Cerca

modulo attività

modulo tecnica

Il trasformatore è un apparecchio elettrico che consente di disporre di un qualunque valore di tensione a partire dalla tensione fissa di 230V alternata fornita dalla rete elettrica.

trasformatore small

Sono diffusi ovunque: negli apparecchi elettronici come radio, TV, PC, e nei dispositivi per caricare le batterie dei cellulari. Queste utilizzazioni necessitano di tensioni molto basse sia per le necessità di alimentazione dei circuiti elettronici sia per motivi di sicurezza (nota  1). 

Per impieghi industriali i trasformatori sono delle macchine elettriche, di dimensioni anche notevoli, che consentono la trasmissione dell'energia elettrica a grande distanza grazie alle alte tensioni (380.000V) e la sua distribuzione industriale e domestica a tensioni accettabili per la sicurezza.

Funzionano solo in corrente alternata ca  (vedi cc vs ca). In Europa sono costruiti per funzionare ad una frequenza di 50Hz.

trasformatore big2

 

 

Nella foto un grande trasformatore trifase di potenza utilizzato nelle stazioni elettriche delle grandi linee trifasi di trasmissione dell'energia elettrica. Più grandi non se ne possono costruire perchè diventerebbe impossibile trasportarli dato che le dimensioni supererebbero i limiti della sagoma ammessa sulle strade.

 

 

 

Il trasformatore é una macchina statica, cioè che non ha parti in movimento, che consente di trasferire energia elettrica da un circuito (il primario) ad un altro circuito (il secondario) in genere funzionante a tensione diversa (nota 2).

 

Come è fatto

Ogni trasformatore ha:

- un avvolgimento primario, che viene alimentato alla tensione V1 la quale produce il campo magnetico alternato nel nucleo di ferro. E' composto da N1 spire, assorbe energia elettrica dal circuito di alimentazione, in genere la rete elettrica. L'energia elettrica assorbita dal circuito primario serve a due cose:

  1. produrre il campo magnetico alternato,
  2. fornire l'energia richiesta dal circuito elettrico secondario (nota 3);

- un avvolgimento secondario composto da N2 spire che eroga energia elettrica al circuito utilizzatore alla tensione V2;

- un nucleo di ferro (nota 4) dove si produce il campo magnetico alternato necessario al funzionamento del trasformatore.

corrispondentemente allo schema seguente:

trasformatore

In blu il circuito magnetico e le due fem prodotte dal fenomeno dell'induzione scoperto da Faraday. 

In arancio i parametri elettrici del circuito primario, in verde i parametri elettrici del circuito secondario.

Come si usa

Il dato di partenza per il suo impiego è il rapporto di trasformazione definito come rapporto fra la tensione primaria e la tensione secondaria

V1/V2

Questo rapporto è strettamente collegato con il numero delle spire dell'avvolgimernto primario N1 ed il numero delle spire dell'avvolgimento secondario N2; in particolare vale

V1/V2 = N1/N2

Questo dato è di solito presente nella targa o è dichiarato al momento della vendita.trasformatore targa

La targa nella foto a destra è sistemata su un trasformatore di modesta potenza con avvolgimenti primari e secondari a doppia tensione.

La targa in figura presenta inseguenti dati di utilizzo:

- la frequenza di impiego: 50/60Hz,

- tensioni e correnti (massime) al primario: 400V o 230V e 0,47A o 0,27A,

- tensioni e correnti (massime) al secondario: 230V o 400V e 4,17A.

La potenza nominale Sn è di 100VA.

 

Il rapporto di trasformazione del trasformatore in fotografia è 230/12.

Nel caso dell'esempio significa chel'avvolgimento al secondario produce una tensione di 12V se il primario è collegato a 230V (che è la tensione della rete domestica, quella di casa).

Spesso si usa dire che il lato a 230V è l'avvolgimento ad "alta tensione" (AT) ed il lato a 12V è l'avvolgimento a "bassa tensione" (BT).

 

Cosa accade quando un trasformatore viene collegato alla rete di alimentazione?

Il trasformatore produce una tensione tensione alternata ai capi dell'avvolgimento secondario come previsto dal rapporto di trasformazione.

Se non alimenta alcun apparecchio elettrico collegato al suo avvolgimento secondario, si dice che "funziona a vuoto".

