversi metri e con potenze di gigawatt usati nella distribuzione di energia elettrica.

La classificazione può essere fatta in base alla potenza trasferita, al rapporto di trasformazione, al fatto che primario e secondari siano isolati, al tipo di segnale su cui operano.

Di tensione (TV) [modifica]

È il trasformatore classico descritto precedentemente. La tensione sul secondario è costante e determinata dal rapporto nel numero di spire. Si può ulteriormente suddividere questa categoria in trasformatori riduttori o elevatori a seconda che il rapporto di tensione sia in aumento o in diminuzione. Gli avvolgimenti possono avere prese intermedie che permettono di decidere all'installazione tra diversi rapporti, per esempio per utilizzare una apparecchiatura su reti elettriche a diversa tensione nominale. Le prese intermedie sul secondario, oppure avvolgimenti secondari aggiuntivi, permettono di avere a disposizione diversi valori di tensione contemporaneamente.

Di isolamento [modifica]

Sono trasformatori con rapporto unitario (o leggermente maggiore per compensare le perdite) ma con isolamento elettrico tra gli avvolgimenti particolarmente curato. Sono usati per disaccoppiare la massa di un apparecchio di misura dalla massa del circuito in esame quando entrambi siano messi a terra. La separazione tra gli avvolgimenti viene generalmente assicurata mediante doppio isolamento oppure per mezzo di uno schermo metallico messo a terra.

Possono essere anche usati per aumentare la sicurezza delle apparecchiature mediche connesse alla rete, ma in questo caso il trasformatore deve essere conforme anche alla norma IEC 65558-2-15, specifica per l'applicazione in locali adibiti ad uso medico. Tra le caratteristiche peculiari, la potenza di uscita non può superare 10 kVA e, se viene utilizzato per alimentare più di un apparecchio medicale contemporaneamente, deve essere dotato di un dispositivo di controllo permanente dell'isolamento non disinseribile.

Trasformatore trifase [modifica]

Sono macchine in grado di convertire una tensione trifase e sono comunemente usati nella rete di distribuzione elettrica. Possono essere costituiti da tre trasformatori monofasi indipendenti, ma spesso sono realizzati con tre avvolgimenti primari e tre secondari montati su un unico nucleo con tre rami paralleli. Gli avvolgimenti possono essere collegati a stella (sigla Y per alta tensione - sigla y per bassa tensione), a triangolo (sigla D per alta tensione - sigla d per bassa tensione) o a zig-zag (sigla Z per alta tensione - sigla z per bassa tensione). Vengono di solito abbinati a degli Isoltester o chiamati anche Controllori di isolamento che permettono di regolare tramite pannello sinottico le varie soglie di resistenza verso terra.
Nel caso si debbano mettere in parallelo due o più trasformatori trifase bisogna, preventivamente, accertarsi che appartengano antrambi al medesimo gruppo. Il gruppo di un trasformatore trifase si definisce come l'angolo di ritardo della bassa tensione rispetto all'alta tensione assumendo come senso antiorario in senso di rotazione dei vettori di tensioni. Solo in questo caso siamo certi di non collegare in cortocircuito i due trasformatori che vogliamo mettere in parallelo. Nei trasformatori commerciali i gruppi più utilizzati sono quattro. Elenchiamoli.

  • Gruppo 0 (nessun sfasamento tra primario e secondario)
  • Gruppo 5 (sfasamento di 150° tra primario e secondario)
  • Gruppo 6 (sfasamento di 180° tra primario e secondario)
  • Gruppo 11 (sfasamento di 330° tra primario e secondario)

Questo angolo di ritardo è dovuto al diverso montaggio degli avvolgimenti del trasformatore. Per fare un semplice esempio se gli avvolgimenti sono stati collegati a stella (sia del primario che del secondario) possiamo avere un trasformatore sia con gruppo 0 sia con gruppo 6. Nel caso uno dei due sia collegato a triangolo e l'altro a stella possiamo avere un trasformatore sia con gruppo 5 sia con gruppo 11.

