Trasformatore

Macchina elettrica statica destinata a convertire energia elettrica variandone il livello di tensione.

Il funzionamento del trasformatore è basato sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, opera con tensioni alternate; la conversione non comporta variazioni nella frequenza.
Un trasformatore è costituito essenzialmente da due (in qualche caso anche più di due) circuiti elettrici concatenati con un circuito magnetico. I circuiti elettrici sono avvolgimenti isolati l'uno dall'altro e avvolti attorno ad un nucleo in materiale ferromagnetico (lamierini magnetici) che costituisce il circuito magnetico. Un avvolgimento è collegato alla linea di alimentazione e viene detto primario; l'altro è collegato a uno o più utilizzatori e viene detto secondario.

Alimentando l'avvolgimento primario di un trasformatore con una tensione alternata, si produce nel circuito magnetico con esso concatenato un flusso di induzione magnetica pure alternato. Tale flusso, concatenandosi con gli avvolgimenti primario e secondario, genera in essi, per induzione elettromagnetica, delle forze elettromotrici E1 e E2 , si ha che E1=N1E¢, e E2=N2E¢, dove N1 e N2 sono, rispettivamente, i numeri di spire degli avvolgimenti primario e secondario e E¢ la forza elettromotrice generata in una spira di avvolgimento. Risulta perciò E1/E2=N1/N2, ossia il rapporto tra le forze elettromotrici agenti sui due circuiti è pari al rapporto spire ks=N1/N2. Poiché le forze elettromotrici differiscono dalle corrispondenti tensioni V1 e V2 ai morsetti dei due avvolgimenti per le cadute di tensione negli avvolgimenti stessi, le quali sono di valore relativamente piccolo, si ha che il rapporto tra il valore della tensione V1 con cui si alimenta l'avvolgimento primario e quello della tensione V2 prelevabile ai morsetti del secondario è, in prima approssimazione, pari al rapporto spire. Più precisamente si possono definire tre rapporti caratteristici, poco diversi l'uno dall'altro: il rapporto spire ks=N1/N2, il rapporto di trasformazione a carico k=V1/V2 e il rapporto di trasformazione a vuoto ko=V1/V2o, dove V2o è la tensione che si misura ai morsetti del secondario quando non è collegato a essi nessun utilizzatore. La differenza tra tali rapporti dipende dalle perdite di potenza attiva e dalle dispersioni di flusso nel trasformatore; se si trascurano tali elementi le potenze apparenti (prodotti dei valori della tensione e dell'intensità di corrente corrispondente) ai morsetti dei due avvolgimenti sono uguali e risulta, perciò, V1×I1=V2×I2 e quindi A1=A2.

Trasformatore trifase

Negli impianti elettrici vengono comunemente usati trasformatore trifase e trasformatore monofase. I trasformatori trifasi, i cui avvolgimenti primari e secondari possono essere collegati, in base a diverse considerazioni, a stella o a triangolo, costituiscono la quasi totalità dei trasformatori che fanno parte delle reti di trasmissione e di distribuzione dell'energia elettrica. In particolare, la distribuzione alle utenze a bassa tensione viene realizzata mediante trasformatore trifase, posti in apposite cabine, con l'avvolgimento secondario collegato a stella con neutro accessibile. Sono così disponibili le tensioni tra conduttori di fase (generalmente pari, in Italia, a 380 V) e le tensioni tra conduttori di fase e conduttore neutro (220 V). Per l'alimentazione delle utenze di tipo industriale si utilizza 380 V, mentre le utenze domestiche 220 V.

Trasformatore Struttura

Le parti attive del trasformatore, ossia la struttura magnetica (nucleo) e gli avvolgimenti, opportunamente isolati, sono spesso contenuti in un involucro protettivo e i terminali degli avvolgimenti vengono portati all'esterno di esso.
Il nucleo è costituito da pacchi di lamierino magnetico, di forma tale da costituire una struttura chiusa che comprende elementi verticali (colonne) e orizzontali (gioghi). Sulle colonne vengono realizzati gli avvolgimenti costituiti, nei trasformatori di potenza rilevante, da piattine di rame di notevole sezione, nei trasformatori di piccola potenza gli avvolgimenti sono in filo isolato per smaltatura.
I trasformatori vengono detti a mantello (o corazzati) e a colonne: In un trasformatore monofase a mantello, gli avvolgimenti sono disposti sulla colonna centrale, e le due colonne laterali sono libere. Nei trasformatori monofasi a colonne, invece, gli avvolgimenti si trovano sulle due colonne laterali.
Nei trasformatori trifasi il nucleo è costituito, nella maggior parte dei casi, da tre colonne verticali; gli avvolgimenti sono sulle tre colonne; nei trasformatori a cinque colonne, usati di solito per forti potenze, gli avvolgimenti sono disposti sulle tre colonne centrali.
I trasformatori variano dalle tensioni dei piccoli trasformatori d'uso domestico (tipicamente 220 V al primario, 12 o 24 V al secondario) a quelle dei trasformatori in uscita dalle grandi centrali elettriche (10-12 kV al primario, 750-850 kV al secondario).

