Il trasformatore è uno dei componenti fondamentali dell'elettrotecnica. Si tratta di una macchina elettrica statica, priva cioè di elementi in movimento, il trasformatore più semplice è costituito da due conduttori elettrici avvolti su un anello di materiale ferromagnetico detto nucleo magnetico. È reversibile, nel senso che può funzionare anche invertendo il primario con il secondario e viceversa. La sua funzione è trasformare la potenza elettrica in corrente alternata, modificando i valori di tensione e di corrente con cui questa potenza elettrica viene resa disponibile all'utilizzatore.
Un trasformatore è una macchina elettrica composta nella sua minima forma da:
- Un avvolgimento di filo di rame isolato (smaltato) che viene alimentato con una tensione alternata detto primario.
- Un avvolgimento di filo di rame isolato (smaltato) su cui viene prelevata una tensione, detto secondario.
- Un nucleo di materiale ferromagnetico composto da lamierini sovrapposti, buon conduttore di flusso magnetico, detto nucleo.
L'avvolgimento al quale viene fornita energia viene detto primario, mentre quello dalla quale l'energia è prelevata è detto secondario. Il nucleo ha il compito di indirizzare il campo magnetico in modo da ottimizzare l’accoppiamento magnetico tra gli avvolgimenti. Nel disegno in alto si possono notare l'avvolgimento primario, il secondario e il nucleo magnetico dove passa il flusso magnetico.
Principi Teorici di Funzionamento
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. Il principio di funzionamento del trasformatore si basa sull’induzione elettromagnetica tra circuiti mutuamente accoppiati. Da questo si può facilmente capire che il trasformatore non può funzionare con alimentazioni in corrente continua.
La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario secondo la relazione: Vp/Vs=Np/Ns=Kt (dove Vp è la tensione del primario, Vs la tensione del secondario, Np numero spire primario, Ns numero spire secondario, Kt rapporto di trasformazione). In definitiva trasforma l'energia elettrica in energia magnetica e poi di nuovo in energia elettrica. Può svolgere ruoli diversi: isolamento galvanico, adattamento di impedenza (come nel caso dell'uscita dell'amplificatore valvolare), etc.
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Il Trasformatore Ideale e Reale
Per comprendere appieno le prestazioni dei trasformatori reali, è utile confrontarli con un modello ideale. In un trasformatore ideale, si ritengono nulle le resistenze Ohmniche degli avvolgimenti primario e secondario. Il flusso magnetico è completamente concatenato con i due avvolgimenti (non ci sono flussi magnetici dispersi). Inoltre, non vi sono perdite nel ferro (correnti di Foucault), non ci sono perdite per isteresi magnetica (la curva di magnetizzazione è perfettamente lineare) e la riluttanza del circuito magnetico è nulla (il flusso magnetico non incontra nessuna resistenza nell'attraversare il ferro).
Tuttavia, nella realtà, un trasformatore reale presenta diverse limitazioni e perdite. Per studiarlo ci occorre un modello più rispondente alla realtà, in cui vengono prese in considerazione tutte le perdite. Le differenze fra il trasformatore ideale e quello reale condizionano pesantemente il suo impiego complicandone la realizzazione. Le perdite principali includono le perdite nel rame (dovute alla resistenza degli avvolgimenti), i flussi magnetici dispersi (non concatenati) e le perdite nel ferro (correnti di Foucault e isteresi magnetica).
Il Ruolo Cruciale del Nucleo Lamellare: Riduzione delle Correnti di Foucault
I materiali ferromagnetici, oltre a presentare delle eccellenti proprietà di permeabilità magnetica, sono anche degli ottimi conduttori elettrici e quindi si prestano molto bene ad essere attraversati da cariche elettriche (correnti). Se consideriamo, ad esempio, la colonna centrale di un trasformatore (sulla quale vengono avvolti il primario ed i secondario) ed alimentiamo il primario con una corrente alternata sinusoidale, il materiale che costituisce tale colonna risulterà sottoposto ad un flusso magnetico variabile anch’esso con legge sinusoidale e sarà quindi variabile nel tempo. Le spire immaginarie che costituiscono la colonna si concateneranno con questo flusso magnetico e risulteranno quindi essere sede di correnti indotte.
Queste correnti, chiamate correnti parassite o correnti di Foucault (dal nome del fisico francese Jean Bernard Léon Foucault che scoprì il fenomeno nel 1851), sono dannose perché sono causa di uno sviluppo di calore indesiderato per effetto Joule e provocano un surriscaldamento del nucleo che può risultare anche distruttivo, decurtando la potenza che assorbono da quella che abbiamo disponibile al secondario. In un nucleo monolitico, le correnti di Foucault possono circolare liberamente, generando un notevole riscaldamento.
