Il Trasformatore elettrico in breve .. seconda..

Questa esposizione nasce con l’idea di rivedere (molto J) velocemente il funzionamento di una delle macchine elettriche fondamentali in elettrotecnica ed elettronica, quale appunto il trasformatore elettrico.

Il trasformatore rientra nella famiglia delle macchine elettriche, funzionanti in corrente alternata, tra le quali rappresenta la macchina statica, in quanto non ha parti in movimento. Risulta composto da una nucleo di materiale ferromagnetico (con aggiunta in parti di silicio) sul quale vengono opportunamente  avvolti , con un determinato numero di spire, due avvolgimenti rispettivamente nominati avvolgimento primario, quello alimentato dalla tensione di rete (lato alta tensione), ed avvolgimento secondario (lato bassa tensione) quello che fornirà tensione al circuito del carico che andrà ad alimentare. Questi avvolgimenti sono indicati vengono rappresentati nello schema del trasformatore elettrico ideale con delle bobine (impedenze) indicate con N1 ed N2.

Gli avvolgimenti visti rispondono alle caratteristiche di progetto della macchina, e sono realizzati con conduttori in rame ed isolati con smalti e vernici, per evitare contatti elettrici tra le spire ed il nucleo del trasformatore.  Nella forma più generica un trasformatore ha un nucleo con una forma di tipo a mantello o corazzato: composto da tre colonne, dove quella centrale che ha sezione doppia rispetto a quelle laterali ospita gli avvolgimenti di primario e secondario, ben isolati tra di loro; mentre le colonne laterali svolgono la funzione di chiusura del circuito magnetico.

Lo studio del trasformatore, prevede una prima analisi considerandola come macchina elettrica ideale, ovvero senza perdite, dapprima nel suo funzionamento a vuoto ovvero senza alcun carico collegato alla sua uscita (N2), come rappresentato di seguito:

In questa condizione il trasformatore vede il suo lato ad alta tensione, o primario, alimentato con una tensione E1, di forma sinusoidale che realizza nell’avvolgimento primario la circolazione di una corrente anch’essa sinusoidale di valore efficace ed indicata con Iµ  detta corrente magnetizzante, poiché all’interno dell’avvolgimento di N1 spire questa corrente genera a sua volta un campo magnetico  che si concretizza poi in un flusso magnetico anch’esso di forma sinusoidale, in queste condizioni per la legge di Faraday, Neumann Lenz si genera nelle spire dell’avvolgimento primario una tensione indotta indicata con Es e di valore: Es = E1 / N1 (le spire dell’avvolgimento primario risultano in serie fra loro).

Attraverso il circuito magnetico (nucleo magnetico) il flusso magnetico generato dall’avvolgimento primario interesserà anche l’avvolgimento secondario N2, generando nelle spire di questo avvolgimento una tensione indotta Es, pertanto considerando le N2 spire del circuito secondario ai capi di questo avvolgimento si genererà una tensione in valore efficace E2 = N2 x Es, sostituendo ad Es l’espressione  Es = E1 / N1 si ottiene E2 = N2 x E1/N1 = N2 / N1 X E1, da quest’ultima espressione si ricava:  E1 / E2 = N1 / N2  espressione che evidenzia come il rapporto tra la tensione primaria e secondaria sia direttamente proporzionale al rapporto spire degli avvolgimenti, il rapporto spire è detto rapporto di trasformazione, in quanto il trasformatore, trasforma il valore di una tensione mediante il rapporto spire, pari a N1/N2 indicato con K, il valore di  questo parametro indica il tipo di trasformatore, ovvero se <1 si tratta di un trasformatore abbassatore, se invece >1 si tratta di un trasformatore elevatore, per un valore =1 si tratta di un trasformatore che fornisce al secondario la stessa tensione al primario, ovvero di un trasformatore di isolamento (particolari applicazioni). La corrente magnetizzante Iµ è l’unica corrente presente nel funzionamento a vuoto del trasformatore ed assume valori molto piccoli, compensa solamente l’avviamento del trasformatore.

