Trasformatori: classificazioni e campi d’impiego

Il trasformatore è una macchina elettrica che permette il trasferimento di energia elettrica, sotto forma di correnti alternate monofasi o polifasi, da un circuito elettrico ad un altro modificando i parametri della potenza, tensione e corrente. Da ciò appunto il nome di trasformatore.

L’importanza del trasformatore, (il suo simbolo grafico è generalmente quello riportato in Figura 1), può essere evidenziata con un esempio.


trasformatore

 

Una potenza elettrica di 5.500 kW deve essere fornita ad un carico a una distanza di 100 km.

Con una tensione di 220 V e cos φ = 1, otterremo una intensità di corrente I = 25 kA:

i25000

Per avere una caduta di tensione solo del 10%, a causa della resistenza del conduttore troviamo (eseguendo gli opportuni calcoli) che dovremmo installare un conduttore di rame con sezione di circa 4 m2; il che è praticamente impossibile.

Affinché la potenza possa essere sia con sezioni di conduttori che con cadute di tensione accettabili dobbiamo usare tensioni più alte e intensità di corrente più basse: usando una tensione di 220 kV, per esempio otteniamo una intensità di corrente di 25 A e una sezione di conduttore di circa 4 mm2, valori più che accettabili.

Possiamo quindi affermare che grandi potenze possono essere trasmesse in modo economico, usando tensioni alte e correnti piccole.

Poiché i generatori di energia elettrica non possono, per ragioni costruttive, fornire tensioni molto elevate e l’energia elettrica non può essere utilizzata ad alta tensione, si ricorre allora al trasformatore. Nelle centrali vengono installati uno o più trasformatori elevatori che portano la tensione a valori molto alti, abbassando quindi la corrente. Alla fine della linea di trasmissione si installano trasformatori abbassatori che riportano la tensione ad un valore adatto per la distribuzione. Altri trasformatori abbassatori, poi, sono posti nelle cabine o presso gli utenti per portare la tensione ad un valore direttamente utilizzabile (380, 220 V).

I trasformatori vengono quindi usati in svariate applicazioni: per trasformare la tensione della rete di distribuzione cittadina a quella di 220 V necessaria per alimentare apparecchi di illuminazione o elettrodomestici, per alimentare segnali acustici e luminosi che funzionano a poche decine di volt, oppure per alimentare insegne luminose o apparecchi che funzionano a tensione elevatissima.

I trasformatori possono essere classificati in base alla potenza, al sistema di raffreddamento e al tipo di corrente. In base alla potenza possiamo distinguere:

  • piccoli trasformatori – per potenze sino a 16 kVA;
  • trasformatori di rete o da distribuzione – per potenze sino a 1.600 kVA;
  • grandi trasformatori - per potenze da circa 2.000 kVA (2 MVA);

sino ai più grossi finora costruiti (ad esempio 1.000 MVA).

La Tabella 1 mette in relazione in maniera più articolata gli ordini di grandezza delle potenze dei diversi trasformatori con i relativi sistemi di raffreddamento adottati.

La classificazione è da intendersi orientativa e serve appunto a fornire degli ordini di grandezza.

 

Tabella 1. Classificazione dei trasformatori in relazione al sistema di raffreddamento

Tipo

Caratteristiche

Raffreddamento

Ordini di grandezza dei limiti di potenza nominale

In aria

Le parti attive (nucleo ed avvolgimenti) non sono immerse in olio. Il calore è asportato dalla circolazione dell’aria.

Naturale (moto ascensionale dell’aria riscaldata dal calore prodotto dalla macchina).

Dalle piccolissime potenze fino a circa 150 kVA.

Forzato (con apposito ventilatore che forza la circolazione

dell’aria). Sistema usato solamente in casi rarissimi e per poche applicazioni speciali.

Per potenze fino circa 1.000 kVA.

In olio

Le parti attive sono immerse in olio. Il calore prodotto dalle parti attive viene trasmesso dall’olio e da questo alla cassa.

Naturale

(come sopra)

a cassa liscia

a cassa ondulata

a cassa con radiatori

50 ÷ 100 kVA

100 ÷ 1.000 kVA

1.000 ÷ 30.000 kVA

 

Artificiale

con aria soffiata (con ventilatori).

Con acqua (l’olio viene raffreddato con scambiatori di calore posti all’esterno della cassa.

Adottati fino alle massime potenze.

 

Per quanto riguarda poi il tipo di corrente che li alimenta, i trasformatori sono suddivisi in monofasi e trifasi.