Correnti parassite e Induzione
Per limitare questo effetto i nuclei ferromagnetici vengono realizzati tramite l’assemblaggio di lamierini a bassa conducibilità elettrica isolati tra loro in modo da ridurre la superficie esposta all’induzione magnetica e accorciare la lunghezza dei percorsi conduttivi. In un nucleo lamellare incontrano una maggiore resistenza, quindi le perdite nel nucleo dovute a dette correnti sono più modeste. La presenza di questa energia “sprecata” in calore fa abbassare il rendimento complessivo della macchina e ci si riferisce a questa energia persa con il termine di perdite nel ferro. In fase di realizzazione si cerca di prendere tutti i provvedimenti per limitare tali perdite. Le perdite nel ferro sono funzione della variazione di flusso magnetico nel tempo, quindi aumentano all'aumentare della frequenza.
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Altre Perdite nei Trasformatori Reali
Perdite per Isteresi Magnetica
Applicando un campo magnetico ad un materiale ferromagnetico, questi, dopo che si è rimosso il campo magnetico, rimane magnetizzato e per smagnetizzarlo occorre applicare un campo magnetico di direzione opposta a quello che ha prodotto la magnetizzazione. Questo viene detto di magnetismo residuo, in altre parole il materiale rimane magnetizzato ovvero ha un effetto memoria. Per contrastare il magnetismo residuo dobbiamo quindi spendere dell'energia che va persa, questo è un ulteriore problema dei trasformatori che devono essere realizzati con materiali con una bassa isteresi magnetica.
Per valutare le proprietà magnetiche di un materiale ferromagnetico è indispensabile conoscerne la curva di magnetizzazione caratteristica ed il ciclo di isteresi che si crea misurando l’induzione magnetica (B) come conseguenza delle variazioni di un campo magnetico applicato (H). Di notevole importanza nell’osservazione della curva sono tre punti: "S" (saturazione) è il massimo valore di B raggiungibile dal materiale, "A" induzione magnetica residua, "F" (campo magnetico coercitivo) è il campo magnetico demagnetizzante da applicare per ottenere un'induzione nulla.
In alcuni trasformatori si realizzano addirittura dei traferri, ovvero delle zone del circuito magnetico in cui il flusso passa attraverso l'aria (segando una parte del nucleo magnetico), aumentando in questo modo la resistenza che il flusso incontra nell'attraversare il circuito magnetico e scongiurando la saturazione. Per contro peggiora molto l'accoppiamento fra primario e secondario, ovvero aumentano i flussi magnetici dispersi. Di norma è meglio aumentare la sezione del nucleo magnetico per diminuire il flusso per unità di superficie, mantenendosi distanti dalla saturazione.
Flussi Magnetici Dispersi
Nel regolare funzionamento di un trasformatore, il flusso prodotto dall’avvolgimento primario non si concatena completamente con l’avvolgimento secondario. Si intende per flusso utile solamente quello le cui linee si concatenano completamente sia con il primario, sia con il secondario, che rappresenta poi la maggior parte. Si intende per flusso disperso quella parte (generalmente piccola, per quello che riguarda i trasformatori standard) di flusso le cui linee interessano solo il primario (flusso disperso primario) o solo il secondario, quando questo è percorso dalla corrente richiesta dal carico. Questo comportamento può essere schematizzato nel trasformatore reale con un'induttanza posta in serie all'avvolgimento primario del trasformatore. Per ridurre al minimo i flussi dispersi è molto importante la geometria del trasformatore, ovvero la forma del nucleo (un nucleo toroidale funziona meglio di un nucleo "EI") e una corretta realizzazione degli avvolgimenti con un'alta percentuale di riempimento, lasciando fra le spire il minor spazio possibile.
Resistenza degli Avvolgimenti (Perdite nel Rame)
Gli avvolgimenti primario e secondario, lungi dall'essere costituiti da conduttori ideali, hanno una resistenza, che genera una caduta di tensione "parassita" che determina una perdita di potenza. Ovviamente tale resistenza è proporzionale alla lunghezza del filo dell'avvolgimento e inversamente proporzionale alla sezione del cavo. Sarà quindi, nel caso di un trasformatore adattatore di impedenza, maggiore la perdita sul primario, normalmente composto da molte spire di sezione ridotta.
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Trasformatori Specifici con Nucleo Lamellare
Stray Field Transformers (Trasformatori a Campo Disperso)
I trasformatori utilizzati nei forni a microonde sono usualmente quelli che vengono definiti "Stray Field Transformers". La loro differenza sta appunto nel piccolo "cortocircuito magnetico" interposto tra primario e secondario. Se consideriamo un semplice induttore, tutto il flusso magnetico risulta "cortocircuitato" su un solo avvolgimento, ma questo non lo rende un componente dissipativo o tale da cortocircuitare la linea di alimentazione. Un trasformatore tradizionale non ha il "cortocircuito magnetico" e al secondario si comporta come un generatore di tensione sinusoidale: all'aumentare del carico mantiene pressoché inalterata la tensione fornita, producendo un aumento proporzionale della corrente e della potenza erogata.
