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Trasformatori: Generalità |
Il trasformatore è una macchina elettrica statica, cioè priva d’organi in movimento, il cui funzionamento è fondato sul principio dell'induzione elettromagnetica (Legge di Faraday-Neumann); esso può quindi funzionare solo in regime variabile e trova impiego fondamentale in regime sinusoidale.
| Esistono trasformatori monofasi e trifasi; riferendosi per semplicità al caso monofase, si può affermare che esso è un dispositivo a due porte in grado di assorbire potenza ad una porta (primario) e di renderla pressoché integralmente all'altra (secondario), modificando i livelli delle tensioni e delle correnti. | ![]() |
Il trasformatore trova largo impiego in applicazioni sia elettriche sia elettroniche.
Tra gli utilizzi più significativi si possono citare i seguenti, a titolo
d’esempio:
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Per trasportare in modo economico la potenza elettrica è necessario ricorrere a linee di trasmissione funzionanti a tensioni molto maggiori sia di quelle convenienti per i generatori sia di quelle idonee alla distribuzione alle utenze. L'interconnessione e lo scambio di potenza, tra le parti del sistema elettrico operanti a livelli di tensione diversi, è resa possibile da trasformatori capaci di elevare o ridurre le ampiezze delle tensioni senza significative perdite di potenza. Per tali applicazioni si utilizzano trasformatori trifasi di gran potenza. |
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| Il livello di tensione al quale gli enti erogatori forniscono l'energia elettrica agli utenti è spesso diverso da quello richiesto dai dispositivo contenuti nelle apparecchiatura elettriche; anche in questo caso si ottiene la tensione opportuna per mezzo di trasformatori. | |
| In taluni circuiti, specialmente elettronici, può essere necessario ottenere il massimo trasferimento di potenza ad un determinato carico; anche a tal fine si può impiegare un trasformatore che ha la proprietà di realizzare l'adattamento d’impedenza, grosso uso viene fatto anche per trasferire potenza tra due parti di una rete elettrica, mantenendole elettricamente isolate, si può interporre un trasformatore. |
Valori nominali
Un trasformatore reale è caratterizzato da specificati valori di tensione e di corrente, di potenza e di frequenza, chiamati valori nominali, che costituiscono le grandezze per le quali si ha il funzionamento ottimale della macchina.
Essi sono individuati dalle quantità reali elencate in Tabella:
| U1n | Tensione nominale primaria | [V] |
| U2n | Tensione nominale secondaria | [V] |
| I1n | Corrente nominale primaria | [A] |
| I2n | Corrente nominale secondaria | [A] |
| Pn | Potenza nominale | [VA] |
| fn | Frequenza nominale | [Hz] |
| n | Rapporto di trasformazione |
I valori nominali di tensione e corrente hanno significato di valori efficaci.
Nel caso di macchine trifasi essi si riferiscono alle tensioni concatenate e alle correnti di linea. Essi possono essere superati solo marginalmente (di poco solo per un periodo limitato); infatti, se si eccedono le tensioni nominali si possono causare saturazione magnetica e cedimenti dielettrici degli isolamenti; se si eccedono le correnti nominali si possono causare eccessivo riscaldamento degli avvolgimenti e cedimenti meccanici dovuti agli sforzi elettrodinamici. Tra valori nominali di tensione e corrente sussistono, per definizione, le relazioni:
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La potenza nominale ha significato di potenza apparente ed è pertanto misurata in VA; essa è legata alle tensioni e correnti nominali dalle relazioni:
| trasformatori monofasi: | |
| trasformatori trifasi: |
Nel seguito sono trattati specificamente i trasformatori che hanno frequenza nominale uguale a quella industriale (50 o 60 Hz) e sono largamente utilizzati nelle apparecchiatura elettriche e negli impianti industriali e civili: essi sono spesso detti trasformatori di potenza; essi presentano potenze nominali che possono variare in un campo molto vasto, da pochi VA e varie centinaia di MVA.
Le prove sui trasformatori
Per la determinazione delle caratteristiche di un trasformatore occorre effettuare due prove:
| la prova a vuoto | |
| la prova in corto circuito. |
La prova a vuoto ha lo scopo di determinare la corrente a vuoto
(I0), la potenza P0 ed il fattore di potenza cosj.
La potenza P0 rappresenta le perdite a vuoto dei trasformatore, le quali risultano dalla somma delle perdite per isteresi e correnti parassite nel nucleo, essendo, infatti, l'effetto termico trascurabile. Questa prova si può effettuare alimentando indifferentemente l'avvolgimento primario o secondario del trasformatore, mantenendo però l'avvolgimento non
utilizzato aperto. Tale scelta è in funzione della tensione d’alimentazione disponibile.
Per la regolazione della tensione è bene impiegare un variatore di tensione ad induzione. Qualora nel laboratorio fosse mancata la sicurezza sull'esatto valore di frequenza e sulla sinusoidalità della tensione disponibile, sarebbe stato necessario inserire anche frequenzimetro e il voltmetro V .
La prova di corto circuito si effettua ponendo uno dei due avvolgimenti in corto circuito, alimentando l'altro con una tensione regolabile da zero, fino a raggiungere il valore della corrente nominale dell'avvolgimento stesso. La tensione che si richiede a tale scopo può essere dell'ordine dal 4 al 10% della Vn dell'avvolgimento su cui si effettua l'alimentazione; tale tensione viene definita tensione di corto circuito del trasformatore. In questa prova, l'intera potenza assorbita corrisponde alle sole perdite dei rame dei due avvolgimenti, poiché, data la bassa tensione applicata (nel funzionamento in corto circuito del trasformatore), la corrente magnetizzante, il flusso nel nucleo e le conseguenti perdite sono trascurabili. Si può senz'altro determinare la resistenza equivalente del trasformatore.
A sua volta si potranno quindi determinare le variazioni della tensione secondaria che si verificano nel passaggio da vuoto a carico del trasformatore stesso. Anche in questa prova è indifferente alimentare l'avvolgimento primario o secondario. All'atto pratico occorre tener presente che è opportuno che le correnti in gioco raggiungano il valore nominale di pieno carico sia nel lato dell'avvolgimento d’alimentazione e sia nell'altro chiuso in corto circuito. Il primo valore servirà per la scelta degli strumenti, mentre il secondo per la scelta della sezione dei cavi da usarsi nei collegamenti in corto circuito.