Sono monofasi quelli impiegati per circuiti di misura nell’alimentazione di amperometri, voltmetri, wattmetri, ecc..., nei casi in cui la corrente e la tensione da misurare hanno valori elevati: monofasi sono i trasformatori che alimentano circuiti di segnalazione e di comando. Infine esistono trasformatori monofasi per impieghi speciali quali l’illuminazione stradale in serie (a corrente costante) o per saldatrici, ecc...

Sono invece trifasi i trasformatori di potenza come quelli che alimentano stabilimenti industriali o utenze domestiche, e quelli per il trasporto dell’energia, impiegati in applicazioni particolari quali l’alimentazione di forni o per trazione elettrica.

In Figura 2 è riportato lo schema di un trasformatore, o meglio di un trasformatore ridotto alla sua più semplice espressione. Malgrado, comunque, non sia un tipo utilizzato nella pratica industriale, può servire ottimamente a fissare le idee su quelle che sono le parti essenziali e il funzionamento di ogni trasformatore per complesso che sia.

 

strutturaTrasformatore

 

Esso è formato da due avvolgimenti separati elettricamente e avvolti su un nucleo di ferro: quello a cui viene fornita energia, chiamato avvolgimento primario e quello dal quale si ricava energia, secondario.

Durante il funzionamento, avviene un passaggio di energia, da uno all’altro dei circuiti che, essendo questi elettricamente separati, è dovuto all’effetto di mutua induzione: è un flusso magnetico concatenato con en­trambi i circuiti che fa da intermediario.

Ecco quindi la funzione del nucleo di ferro: quella di offrire la via al flusso in modo che si concateni con i due circuiti. Possiamo dire che tutta l’efficienza di un trasformatore risiede nel suo nucleo; la forma, la struttura, le dimensioni di questo sono alla base del progetto di qualsiasi trasformatore.

Osserviamo per esempio i due nuclei riportati in Figura 3.

 

traferro

 

Nel primo il circuito magnetico ha una riluttanza bassissima quindi il flusso circola agevolmente; nel secondo, invece, la presenza dello strato d’aria (traferro) dà luogo a riluttanza elevata che limita l’intensità di flusso.

Se l’avvolgimento primario, con numero di spire N1, è collegato a una sorgente di tensione alternata V1, questa produce un flusso magnetico alternato nel ferro che, a sua volta, concatenandosi con il secondario (numero di spire N2), induce in esso una f.e.m. avente il medesimo periodo.

Questa f.e.m. ha valore nullo quando il flusso assume valore massimo (istante di variazione nullo del flusso) e viceversa ha valore massimo in corrispondenza ai punti di flusso nullo (nei quali la variazione di flusso avviene più rapidamente); essa è quindi sfasata di 90° in ritardo rispetto al flusso.

Il flusso inoltre si trova anch’esso sfasato in ritardo rispetto alla tensione che lo provoca e cioè rispetto alla tensione applicata al circuito primario.

Possiamo perciò riassumere nel modo seguente la situazione che si presenta a regime a circuito secondario aperto.

Circuito primario: una tensione variabile applicata all’ingresso crea un flusso alternato in ritardo di 90°, che a sua volta determina una f.e.m. indotta in ritardo di 90° sul flusso e cioè in opposizione alla tensione primaria e del medesimo valore di questa. In tali condizioni evidentemente nel circuito non può circolare corrente.

Circuito secondario: la variazione di flusso determina una f.e.m. variabile in ritardo di 90° su questo e cioè in opposizione con la tensione primaria applicata. Il circuito secondario è aperto e quindi non si ha circolazione di corrente. Se rappresentiamo in un diagramma vettoriale questa situazione otteniamo la Figura 4.

Osserviamo che il trasformatore non può funzionare in corrente continua; infatti per quanto visto, si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica e, avendo gli avvolgimenti fissi è necessario che vi sia una variazione nel flusso per indurre una f.e.m. negli avvolgimenti.

Ritornando alla struttura del trasformatore ideale, il valore della f.e.m. indotta in una spira del primario o del secondario, come visto a suo tempo riguardo alla generazione di f.e.m. sinusoidali, vale:

Em = 4 · f · Φ

Poiché, però, il rapporto fra il valore efficace e il valore medio di una grandezza alternata sinusoidale è di 1,11, abbiamo il valore efficace della f.e.m. indotta in una spira:

E = 1,11 Em = 1,11 · 4 · f · Φ =4,44 · f · Φ

Poiché l’avvolgimento primario è composto da N1 spire e il secondario da N2 spire tra loro in serie, si sommano le f.e.m. indotte in esse, per cui gli avvolgimenti primario e secondario diventano sedi delle seguenti f.e.m.:

E1 = 4,44 · f · Φ· N1 al primario

E2 = 4,44 · f · Φ· N2 al secondario

Dal loro rapporto otteniamo:

kappa

Possiamo dire quindi che in un trasformatore senza carico (a vuoto) le f.e.m. indotte sono proporzionali ai rispettivi numeri di spire.

