Trasformatore
left|Simbolo circuitale del trasformatore
Threephasepolemountclose.jpg
Il trasformatore è una macchina elettrica statica 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. Il carattere statico della macchina è dovuto alla mancanza di organi in movimento. Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata in quanto sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili.
Il trasformatore ha una importanza rilevante sotto il punto di vista tecnologico e pratico, importanza che si basa principalmente sulla necessità di avere l'energia elettrica con parametri di tensione e corrente molto differenti a seconda dell'esigenza.
| Indice |
Introduzione
Le enormi quantità di energia elettrica richieste dalla società moderna fa si 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] Watt) la quale può aggirarsi 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. Tale energia prodotta 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
dove 
è il correttivo dovuto allo sfasamento.
Ciò significa che a parità di potenza aumentando la tensione V diminuisce la corrente I. 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 se 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 conveniente 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 dei esercizio degli impianti elettrici ovvero:
- 230 V tensione per usi domestici
- 400 V tensione per uso industriale
- 20/15 kV (15000-20000 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)
I trasformatori sono in grado di trasformare anche tensioni di livello molto basso, anche se la tendenza attuale è quella di utilizzare sempre più diffusamente trasformatori elettronici (vedi oltre), molto più leggeri e più economici (ad esempio i trasformatori per i carica batteria dei cellulari o dei computer portatili).
Invenzione
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
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 no 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 campo magnetico 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:
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.
Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del nucleo è data dalla relazione:
- E = 4.44 * F * n * a * b
Dove E è il valore efficace (RMS) della tensione indotta, F è la frequenza in Hertz, n è il numero di spire, a è la superficie della sezione del nucleo e b è la densità di flusso in Weber. Il valore 4,44 deriva da diverse costanti richieste dalle unità di misura usate.
Trasformatore reale
Ölgekühlter_Transformator_ohne_Gehäuse.jpg
Un 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:
- Vp × Ip = Vs × Is
Supponendo di avere un trasformatore con rapporto di trasformazione pari a due, a cui sia applicato sull'avvolgimento maggiore una tensione di 200 V. Sul secondario si avranno 100 V. Assorbendo dal secondario 1 A ovvero una potenza è di 100 W, la corrente assorbita dal primario dovrà essere 0,5 A.
Un trasformatore reale però non è una macchina perfetta e per questo presenta delle perdite, ovvero la potenza assorbita sul primario è sempre superiore a quella fornita dal secondario. I diversi motivi di perdita sono:
- Effetto Joule prodotto dalla corrente che scorre negli avvolgimenti;
- Induzione di correnti parassite nel nucleo che possono a loro volta dissipare energia per effetto Joule;
- Perdita di flusso magnetico al di fuori del nucleo che può indurre correnti su oggetti vicini al trasformatore;
- Perdite per isteresi magnetica;
- Perdite per movimenti meccanici dovuti a forze magnetiche o magnetostrizione, solitamente percettibili come il classico ronzio del trasformatore;
Per ovviare al primo problema si adottano fili in rame di opportuna sezione, che offrano la minore resistenza possibile per la corrente massima prevista in quell'avvolgimento. Il limite alla sezione è determinato dalle difficoltà di avvolgere i fili, nonché dalla dimensione, peso e costo dell'apparecchio finito.
Per contrastare gli altri problemi si devono progettare nuclei che costituiscano un circuito magnetico chiuso, il più possibilmente simile ad un anello e con materiali ferromagnetici idonei. Gli avvolgimenti devono essere montati ben compatti e non devono essere presenti parti mobili che possano vibrare.
La forma può essere quella di un toro (trasformatori toroidali) oppure, più comunemente, quadrata o di due rettangoli uniti per un lato. In questo caso gli avvolgimenti sono posti sul lato comune. Il nucleo non è realizzato in metallo compatto, ma è costituito da sottili lamierini incollati a formare pacchetti. Questo ha lo scopo di impedire che nel nucleo circolino correnti parassite. nei trasformatori operanti a frequenze elevate, il nucleo è costituito da polveri metalliche agglomerate con collanti.
I trasformatori più grandi hanno un rendimento del 98% circa. Il 2% della potenza dissipata è comunque notevole e spesso sono richiesti sistemi di raffreddamento come radiatori a olio e ventilatori. La potenza assorbita da queste funzioni accessorie è considerata tra le perdite.
Trasformatori più piccoli hanno rendimenti inferiori, intorno al 85%.
Tipi
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
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
Sono trasformatori con rapporto unitario (o leggermente maggiore per compensare le perdite) ma con isolamento elettrico tra gli avvolgimenti particolarmente curato. Sono usati per esempio per disaccoppiare la massa di un apparecchio di misura dalla massa del circuito in esame quando entrambi siano messi a terra. Sono anche usati per aumentare la sicurezza delle apparecchiature mediche connesse alla rete.
Trifase
Sono macchine in grado di convertire una tensione trifase e sono comunemente usati nella rete di distribuzione elettrica. Possono essere costituiti da tre trasformatori semplici 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 o a triangolo.
Variabile
Hanno uno degli avvolgimenti con diverse prese intermedie che possono essere connesse all'uscita con un commutatore rotativo, in modo potere variare rapidamente la tensione senza rifare i collegamenti. Un tipo particolare è il Variac (marchio registrato da General Radio) in cui un avvolgimento presenta una striscia libera da isolante su cui scorre un cursore manovrato da una manopola. Questo apparecchio può fornire in uscita una tensione regolabile praticamente con continuità tra zero e il valore massimo.
Autotraformatore
È un trasformatore con un unico avvolgimento a più prese intermedie. vedi Autotrasformatore.
Di corrente
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.
A corrente costante
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
Un trasformatore risonante opera alla frequenza di risonanza di uno (o più) avvolgimenti, solitamente il secondario. Questo avvolgimento agisce come un induttore che connesso in serie ad un condensatore costituisce un circuito RLC. 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 disruttiva nel dielettrico e la corrente è molto più elevata di quella ottenuta dai generatori elettrostatici come il Generatore Van de Graaff e il GeneratoreWimshurst. Lavorando a frequenze elevato il nucleo può essere ridotto o eliminato del tutto in alcuni casi, riducendo le perdite e consentendo un maggiore isolamento in aria. La bobina di Tesla è un tipico trasformatore risonante.
Un altro esempio è il trasformatore flyback usato per generare l'alta tensione necessaria ad alimentare il tubo catodico nel televisore.
Nelle radio a supereterodina sono usati trasformatori risonanti di accoppiamento tra i diversi stadi a media frequenza.
Gli stabilizzatori di elettricità a risonanza sfruttano un avvolgimento risonante per mandare in saturazione il nucleo ad ogni ciclo della tensione alternata, in modo da ottenere in uscita una tensione stabilizzata indipendente da quella di ingresso. A causa delle perdite per isteresi l'efficienza di questi dispositivi è bassa.
Di impulso
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. 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.
Elettronico
Sempre più in uso nella tecnica quotidiana è il trasformatore elettronico. Si tratta di un dispositivo contenete un trasformatore risonante ad alta frequenza e tutti i circuiti necessari per fornire in uscita una tensione prefissata. I vantaggi di questo sistema sono:
- Dimensioni e peso molto ridotti a parità di potenza;
- Tensione in uscita raddrizzata e stabilizzata;
- Possibile protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti;
- Adattamento automatico su una ampia gamma di valori della tensione di ingresso;
- Minor costo rispetto ad un trasformatore ordinario;
Questi trasformatori sono ampiamente usati in personal computer, caricabatterie per telefono cellulare, alimentatori per lampade fluorescenti e lampade alogene ecc.