Elettrotecnica

Elettrotecnica

Tipico trasformatore da centrale(10-100 MVA)

Il principio di funzionamento di un trasformatore

Le norme CEI definiscono il Trasformatore come una macchina statica a induzione elettromagnetica nella quale si ha un trasferimento di energia tra due o più circuiti con una modifica dei parametri della potenza tensione e corrente.

La principale funzione del trasformatore,oltre ad essere applicato nelle cabine elettriche,trova applicazioni negli apparati di misura,di controllo,di protezione,nei circuiti elettronici ecc. . Esso è costituito da un nucleo magnetico attorno al quale sono avvolti due avvolgimenti chiamati primario e secondario. L' avvolgimento primario è quello ai cui capi viene applicata la tensione,mentre il secondario è quello dal quale preleva la tensione trasformata.

I₁ I₂

Schema di principio di un trasformatore.

In figura è rappresentato lo schema costruttivo di un principio di un trasformatore in cui N₁ ed N₂ sono le spire degli avvolgimenti primario e secondario ,  è il flusso principale, Ф_d1 eФ_d2 sono i flussi di dispersione primario e secondario,V₁ e V₂ sono le tensioni primaria e secondaria.

Dall'elettrotecnica è noto che il principio di funzionamento del trasformatore si basa sulle leggi dell'elettromagnetismo. Il nucleo forma un circuito magnetico chiuso,all'interno del quale circola un flusso variabile nel tempo secondo la legge di variazione della corrente I₁ che circola nell'avvolgimento primario.

Con tale flusso variabile si concatenano la N₂ spire del circuito secondario e in esso si induce una forza elettromotrice E₂ cui consegue la tensione V₂ ai morsetti secondari che,se chiusi su un carico,fa circolare la corrente secondaria I₂. Il rapporto tra la tensione primaria V₁ e la tensione secondaria V_2, con trasformatore a vuoto,viene detto rapporto di trasformazione K₀. Poiché idealmente la potenza elettrica si trasferisce integralmente dal primario al secondario,si può scrivere:

V₁ *I₁ = V₂ * I₂

Da cui risulta:

V₁/V₂ = I₂ /I₁

E quindi si può  dire che il rapporto di trasformazione è uguale al rapporto inverso delle correnti. Per lo studio approfondito della teoria del funzionamento di un trasformatore si rimanda al corso di Elettrotecnica.

Le caratteristiche e i dati di targa necessari per la scelta di un trasformatore sono:

- Potenza nominale A_n;

Corrente nominale I_1n I_2n

Tensione nominale al primario V_1n

Tensione a vuoto al secondario V₂₀

Tensione di corto circuito V_CC %

Rapporto di trasformazione a vuoto K₀

Tipo di collegamento e indice orario

Altri dati caratteristici,necessari per determinare le caratteristiche intrinseche di un determinato trasformatore,sono:

Perdite nel ferro P_{f e}

Perdite nel rame P_{c u}

-Rendimento;

-Temperature di servizio;

-Tipo di servizio;

-Tipo di raffreddamento.

La  potenza nominale è il valore convenzionale della potenza apparente destinata a servire da base per la costruzione della macchina,per la garanzia fornita dal costruttore e per le prove, determinando un ben definito valore di corrente nominale ammissibile quando sia applicata la tensione nominale,nelle condizioni specificate dalle norme;viene data in [VA] o [kVA].

La potenza nominale è intesa in servizio continuo;se un trasformatore deve essere utilizzato con un ciclo di lavoro a intermittenza,la potenza di dimensionamento è minore. In tal caso si definisce un coefficiente di dimensionamento k secondo la seguente relazione:

K= Tempo di lavoro in minuti/Tempo totale del ciclo in minuti

E quindi:

P_Trasf = P_Sint * √k

In cui:

P_trasf = Potenza del trasformatore in servizio continuo;

P_Sint =Potenza del trasformatore a servizio intermittente.

Il  tipo di collegamento e l'indice orario sono necessari per fissare il tipo di distribuzione e l'eventuale parallelo con altri trasformatori.

Le Perdite nel ferro, o perdite a vuoto,sono dovute all'isteresi magnetica e alle correnti parassite circolanti nel nucleo magnetico.

Le Perdite nel rame rappresentano le perdite per effetto Joule nell'avvolgimento primario e secondario.

Le  Perdite a carico sono la somma delle perdite nel ferro e delle perdite nel rame.

Il  Rendimento rappresenta il rapporto tra la potenza resa e la potenza assorbita;esso varia tra zero e un valore molto alto,al variare del carico.

Occorre sottolineare che il funzionamento del trasformatore è perfettamente reversibile e che,pertanto, la distinzione tra avvolgimento primario e secondario non corrisponde ad alcun fatto costruttivo,in quanto entrambi gli avvolgimenti possono funzionare indifferentemente come primario o secondario a seconda di come vengono

Alimentati. Dal punto di vista costruttivo  gli avvolgimenti si distinguono in avvolgimento ad alta tensione(A.T.) e avvolgimento ad bassa tensione(B.T.).

Il trasformatore viene chiamato Riduttore quando il circuito primario corrisponde con quello ad alta tensione,mentre viene denominato Elevatore quando l'avvolgimento primario corrisponde con quello a bassa tensione.