Il rapporto tra le f.e.m. indotte e fra il numero di spire si indica con k e viene definito rapporto di trasformazione.

Esso indica che se al secondario si vuole una tensione di valore k volte maggiore o minore di quella al primario, si deve fare l’avvolgimento secondario con un numero di spire k volte maggiore (o minore) dell’avvolgimento primario.

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Affinché la potenza possa essere sia con sezioni di conduttori che con cadute di tensione accettabili dobbiamo usare tensioni più alte e intensità di corrente più basse: usando una tensione di 220 kV, per esempio otteniamo una intensità di corrente di 25 A e una sezione di conduttore di circa 4 mm2, valori più che accettabili. Possiamo quindi affermare che grandi potenze possono essere trasmesse in modo economico, usando tensioni alte e correnti piccole. Poiché i generatori di energia elettrica non possono, per ragioni costruttive, fornire tensioni molto elevate e l’energia elettrica non può essere utilizzata ad alta tensione, si ricorre allora al trasformatore. Nelle centrali vengono installati uno o più trasformatori elevatori che portano la tensione a valori molto alti, abbassando quindi la corrente. Alla fine della linea di trasmissione si installano trasformatori abbassatori che riportano la tensione ad un valore adatto per la distribuzione. Altri trasformatori abbassatori, poi, sono posti nelle cabine o presso gli utenti per portare la tensione ad un valore direttamente utilizzabile (380, 220 V). I trasformatori vengono quindi usati in svariate applicazioni: per trasformare la tensione della rete di distribuzione cittadina a quella di 220 V necessaria per alimentare apparecchi di illuminazione o elettrodomestici, per alimentare segnali acustici e luminosi che funzionano a poche decine di volt, oppure per alimentare insegne luminose o apparecchi che funzionano a tensione elevatissima. I trasformatori possono essere classificati in base alla potenza, al sistema di raffreddamento e al tipo di corrente. In base alla potenza possiamo distinguere: piccoli trasformatori – per potenze sino a 16 kVA; trasformatori di rete o da distribuzione – per potenze sino a 1.600 kVA; grandi trasformatori - per potenze da circa 2.000 kVA (2 MVA); sino ai più grossi finora costruiti (ad esempio 1.000 MVA). La Tabella 1 mette in relazione in maniera più articolata gli ordini di grandezza delle potenze dei diversi trasformatori con i relativi sistemi di raffreddamento adottati. La classificazione è da intendersi orientativa e serve appunto a fornire degli ordini di grandezza.   Tabella 1. Classificazione dei trasformatori in relazione al sistema di raffreddamento Tipo Caratteristiche Raffreddamento Ordini di grandezza dei limiti di potenza nominale In aria Le parti attive (nucleo ed avvolgimenti) non sono immerse in olio. Il calore è asportato dalla circolazione dell’aria. Naturale (moto ascensionale dell’aria riscaldata dal calore prodotto dalla macchina). Dalle piccolissime potenze fino a circa 150 kVA. Forzato (con apposito ventilatore che forza la circolazione dell’aria). Sistema usato solamente in casi rarissimi e per poche applicazioni speciali. Per potenze fino circa 1.000 kVA. In olio Le parti attive sono immerse in olio. Il calore prodotto dalle parti attive viene trasmesso dall’olio e da questo alla cassa. Naturale (come sopra) a cassa liscia a cassa ondulata a cassa con radiatori 50 ÷ 100 kVA 100 ÷ 1.000 kVA 1.000 ÷ 30.000 kVA   Artificiale con aria soffiata (con ventilatori). Con acqua (l’olio viene raffreddato con scambiatori di calore posti all’esterno della cassa. Adottati fino alle massime potenze.   Per quanto riguarda poi il tipo di corrente che li alimenta, i trasformatori sono suddivisi in monofasi e trifasi. Sono monofasi quelli impiegati per circuiti di misura nell’alimentazione di amperometri, voltmetri, wattmetri, ecc..., nei casi in cui la corrente e la tensione da misurare hanno valori elevati: monofasi sono i trasformatori che alimentano circuiti di segnalazione e di comando. Infine esistono trasformatori monofasi per impieghi speciali quali l’illuminazione stradale in serie (a corrente costante) o per saldatrici, ecc... Sono invece trifasi i trasformatori di potenza come quelli che alimentano stabilimenti industriali o utenze domestiche, e quelli per il trasporto dell’energia, impiegati in applicazioni particolari quali l’alimentazione di forni o per trazione elettrica. In Figura 2 è riportato lo schema di un trasformatore, o meglio di un trasformatore ridotto alla sua più semplice espressione. Malgrado, comunque, non sia un tipo utilizzato nella pratica industriale, può servire ottimamente a fissare le idee su quelle che sono le parti essenziali e il funzionamento di ogni trasformatore per complesso che sia.     