Cos'ha di interessante uno "Stray Field Transformers"? Il fatto di concentrare in un unico componente, sia il trasformatore, sia l'induttore di primario. Guardando con attenzione si nota che la parte di lamierini inseriti è di piccole dimensioni e inserita con un certo traferro. Questi particolari consentono di bilanciare (sull'avvolgimento primario) la funzione di primario e quella di induttanza.
Se a un trasformatore tradizionale mettiamo in serie al primario un'induttanza (ad esempio un reattore per tubi fluorescenti), all'aumentare del carico al secondario aumenta anche la corrente al primario che, a sua volta genera una caduta sull'induttanza e una conseguente riduzione della tensione al primario del trasformatore. Il risultato è una regolazione della corrente fornita: il trasformatore non è più un generatore di tensione, ma diventa una via di mezzo tra un generatore di tensione e uno di corrente.
Applicazione nei Saldatori a Punti (Puntatrici)
La questione se togliere o non togliere lo "shunt" (il cortocircuito magnetico) in uno Stray Field Transformer per fare una puntatrice è interessante. Potrebbe essere sia un vantaggio, sia controproducente.
- Lasciare lo shunt: Pregi: protezione (parziale) dal cortocircuito in uscita; limitazione dell'arco al momento della saldatura (in caso di contatto precario); costanza della corrente fornita a carichi diversi, che si traduce in una saldatura più omogenea di piccoli o grossi spessori.
- Togliere lo shunt: Pregi: maggiore potenza.
L'ideale sarebbe provare con lo shunt inserito e, solo nel caso la corrente non dovesse essere sufficiente, procedere alla sua eliminazione. Da precisare che nelle saldatrici, lo shunt c'è, ed è lì proprio per i vantaggi indicati sopra. Del resto, il trasformatore di una saldatrice è molto più "grosso" di quello di un forno a microonde e quindi si cerca di spremere quanta più potenza possibile.
Trasformatori VPI (Vacuum Pressure Impregnated)
I trasformatori VPI sono adatti per installazioni in cui si richiede rispetto dell’ambiente e minimo contenuto di materiale infiammabile. Il nucleo è costruito con lamierino magnetico a grani orientati ad alta permeabilità magnetica. Le soluzioni adottate per la realizzazione degli avvolgimenti di media tensione sono varie: possono essere a gallette, con cavo trasposto o a disco in funzione della classe di isolamento da garantire e del tipo di applicazione.
Il materiale isolante utilizzato è in classe F e/o H, garantendo temperature elevate e ingombri minimi. Tutta la produzione VPI presenta una ridottissima quantità di materiale infiammabile se comparata al prodotto inglobato in resina e soprattutto se confrontato con la tipologia di trasformatori isolati in olio minerale. A parità di potenza del trasformatore, il carico energetico espresso in Kwh o Kcal nella versione in aria è 3-4 volte inferiore rispetto a quella in resina. Tale tipologia di trasformatori può essere fornita con box di protezione secondo IP desiderato.
Trasformatori di Media Tensione
Il trasformatore di media tensione è un componente cruciale nel sistema di distribuzione elettrica. Questi dispositivi permettono la trasformazione della tensione elettrica da un livello medio a livelli più alti o più bassi, garantendo l’efficienza e la sicurezza del trasporto e della distribuzione dell’energia. Un trasformatore di media tensione è costituito principalmente da due avvolgimenti, il primario e il secondario, avvolti attorno a un nucleo di materiale ferromagnetico. I trasformatori di media tensione sono essenziali nella distribuzione dell’energia elettrica. Trasformano la tensione generata nelle centrali elettriche in livelli adatti per il trasporto su lunghe distanze e successivamente riducono la tensione per l’uso domestico e industriale.
Nelle industrie e negli impianti di produzione, i trasformatori di media tensione sono utilizzati per alimentare macchinari e attrezzature che richiedono tensioni specifiche. Le cabine elettriche utilizzano trasformatori di media tensione per gestire e distribuire l’energia agli impianti locali. Uno dei principali vantaggi dei trasformatori di media tensione è la loro efficienza energetica. Sono noti per la loro affidabilità e durabilità. La sicurezza è un altro importante vantaggio dei trasformatori di media tensione.
Esistono diverse tipologie di trasformatori di media tensione:
- Trasformatori a secco: sono una variante che utilizza materiali isolanti solidi invece di olio.
- Trasformatori in olio: utilizzano un olio speciale per raffreddare e isolare gli avvolgimenti.
- Trasformatori a tensione variabile: permettono di regolare la tensione di uscita in base alle esigenze specifiche dell’applicazione.
La manutenzione regolare dei trasformatori di media tensione è essenziale per garantirne l’efficienza e la longevità. Nel tempo, i materiali isolanti dei trasformatori di media tensione possono degradarsi e perdere la loro efficacia. Per i trasformatori in olio, il monitoraggio della qualità dell’olio è cruciale.
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