Trasformatore Rendimento

Si chiama rendimento del trasformatore il rapporto h=Pr/Pa tra la potenza Pr fornita al complesso d’utilizzatori alimentati e la potenza Pa assorbita dal trasformatore; poiché la potenza assorbita è la somma della potenza resa e delle perdite proprie del trasformatore, il rendimento è tanto più elevato quanto minori sono tali perdite. Nei piccoli trasformatori, la considerazione del rendimento non ha grande importanza; viceversa, nei tipi di media e grande potenza, anche se il rendimento è elevato (viene spesso superato il 99%), l'entità delle dissipazioni di potenza, date le potenze in gioco, è elevata in valore assoluto e si traduce in una perdita di energia sensibile sul piano economico e in uno sviluppo di calore che comporta sempre non indifferenti problemi di raffreddamento.
I trasformatori di piccola potenza e alcuni tipi speciali di media potenza presentano gli avvolgimenti e il nucleo esposti all'aria dell'ambiente, ossia non hanno alcuna protezione e non comprendono alcun sistema particolare di raffreddamento. In generale però i trasformatori di media e forte potenza sono contenuti in cassoni di lamiera a tenuta stagna, riempiti di olio, che ha funzione isolante e inoltre facilita l'asportazione del calore sviluppato dagli avvolgimenti e dal nucleo. Nei tipi di media potenza, l'olio circola per convezione all'interno del cassone. Nei tipi più grandi, la circolazione dell'olio è attivata da pompe, interne al cassone, e l'olio stesso passa attraverso veri e propri radiatori, raffreddati a loro volta da batterie di ventole.

Trasformatori speciali di struttura particolare

(I trasformatori speciali sono realizzata in modo tale da conferire al trasformatore caratteristiche che lo rendono adatto a determinati impieghi).

trasformatore a prese, che consentono di variare il numero di spire del secondario collegando le utenze a diverse prese, poste appunto sull'avvolgimento secondario; si usano quando occorre ottenere tensioni secondarie di valori differenti.

trasformatore con variatore di tensione incorporato, che si usano quando occorra ottenere una tensione secondaria sensibilmente costante, in presenza di forti e brusche variazioni del carico del secondario o di fluttuazioni nel valore della tensione primaria; sono muniti di un terzo avvolgimento, dimensionato per una potenza minore di quella relativa ai due principali e di un combinatore telecomandato asservito a un sistema automatico che inserisce o esclude sezioni di spire dell'avvolgimento di regolazione.

trasformatore a corrente secondaria costante, portano un avvolgimento che può scorrere, per l'azione elettrodinamica dovuta alla circolazione delle correnti, lungo una colonna del nucleo, determinando una variazione delle dispersioni di flusso attraverso la quale si mantiene costante il valore dell'intensità di corrente secondaria; sono tipici delle reti di illuminazione stradale.

trasformatore di misura, che vengono sistematicamente inseriti nei circuiti con correnti molto intense o in alta tensione per poter misurare tali grandezze, che non sarebbe possibile misurare con strumenti a inserimento diretto; dal secondario di tali trasformatore si preleva una tensione o una corrente di valore proporzionale a quello da misurare, ma assai più basso, che può essere misurato con strumenti convenzionali. I trasformatore di misura costituiscono anche un efficace isolamento tra i circuiti interessati alla misurazione e gli strumenti di misura, collegati al secondario, con cui possono venire a contatto gli operatori.

trasformatore per audio e video, di piccole potenze, hanno la funzione di trasferire da un circuito a un altro segnali contenenti un rilevante numero di frequenze diverse. Per questi trasformatori occorre un buon concatenamento magnetico tra gli avvolgimenti che può essere ottenuto impiegando materiali magnetici speciali con elevata permeabilità.