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Corso di Elettrotecnica Capitolo V

Il Trasformatore

di Gennaro Bottiglieri

TRASFORMATORE

Il trasformatore è una macchina elettrica, che ha lo scopo di trasformare il valore della tensione e della corrente alternata, mantenendo invariata la potenza e la frequenza.

Esso è costituito da due circuiti detti < avvolgimenti>, formati da spire isolate elettricamente tra loro, ed avvolte su di un nucleo di ferro.

L’avvolgimento che riceve corrente dalla linea di alimentazione viene detto primario, mentre quello che la fornisce all’utilizzatore viene detto secondario.

Alimentando con tensione alternata il primario del trasformatore, si ha in esso un passaggio di corrente che crea nel nucleo un flusso alternato.

Questo flusso concatenandosi con il secondario, a causa del fenomeno “induzione mutua”, vi genera una tensione indotta che, a secondario chiuso, fa circolare in esso una corrente.

Nota: alimentando il trasformatore con corrente continua, si genera un flusso costante, e quindi nel secondario non si induce alcuna tensione.

CORRENTE A VUOTO (PRIMARIA)

Alimentando il trasformatore con una tensione alternata, quando il secondario è aperto, si ha nel primario un passaggio di corrente, di una intensità molto debole, detta corrente a vuoto.

Il valore della corrente a vuoto dipende dalla tensione primaria applicata e dalla impedenza del circuito primario.

L’impedenza primaria del trasformatore ha sempre un valore tale da dar luogo al passaggio di una piccola corrente a vuoto, e quindi di provocare nel trasformatore stesso una piccola perdita per effetto termico.

Poiché l’impedenza dipende, oltre che dalla resistenza, anche dalla reattanza che, come si è visto, varia al variare della frequenza, si ha che il trasformatore viene costruito per funzionare ad una determinata frequenza.

Pertanto; se a parità di tensione primaria il trasformatore viene fatto funzionare a:

• Frequenza inferiore a quella per cui è stato costruito: la reattanza e di conseguenza diminuiscono per cui si ha un aumento della corrente a vuoto e quindi delle perdite per effetto termico.

• Frequenza zero, cioè con corrente continua: la reattanza si annulla, il valore dell’impedenza coincide con quello della resistenza, che, in genere è molto piccolo.

Di conseguenza, la corrente a vuoto assume valori molto elevati, tali da bruciare il trasformatore e provocare un corto circuito sulla linea.

 

RELAZIONE TRA TENSIONE PRIMARIA E SECONDARIA

Il valore della tensione secondaria dipende dalla tensione primaria e dal rapporto tra il numero di spire del secondario ed il numero di spire del primario.

 

 

Il rapporto tra il numero di spire del secondario ed il numero di spire del primario, corrisponde al rapporto tra la tensione secondaria e la tensione primaria e viene detto rapporto di trasformazione

La relazione esistente tra il numero di spire e le tensioni può essere spiegata dal fatto che, essendo il flusso magnetico uguale in ogni sezione del nucleo di ogni spira, sia del primario che del secondario, si ha la stessa f.e.m.; quindi:

• Maggiore è il numero di spire di un avvolgimento, maggiore è la tensione ai suoi capi.

• Minore è il numero di spire di un avvolgimento, minore è la tensione ai suoi capi.

Pertanto l’avvolgimento ad alta tensione A.T. , è costituito da un elevato numero di spire, mentre quello a bassa tensione B.T. , è costituito da un basso numero di spire.

Il trasformatore può funzionare da elevatore o da riduttore di tensione.

Il trasformatore funziona da elevatore quando la tensione ai morsetti del secondario è superiore a quella del primario.

Il trasformatore funziona da riduttore quando la tensione ai morsetti del secondario è inferiore a quella del primario.

RELAZIONE TRA CORRENTE PRIMARIA E SECONDARIA

L’intensità di corrente, che attraversa il circuito secondario di un trasformatore, a parità di tensione secondaria, dipende dall’impedenza del circuito esterno collegato al trasformatore stesso.

La corrente secondaria, provoca un passaggio di corrente nel circuito primario, il cui valore dipende dal rapporto di trasformazione del trasformatore.