Esso è formato da due avvolgimenti separati elettricamente e avvolti su un nucleo di ferro: quello a cui viene fornita energia, chiamato avvolgimento primario e quello dal quale si ricava energia, secondario. Durante il funzionamento, avviene un passaggio di energia, da uno all’altro dei circuiti che, essendo questi elettricamente separati, è dovuto all’effetto di mutua induzione: è un flusso magnetico concatenato con en­trambi i circuiti che fa da intermediario. Ecco quindi la funzione del nucleo di ferro: quella di offrire la via al flusso in modo che si concateni con i due circuiti. Possiamo dire che tutta l’efficienza di un trasformatore risiede nel suo nucleo; la forma, la struttura, le dimensioni di questo sono alla base del progetto di qualsiasi trasformatore. Osserviamo per esempio i due nuclei riportati in Figura 3.     Nel primo il circuito magnetico ha una riluttanza bassissima quindi il flusso circola agevolmente; nel secondo, invece, la presenza dello strato d’aria (traferro) dà luogo a riluttanza elevata che limita l’intensità di flusso. Se l’avvolgimento primario, con numero di spire N1, è collegato a una sorgente di tensione alternata V1, questa produce un flusso magnetico alternato nel ferro che, a sua volta, concatenandosi con il secondario (numero di spire N2), induce in esso una f.e.m. avente il medesimo periodo. Questa f.e.m. ha valore nullo quando il flusso assume valore massimo (istante di variazione nullo del flusso) e viceversa ha valore massimo in corrispondenza ai punti di flusso nullo (nei quali la variazione di flusso avviene più rapidamente); essa è quindi sfasata di 90° in ritardo rispetto al flusso. Il flusso inoltre si trova anch’esso sfasato in ritardo rispetto alla tensione che lo provoca e cioè rispetto alla tensione applicata al circuito primario. Possiamo perciò riassumere nel modo seguente la situazione che si presenta a regime a circuito secondario aperto. Circuito primario: una tensione variabile applicata all’ingresso crea un flusso alternato in ritardo di 90°, che a sua volta determina una f.e.m. indotta in ritardo di 90° sul flusso e cioè in opposizione alla tensione primaria e del medesimo valore di questa. In tali condizioni evidentemente nel circuito non può circolare corrente. Circuito secondario: la variazione di flusso determina una f.e.m. variabile in ritardo di 90° su questo e cioè in opposizione con la tensione primaria applicata. Il circuito secondario è aperto e quindi non si ha circolazione di corrente. Se rappresentiamo in un diagramma vettoriale questa situazione otteniamo la Figura 4. Osserviamo che il trasformatore non può funzionare in corrente continua; infatti per quanto visto, si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica e, avendo gli avvolgimenti fissi è necessario che vi sia una variazione nel flusso per indurre una f.e.m. negli avvolgimenti. Ritornando alla struttura del trasformatore ideale, il valore della f.e.m. indotta in una spira del primario o del secondario, come visto a suo tempo riguardo alla generazione di f.e.m. sinusoidali, vale: Em = 4 · f · Φ Poiché, però, il rapporto fra il valore efficace e il valore medio di una grandezza alternata sinusoidale è di 1,11, abbiamo il valore efficace della f.e.m. indotta in una spira: E = 1,11 Em = 1,11 · 4 · f · Φ =4,44 · f · Φ Poiché l’avvolgimento primario è composto da N1 spire e il secondario da N2 spire tra loro in serie, si sommano le f.e.m. indotte in esse, per cui gli avvolgimenti primario e secondario diventano sedi delle seguenti f.e.m.: E1 = 4,44 · f · Φ· N1 al primario E2 = 4,44 · f · Φ· N2 al secondario Dal loro rapporto otteniamo: Possiamo dire quindi che in un trasformatore senza carico (a vuoto) le f.e.m. indotte sono proporzionali ai rispettivi numeri di spire. Il rapporto tra le f.e.m. indotte e fra il numero di spire si indica con k e viene definito rapporto di trasformazione. Esso indica che se al secondario si vuole una tensione di valore k volte maggiore o minore di quella al primario, si deve fare l’avvolgimento secondario con un numero di spire k volte maggiore (o minore) dell’avvolgimento primario. Powered By GSpeech