Autotrasformatore [modifica]


Per approfondire, vedi la voce autotrasformatore.

È un trasformatore con un unico avvolgimento a più prese intermedie.

Trasformatore variabile

Trasformatore variabile o variac [modifica]

Sono autotrasformatori in cui la presa intermedia è un contatto strisciante sull'avvolgimento primario: questi apparecchi possono fornire in uscita una tensione regolabile praticamente con continuità tra zero e il valore massimo. Il Variac è un marchio registrato da General Radio.

Di corrente (TA) [modifica]

Forniscono sul secondario una corrente proporzionale alla corrente circolante nel primario. Sono spesso usati nei sistemi di misura per correnti elevate al fine di ridurle a valori più facilmente misurabili. Sono costituiti da un nucleo toroidale al cui interno passa il cavo (anche isolato) su cui compiere la misura e su cui è avvolto il filo del secondario. È importante che il secondario sia sempre in cortocircuito sullo strumento di misura per evitare la formazione di tensioni pericolosamente elevate. Sono usati nei sensori di una pinza amperometrica.

A corrente costante [modifica]

Questi trasformatori mantengono costante entro certi limiti la corrente fornita sul secondario piuttosto che la tensione. In pratica la tensione prodotta si regola automaticamente per mantenere una corrente costante sul carico. Sono costituiti da nucleo interrotto da un traferro la cui apertura è regolata da una sezione mobile del nucleo tirata da un contrappeso. La presenza del traferro determina un aumento della riluttanza, ovvero il rapporto tra la forza magnetomotrice generata dal primario e il flusso di induzione prodotto nel nucleo.

Quando il circuito secondario assorbe troppa corrente, le forze elettromagnetiche provocano l'allargamento del traferro, da cui ne deriva una diminuzione del flusso e quindi la diminuzione della tensione indotta.

Questi trasformatori sono usati per alimentare le lampade di illuminazione pubblica collegate in serie a corrente costante.

Versioni con traferro regolabile manualmente sono usati nelle saldatrici elettriche: in questo caso l'apertura del traferro non è automatica ma impostata dall'utilizzatore con una manopola. La corrente è quindi limitata ad un valore prefissato ma non regolata.

Risonante [modifica]

Un trasformatore risonante opera alla frequenza di risonanza di uno (o più) avvolgimenti, solitamente il secondario, sfruttando la capacità parassita fra una spira e l'altra dell'avvolgimento. Se il primario è alimentato con una tensione periodica ad onde quadre o dente di sega, ad ogni impulso viene fornita energia sul secondario, che sviluppa progressivamente una tensione molto elevata alla frequenza di risonanza del circuito oscillante. La tensione prodotta è limitata da fenomeni di scarica distruttiva fra le spire dell'avvolgimento risonante e la corrente è molto più elevata di quella ottenuta dai generatori elettrostatici come il Generatore Van de Graaff e il Generatore Wimshurst. Di solito questi trasformatori lavorano a frequenze piuttosto elevate, per cui non hanno bisogno di nucleo magnetico. La bobina di Tesla è un tipico trasformatore risonante.

Di impulso [modifica]

Un trasformatore di impulso è ottimizzato per trasferire un impulso rettangolare. Modelli di piccola potenza (detti di segnale) sono usati in elettronica digitale e telecomunicazioni, in genere per adattare i circuiti alle linee di trasmissione e per attivare triac o scr. Modelli di medie dimensioni sono usati per controlli su circuiti di potenza, come per esempio per innescare i flash fotografici.

Per limitare la distorsione nella forma dell'impulso, il trasformatore deve avere basse perdite, bassa capacità distribuita ed alta induttanza a circuito aperto. Nei modelli di potenza deve essere bassa la capacità di accoppiamento tra primario e secondario, per proteggere i circuiti collegati al primario dagli impulsi di elevata tensione creati dal carico. Per la stessa ragione deve essere elevato l'isolamento.