Infatti , in un trasformatore la potenza assorbita dal primario è uguale, escluse le perdite, a quella fornita dal secondario e quindi:

POTENZA PRIMARIA    V₁I₁ = V₂I₂    POTENZA SECONDARIA

Di conseguenza la corrente primaria e la corrente secondaria vengono calcolate mediante le seguenti formule:

             V₂                       V₁
I₁ =  I₂   -------  ;   I₂ = I₁ ------
               V₁                       V₂

La corrente, che percorre l’avvolgimento di un trasformatore, risulta tanto minore quando maggiore è la tensione a cui viene sottoposto l’avvolgimento stesso.

Ad esempio: un trasformatore riduttore con rapporto di trasformazione 500 /125v

Alimentando un utilizzatore che assorbe 4 ampere, provoca un passaggio di corrente nel primario di:

          125      
I1 = 4 ---------  ; 
               500           

Quindi l’avvolgimento B.T. di un trasformatore, poiché viene attraversato da una corrente maggiore, si costruisce con conduttori di sezione maggiore rispetto a quelli dell’avvolgimento A.T.

TIPI DI TRASFORMATORI

I trasformatori più usati in pratica sono: monofasi e trifasi

I trasformatori monofasi sono costruiti da un avvolgimento A.T. ed uno di B.T. sistemati su di un nucleo, formato da lamierini di ferro isolati fra loro allo scopo di limitare la circolazione in esso di < correnti parassite>.

Il nucleo magnetico viene fissato e pressato da bulloni , per evitare rumori causati dall’attrazione magnetica tra lamierino e lamierino.

In questo tipo di nucleo si ha che, il flusso creato da un avvolgimento viene in parte disperso nell’aria, e quindi non interseca l’altro avvolgimento .

Pertanto la forma del nucleo viene modificata come indicato in figura, in modo che le linee di forza vengono incanalate nei due rami laterali e ricondotte nella colonna centrale, attorno alla quale vengono avvolti entrambi gli avvolgimenti.

I terminali dell’avvolgimento A.T. e B.T. vengono collegati a quattro morsetti fissati su di una basetta sistemata sulla carcassa che racchiude il trasformatore

I morsetti dell’avvolgimento A..T. vengono, generalmente, indicati con le lettere maiuscole, mentre quelli dell’avvolgimenti di B.T., con le lettere minuscole.

Alcuni tipi di trasformatori sono provvisti di prese intermedie, sia al primario cge al secondario, che consentono di variare il rapporto di trasformazione.

I trasformatori trifase

I trasformatori trifase sono costituiti da un nucleo a tre colonne, su ciascuna delle quali viene sistemato un avvolgimento A.T. ed uno B.T.

Le colonne vengono chiuse e fissate all’estremità, mediante tiranti, a due traverse o gioghi.

Ciò rende possibile la sostituzione degli avvolgimenti evitando di smontare totalmente il nucleo del trasformatore.

I trasformatori trifasi per potenze superiori ai 50.000 KVA vengono, generalmente, costruiti con nuclei a cinque colonne.

Gli avvolgimenti A..T.(alta tensione) e B.T. (bassa tensione) del trasformatore trifase possono essere collegati a stella o a triangolo.

In genere i tre avvolgimenti A.T. vengono collegati a stella internamente al trasformatore, in modo che essi risultino sottoposti alla tensione di fase, che essendo 1,73 volte minore di quella concatenata richiede un minor isolamento dell’avvolgimento.

Invece i terminali degli avvolgimenti B.T. vengono collegati a sei morsetti, fissati su di una morsettiera sistemata sulla carcassa del trasformatore stesso.

I morsetti vengono collegati tra loro, a seconda del tipo di collegamento da realizzare, nel modo indicato in figura.

Il tipo di collegamento viene scelti in base alla necessità di impiego del trasformatore stesso:

AUTOTRASFORMATORE

L’autotrasformatore è una macchina elettrica che svolge le stesse funzioni del trasformatore.

Costruttivamente si distingue dal trasformatore per il fatto di avere i due circuiti elettrici AT e BT riuniti in un solo avvolgimento

Il circuito AT è costituito dall’intero avvolgimento, mentre quello BT ne comprende solo una parte.

Alimentando il circuito AT con tensione alternata, si ha una circolazione di corrente che genera un flusso variabile e che induce in ogni spira dell’avvolgimento una tensione di autoinduzione.