In questo caso succede che il trasformatore anche se non eroga corrente sul circuito secondario ne assorbe una quota modesta dall'alimentazione del circuito primario perchè deve magnetizzare il ciruito di ferro. Questa corrente si chiama corrente di magnetizzazione o corrente a vuoto e si indica con I10.

Nota: talvolta si sente dire che la corrente assorbita a vuoto è "swattata" per significare che assorbe poca potenza elettrica (nota 5) anche se il valore della corrente non è trascurabile. 

 

Cosa accade quando viene collegato un carico sul circuito secondario? 

Quando si collega un carico sul lato BT, questo assorbe corrente di intensità I2 dall'avvolgimento secondario. In questo caso il circuito secondario eroga corrente. Visto da quel lato il trasformatore si comporta come un generatore che alimenta il carico collegato all'avvolgimento secondario.

Ricordo che ogni corrente produce un campo magnetico nello spazio circostante. In particolare, una corrente di intensità I che circola in una avvolgimento di N spire, produce un campo magnetico pari a N*I.

Allora anche la corrente nell'avvoglimento secondario produce un campo magnetico che si sovrappone al campo magnetico originariamente presente in assenza di carico, producendo uno squilibrio che deve essere subito recuperato per riportare i campo magnetico nel ferro al suo valore originario.

La compensazione dello squilibrio avviene grazie ad un aumento di corrente assorbita dall'avvolgimento primario I'1 che va ad agiungersi a quella sassorbita a vuoto per magnetizzare il ferro I10.

Le due correnti devono produrre un effetto magnetico complessivo nullo; perchè accada questo devono compensarsi a vicenda in modo tale che il campo magnetico N1*I'1 prodotto da uno annulli il campo magnetico N2*I2 prodotto dall'altro e questo avviene se

N1*I'1 = N2*I2

detto in altro modo, la corrente sul circuito secondario richiama una corrente sul circuito primario pari a 

I'1 = N2/N1*I2

Tenendo conto dell'espressione del rapporto di trasformazione risula che:

I'1 = V2/V1*I2

Scritto in termini di proporzione risulta:

I'1 : I2 = V2 : V1

Esempio: se il carico sul secondario del trasformatore preso come esempio assorbe 15A, allora sul primario viene richiamata una corrente di intensità pari a

I'1 = V2/V1*I2 = 12/230*15 = 0,78A 

Se la tensione sul secondario è minore di quella sul primario allora la corrente sul secondario è maggiore di quella sul primario, con la stessa proporzione (ovviamente inversa).

Questa corrente aggiuntiva sul primario I'1 si va a sommare vettorialmente a quella ssorbita a vuoto I10 per dare la corrente complessiva I1.

Normalmente non è il caso di tenere conto di questa precisione per eseguire i calcoli per le normali applicazioni che fanno uso di trasformatori.

 

Quanto valgono le potenze?

In corrente alternata la potenza calcolata come prodotto della tensione per la corrente è solo apparente in quanto non si tiene conto dello sfasamento esitente tra tensione e corrente. La potenza apparente si indica con S (talvolta con A), si misura in VA (voltampere) e non in W (watt).

Al primario la potenza è

S2 = V1* I1 = 230 * 0,78 = 179,4 VA

al secondario la potenza è

S2 = V2 * I2 = 12 * 15 = 180 VA

Come si vede, le due potenze S1 e S2 sono uguali (a meno di errori di approssimazione). Questo è ovvio; il trasformatore non consuma potenza e non crea potenza per qui quanto entra deve esser uguale a quanto esce (se si trascura la potenza necessaria per la magnetizzazione del ferro) (nota 6).

Il risultato si può dimostrare.

Riprendendo l'espressione della I2 in relazione al rapporto di trasformazione si vede che:

 V1 * I1 = V1 * I2*V2/V1 = I2 * V2

da cui

S1 = S2

 

Si può fare funzionare al contrario?

Cioè, si può alimentare l'avvolgimento BT a 12 V per avere 230 V sull'avvolgimento AT?

Si. Purchè la tensione a 12V sia alternata a 50 Hz (nota 7).

 

Si può alimentare dal lato AT ad una tensione inferiore a 230V?

Si. La tensione al secondario (lato BT) sarà proporzionalmente inferiore.

