Trasformatori: classificazioni e campi d’impiego

Trasformatori: classificazioni e campi d’impiego

Il trasformatore è una macchina elettrica che trasferisce energia elettrica in corrente alternata (mono o polifase) da un circuito a un altro, adattando i livelli di tensione e di corrente (frequenza invariata) con potenza idealmente costante al netto delle perdite.
L’importanza del trasformatore (simbolo tipico in Figura 1) si coglie bene con un esempio pratico.

Una potenza elettrica di 5.500 kW deve essere fornita a un carico a 100 km. Con una tensione di 220 V e cos :

Per limitare la caduta di tensione al 10% servirebbe (a conti fatti) una sezione in rame dell’ordine di 4 m², irrealistica.
Per trasmettere la stessa potenza con sezioni e cadute accettabili si usano tensioni molto più alte e correnti più basse:
con 220 kV la corrente scende a circa 25 A e la sezione a pochi mm².
Ecco perché si impiegano trasformatori elevatori in partenza e abbassatori in arrivo, fino ai valori d’uso (tipicamente 230/400 V nella distribuzione a bassa tensione).
I trasformatori trovano impiego dalle reti di distribuzione (adattamento a 230 V per utenze e apparecchi) ai circuiti di misura e comando, dai segnali a poche decine di volt fino a dispositivi per tensioni molto elevate (insegne, accensioni, ecc.).

Classificazioni

Per potenza nominale si usano spesso queste fasce indicative:

• piccoli trasformatori – fino a ~16 kVA;
• trasformatori di rete/da distribuzione – fino a ~1.600 kVA;
• grandi trasformatori – da ~2.000 kVA (2 MVA) sino ai massimi industriali.

Per il sistema di raffreddamento la classificazione orientativa seguente lega tecniche costruttive e ordini di grandezza di potenza.

Per il tipo di corrente: si distinguono trasformatori monofasi (misure, segnalazioni, comandi, applicazioni speciali come saldatrici o illuminazione in serie a corrente costante)
e trifasi (potenza: alimentazione di utenze/stabilimenti, trasmissione, forni, trazione elettrica).

Struttura essenziale e principio

Il trasformatore è costituito da due avvolgimenti elettricamente separati (primario – quello a cui viene fornita energia – e secondario) avvolti su un nucleo ferromagnetico.
L’energia passa dall’uno all’altro per mutua induzione: il flusso magnetico nel nucleo si concatena con entrambi i circuiti.
Il nucleo offre una via a bassa riluttanza al flusso; forma, struttura e dimensioni del nucleo sono centrali nel progetto.

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.

Figura 4 – Diagramma del trasformatore ideale a vuoto

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.

F.e.m. indotta e rapporto di trasformazione

Per flusso sinusoidale , la f.e.m. per spira vale:

Nel trasformatore ideale a vuoto le f.e.m. sono proporzionali ai rispettivi numeri di spire; il rapporto di trasformazione indica quante volte la tensione del secondario è maggiore (o minore) di quella del primario.