Pertanto, ai capi dell’avvolgimento BT si ha una tensione, proporzionale al numero delle spire dell’avvolgimento stesso, che a circuito chiuso provoca un passaggio di corrente.

Il rapporto di trasformazione dell’autotrasformatore, viene definito in modo analogo a quello del trasformatore, considerando il numero delle spire dei due circuiti.

Quindi , per il calcolo della tensione e della corrente dei due circuiti vengono adottate le stesse formule del trasformatore:

                             V₁          
                          -------   =      RAPPORTO di TRASFORMAZIONE
                             V₂

                 N2
  V2₂ = V1 ------
                    N1

La corrente che percorre il circuito di BT dell’autotrasformatore è di segno contrario a quella che percorre il circuito di AT, poiché generata dalla tensione di autoinduzione, come già visto si oppone alla tensione che la genera.

Pertanto nel tratto di avvolgimento comune si ha un passaggio di corrente che è uguale alla differenza delle due correnti.

Ciò rende l’autotrasformatore più economico rispetto al trasformatore in quanto consente un risparmio di rame, nella costruzione dell’avvolgimento. Questo in modo particolare quando la differenza tra le tensioni è piccola; cioè quando è piccolo il rapporto di trasformazione e quindi è grande il tratto del circuito comune.

L’autotrasformatore, a seconda di come viene inserito, può funzionare da riduttore o da elevatore di tensione.

L’autotrasformatore può essere, oltre che monofase, anche trifase.

In quest’ultimo caso esso è costituito da tre avvolgimenti anziché sei.

Ricordare che la corrente che circola nel primario e nel secondario, nell’ autotrasformatore, risulta uguale.

RAFFREDDAMENTO DEI TRASFORMATORI

I trasformatori durante il funzionamento producono calore, a causa dell’effetto termico prodotto dalle correnti che percorrono gli avvolgimenti e dalle correnti parassite che si generano nel nucleo.

Questo calore deve essere asportato in modo che la temperatura non superi determinati limiti, previsti dalle norme C.E.I per la buona conservazione degli isolanti che rivestono gli isolamenti.

Lo sviluppo di calore è tanto maggiore quanto maggiore è la potenza erogata.

I trasformatori di potenza inferiore ai 20 KVA, vengono generalmente raffreddati dall’aria ambiente che, venendo a contatto con gli avvolgimenti ed il nucleo, disperde il calore che si sviluppa in essi.

I trasformatori di potenza superiore ai 20 KVA, invece, vengono raffreddati immergendoli in un cassone contenente olio minerale.

Quest’olio, che ha subito particolari trattamenti, oltre ad essere un buon isolante elettrico, è anche un buon refrigerante, cioè sottrae calore al trasformatore e lo trasmette alle pareti del cassone che a loro volta vengono raffreddate.

Il raffreddamento dell’olio contenuto nel cassone può essere naturale o artificiale.

Raffreddamento naturale

Il raffreddamento naturale dell’olio, viene effettuato dall’aria ambiente che lambisce le pareti del cassone, contenente l’olio stesso ed il trasformatore.

Per avere una maggiore superficie di raffreddamento, le pareti esterne del cassone vengono costruite in lamiera ondulata.

I trasformatori in olio a raffreddamento naturale vengono costruiti, in genere, per potenze fino al massimo di 3.000 KVA

Raffreddamento artificiale

Il raffreddamento artificiale, può essere effettuato, raffreddando l’olio contenuto nel cassone, mediante refrigeranti ad acqua oppure ad aria.

Nel primo caso , l’olio viene prelevato mediante una pompa, dalla sommità del cassone, dove esso è più caldo

E viene fatto passare attraverso un refrigerante esterno, contenente l’acqua di raffreddamento, dal quale l’olio ritorna poi nella parte inferiore del cassone stesso

Nel secondo caso, l’olio caldo viene prelevato e fatto passare attraverso opportuni radiatori, applicati al cassone, che vengono investiti da ingenti masse d’aria inviate da appositi ventilatori.

CARATTERISTICHE DEL TRASFORMATORE

Le principali caratteristiche del trasformatore sono riportate sulla targa, applicata esternamente al cassone.

Un tipo di targa di trasformatore, conforme alle norme C.E.I . , è riportato in figura.