Esempio. Alimentando in nostro trassformtore a 160V si avrà una tensione deducibile dalla proporzione

230 : 160 = 12 : x

con il risultato che la tensione disponibile sul lato BT sarà di 8,35V.

 

Si può alimentare dal lato AT ad una tensione superiore a 230V?

No. Il progetto del traformatore considera la tensione di targa come la massima possibile (nota 8).

 

Si può alimentare dal lato BT ad una tensione superiore a 12V?

Nemmeno, per la stessa ragione.

 

Nota: il rapporto di trasformazione dichiara, quindi, anche le tensioni massime dei due avvolgimenti.

 

Si può fare funzionare il trasformatore ad una frequenza diversa dei 50Hz dichiarati?

Si se la frequenza è di poco diversa da 50Hz.

Con frequenza maggiore le perdite nel ferro (nota 9) riscalderebbero troppo la macchina con sovratemperature non accettabili.

Con frequenza inferiore le correnti di magnetizzazione diventerebbero troppo grandi in relazione alla portata dei conduttori (nota 10).

Per consentire l'interscambio fra macchine funzionanti in Europa e negli USA (dove le linee sono a 60Hz) i trasformatori vengono progettati per consentire il funzionamento sia a 50Hz che a 60Hz (nota 11).

 

 

per saperne di più: Wikipedia, edutecnica, unipv,

  

note

nota 1: le apparecchiature elettroniche non possono funzionare in corrente alternata ma solo in corrente continua per cui la tensione messa a disposizione sul secondario va ulteriormente "trattata" con raddrizzatori e stabilizzatori … ma questo è un altro argomento.

nota 2: dal punto di vista dell'utilizzatore è un generatore di tensione alternata.

nota 3: in questo mondo vale sempre il principio di conservazione dell'energia: "nulla si crea nulla si distrugge". Se il circuito secondario fornisce energia a qualche apparecchiatura allora deve assorbire la stessa quantità di energia da qualche parte, nel trasformatore la riceve dalla rete elettrica che alimenta il circuito primario

nota 4: è sempre costruito di ferro per le sue proprietà magnetiche. In genere è fatto con lamierini ad alta resistività elettrica per diminuire le perdite dovute a correnti parassite (Wikipedia)  interne al ferro (dette anche correnti di Foucault).

nota 5: la corrente di magnetizzazione è sfasata di 90° in ritardo con la conseguenza che la potenza attiva è nulla. Una certa potenza è comunque assorbita dal trasfomatore anche a vuoto per sostenere le perdite nel ferro comunque inevitabili.

nota 6: per tenere conto della potenza necessaria a magnetizzare il ferro occorre svolgere calcoli un po' più complicati che non sono necessari per utilizzare accortamente un trasformatore a meno che non funzioni prevalentemente a vuoto. Quando funziona a vuoto consuma un po' di potenza che, a lungo andare, rappresenta un costo economico evitabile. Questo è il motivo per cui non si devono lasciare apparecchi elettronici sempre collegati alla rete quando non sono utilizzati.

nota 7: ricordarsi sempre che una tensione di 230V è pericolosa, anche mortale; una tensione di 12 V non è, in genere, nemmeno percepita come scossa e, comunque, non è ritenuta pericolosa. In ogni caso, anche se la tensione sul secondario è bassa non ci si deve ritenere al sicuro in quanto può esserci sempre un cedimento dell'isolamento ra i due avvolgimenti con conseguente pericolo mortale anche sul lato a 12V.

nota 8: La corrente di magnetizzazione assorbita dal trasformatore può diventare molto grande a causa della saturazione del circuito magnetico che è di ferro con grossi problemi termici e di sovraccarico della linea di alimentazione.

nota 9: le cosiddette "perdite nel ferro" sono dovute alle correnti parassite che circolano nel materiale ferroso ed all'isteresi magnetica; entrambe aumentano con la frequenza di funzionamento (vedi nota 4).

nota 10: inoltre si supererebbe la soglia di saturazione del nucleo di ferro con corrente di magnetizzazione fortemente distorta per componenti di terza armonica che aumentano considerevolmente l'effetto joule di riscaldamento dei conduttori.

nota 11: sugli aeroplani la frequenza è di 400Hz per avere macchine molto più piccole e quindi più leggere anche se hanno maggiori perdite nel ferro.

 

 

Tu non hai i permessi necessari per i commenti! Devi registrarti.