La qualità di un trasformatore di impulso è determinabile con il prodotto tra la tensione di picco e la durata dell'impulso (o più esattamente l'integrale dell'impulso). Più alto è il valore, maggiore è il costo del trasformatore.

D'uscita [modifica]

Questo tipo di trasformatore è utilizzato solitamente come adattatore d'impedenza. Normalmente è usato negli amplificatori audio valvolari per adattare l'alta impedenza dei tubi d'uscita con la bassa impedenza dell'altoparlante. Infatti, solitamente, per questo tipo di trasformatori non viene definito direttamente il rapporto di trasformazione N delle tensioni ma il rapporto delle impedenze tra primario e secondario. Dal punto di vista matematico risulta che:

Z_1/Z_2 = N^2 \,

con Z_1\, e Z_2\, le impedenze del primario e del secondario.
Inoltre, in questa specifica applicazione, svolge anche il compito di separare la componente continua da quella alternata. Dal punto di vista costruttivo è come un normale trasformatore monofase con degli accorgimenti particolari. Prima di tutto il materiale dei lamierini: si usano solitamente lamierini con percentuale di silicio, però a grani orientati, oppure altri materiali più costosi (permalloy, etc.). Un altro accorgimento che si pratica è quello di intercalare il primario con il secondario, in modo tale da aumentare l'accoppiamento tra gli avvolgimenti e diminuire la capacità parassita (e quindi estendere la banda passante) degli avvolgimenti. Nei trasformatori d'uscita per stadi single end occorre aggiungere del traferro (aria o carta) al nucleo in modo tale da evitare premature saturazioni, visto che in questa configurazione l'avvolgimento primario è attraversato dalla corrente continua del tubo in un solo senso e non in due (ma opposti) come in quelli per push-pull, i quali non richiedono il traferro. In un amplificatore audio è un componente fondamentale, in quanto se di scarsa qualità può limitare pesantemente le prestazioni.

Rotante [modifica]

Parte fissa di un trasformatore rotante a 6 canali usato in un videoregistratore a 6 testine.

Parte rotante del trasformatore, con visibili tre delle sei testine.

Un trasformatore rotante è un tipo specializzato di trasformatore, usato per accoppiare segnali elettrici tra due parti rotanti tra di loro. un trasformatore rotante permette di superare i difetti tipici degli anelli collettori, come attrito, frizione, intermittenza del contatto e limitazione della velocità di rotazione.

Un trasformatore rotante è costruito con gli avvolgimenti primari e secondari in metà separate, montate poi una di fronte all'altra. La connessione tra le due metà degli avvolgimenti è assicurata dal flusso magnetico che fornisce l'induttanza reciproca dal primario al secondario.

L'uso più comune dei trasformatori rotanti è nei videoregistratori, per la trasmissione dei segnali di pilotaggio delle testine video montate su un tamburo rotante. La maggior parte dei videoregistratori richiede più di un segnale, e in questo caso si usano trasformatori rotanti a più canali, con più avvolgimenti concentrici. Nella foto si vede un trasformatore rotante con 6 avvolgimenti individuali.

Un altro uso è per trasmettere segnali dai sensori di coppia sui motori elettrici, per controllarne la velocità e la coppia generata tramite feedback.

Ricerca [modifica]

Fino al 1965 è stata opinione scientificamente condivisa che il trasformatore in corrente continua fosse impossibile da realizzare, in quell'anno un gruppo di ricercatori della General Electric guidati dal premio Nobel (1973) Ivar Giaever riuscirono nell'impresa, come conseguenza di studi sulla superconduttività a bassa temperatura. L'applicabilità pratica e su larga scala di questa scoperta comunque non è ancora stata conseguita, gli studi intanto proseguono nel campo della superconduttività ad alta temperatura.

Voci correlate [modifica]

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