Nel funzionamento a carico, l’avvolgimento secondario vede ai suoi capi collegato un carico (indicato con Z2) simboleggiato con un impedenza, quest’ultima si troverà interessata dalla tensione E2 dell’avvolgimento secondario al quale richiederà una corrente I2

Data dall’espressione I2 = E2 / Z2, pertanto il carico sarà interessato da una propria potenza apparente, attiva e reattiva. Per compensare questa potenza il circuito primario si vedrà costretto a richiedere dalla sua fonte di alimentazione (rete) un’intensità di corrente I1’ oltre la Iµ, pertanto al circuito primario la potenza apparente interessata sarà ora  pari a  S1 = E1 x I1  (VA), [la corrente I1 è composta dalla somma della nuova corrente I1’ e dalla corrente magnetizzante Iµ] nell’avvolgimento secondario la potenza apparente vale S2 = E2 x I2 (VA) , si avrà quindi : S1 = S2 — E2 x I2 = E1 x I1 , quindi  I1’ / I2 = E2 / E1 = 1 / K  ovvero il rapporto delle correnti è reciproco a quello delle tensioni, pertanto se il circuito primario e il circuito secondario devono fornire eguale potenza dove si avrà una tensione maggiore si avrà una corrente minore.

Nel funzionamento del trasformatore visto, non si sono considerate le perdite che caratterizzano ogni macchina elettrica, nel caso del trasformatore  si dovranno considerate le perdite nel ferro (circuito magnetico) generate da correnti parassite e fenomeni di isteresi magnetica; perdite nel rame (avvolgimenti) per effetto joule, e perdite nei campi magnetici (flusso disperso). Le perdite meglio considerate vanno inserite nel circuito elettrico che rappresenta il funzionamento di un trasformatore con dei componenti passivi ( resistenze e reattanze induttive) rappresentativi delle singole perdite.

Nell’esposizione precedente si è considerato il trasformatore ideale nel funzionamento a vuoto e sotto carico, questo significa che non si sono tenute in considerazione le perdite che caratterizzano il funzionamento di ogni macchina o dispositivo elettrico, e che rendono il funzionamento di tipo reale. Le perdite che interessano il trasformatore elettrico e che andremo a vedere, vengono poi rappresentate nel circuito elettrico equivalente del trasformatore, con dei simboli che rispecchiano la tipologia di perdita in questione, ovvero:

  • le perdite nel ferro, ovvero quelle che interessano il circuito magnetico (nucleo), a causa dell’isteresi magnetica, e delle correnti parassite, e sono perdite presenti sia a vuoto che sotto carico in quanto determinate dalla presenza del flusso magnetico, e sono rappresentate da una resistenza (Ro), in parallelo al circuito primario, poiché dipende dalla tensione E1,
  • sappiamo che gli avvolgimenti sono realizzati con conduttori in rame quindi presentano una propria resistenza elettrica R1 ed R2, pertanto soggette ad una perdita per effetto joule, generata dalla corrente che le attraversa, e rappresentate per questo da una resistenza in serie ai rispettivi avvolgimenti R1 ed R2 ,
  • anche il flusso magnetico è interessato ad una perdita se si considera che una parte di questo non si richiude perfettamente con il circuito degli avvolgimenti e pertanto si disperde in aria; questo tipo di perdita viene rappresentato con delle reattanze induttive X1 ed X2 collegate in serie ai rispettivi avvolgimenti.

Con questi nuovi elementi, lo schema elettrico equivalente del trasformatore assume un nuovo aspetto nel quale sono rappresentate le perdite viste dai relativi componenti ..

Si ha in pratica il circuito primario interessato dalla tensione V1 differente dalla E1 considerata in precedenza, come al secondario si ha la tensione V2 differente dalla precedente E2. Per semplificare eventuali calcoli elettrici si può considerare un circuito equivalente derivato da quello visto dove le perdite per effetto joule  e flusso disperso sono ricondotte al circuito secondario (Req” ed Xeq”), ovvero comprendono le resistenze R1 ed R2 ed X1 ed X2, e sempre in questo circuito la tensione V1 di alimentazione coincide con la E1 mentre la E2 coincide con la tensione secondaria a vuoto V2o, in questo caso il rapporto di trasformazione assume il valore Ko = V1/V2o, rapporto di trasformazione a vuoto del trasformatore reale.

Occorre aver presente che le perdite nel circuito secondario  N2 del trasformatore reale sono inferiori a quelle corrispondenti al circuito equivalente secondario, pertanto compensano quelle relative al circuito primario bilanciando questo aspetto.

Con questa esposizione non si ha e non si vuole avere esaudito l’argomento : “trasformatore elettrico”, che richiede una trattazione più approfondita, sia per quanto concerne i principi della fisica relativa ai fenomeni dei campi magnetici che governano il funzionamento di questa fondamentale macchina elettrica, sia per quanto concerne le equazioni matematiche e grafiche relative al suo funzionamento a vuoto e sotto carico, e non ultimi i principi e materiali di costruzione di questa macchina, vien da se quindi che questa esposizione va interpretata come un’estrema sintesi dell’argomento. 😉 

..continua..

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