Trasformatore monofase ideale a vuoto
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- Categoria: Elettrotecnica
- Pubblicato Sabato, 20 Settembre 2014 09:26
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Fig. 1.1 - Modello semplificato di un trasformatore.
Nell'utilizzo e nella distribuzione dell'energia elettrica è necessario disporre di volta in volta del livello di tensione più conveniente: le linee di trasporto dell'energia richiedono tensioni di parecchie migliaia di volt (tipicamente 135, 220 e 400 kV) allo scopo di trasmettere grandi potenze con valori di corrente contenuti, mentre gli apparecchi utilizzatori, per evidenti motivi di sicurezza, devono funzionare a tensione più bassa.
Nelle abitazioni, negli uffici e in molte applicazioni industriali si utilizza in Europa il livello di tensione 220 V, mentre per utenze industriali di grande potenza si utilizzano tensioni più elevate che possono raggiungere alcuni kV. Inoltre molti apparecchi utilizzatori richiedono al proprio interno tensioni ancora diverse.
Per trasferire potenza elettrica da un livello di tensione alternata a un altro si utilizza una macchina elettrica che prende il nome di trasformatore.
Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico e da almeno due avvolgimenti.
Nel suo circuito di ingresso, detto anche primario, entra potenza elettrica
Dal circuito di uscita o secondario, esce la potenza elettrica S2 con valori di tensione e corrente modificati
Nel trasformatore ideale vale l'uguaglianza S1 = S2 e quindi
Il trasformatore lavora solamente in corrente alternata e la frequenza di ingresso è identica a quella di uscita.
Fig. 1.2 - Struttura del circuito magnetico.
Il trasformatore, schematizzato in fig. 1.1, è costituito da un Circuito magnetico che concatena due avvolgimenti. Per limitare le correnti parassite e quindi il riscaldamento della macchina, il circuito magnetico Viene realizzato con lamierini in ferro, assemblati in modo da formare un pacco. Solitamente i due avvolgimenti vengono sovrapposti sullo stesso tronco di circuito magnetico, che prende il nome di colonna, secondo la nomenclatura indicata in fig. 1.2. Col nome di gamba o fiancata sono indicate le parti verticali non avvolte; le parti che collegano la colonna con le due fiancate prendono il nome di giogo. Lo spessore in aria che inevitabilmente si forma tra le giunzioni dei diversi tronchi è detto traferro.
Le tecniche costruttive dei vari tipi di trasformatore esulano da questo articolo. Limitando la descrizione ai trasformatori di piccola e media potenza, assai diffusi, il nucleo magnetico viene realizzato assemblando lamierini di forma opportuna come in fig. 1.3.
Allo scopo di limitare al massimo la riluttanza del circuito magnetico (vedi l'articolo «Calcolo dei circuiti magnetici») occorre ridurre al minimo il traferro sfalsando le giunzioni tra i lamierini e disponendo gli strati pari in posizione opposta a quella degli strati dispari.
Questa tecnica di costruzione è detta a «giunti intercalati» e consente una maggiore solidità meccanica.
Il pacco di lamierini e tenuto compatto dal rocchetto che sostiene gli avvolgimenti.
Fig. 1.3 - Assemblaggio di alcuni tipi di lamierini: (a) strato pari; (b) strato dispari; (c) nucleo magnetico completo serrato con bulloni.
Molto spesso, per aumentare la solidità meccanica ed evitare vibrazioni e ronzio, il pacco dei lamierini viene serrato per mezzo di tiranti rivettati o di bulloni inseriti negli appositi fori praticati nei lamierini stessi e talvolta impregnato con resina.
Ciascun avvolgimento è costituito da una bobina di filo di rame smaltato. Lo smalto isolante che riveste il filo ha rigidità dielettrica sufficiente per garantire l'isolamento tra le spire e deve essere flessibile per non screpolarsi quando il filo viene piegato sugli spigoli del rocchetto. Per valutare gli spessori dello smalto isolante si può consultare la tabella dei fili unificati di tabella. 2.8(articolo «Dimensionamento di un trasformatore»).
Gli avvolgimenti sono classificati in funzione del numero di spire: quello di alta tensione (A.T.) con più alto numero di spire e sezione minore e quello di bassa tensione (B.T.) con minor numero di spire e sezione maggiore.
Nella costruzione del trasformatore si adottano tre diverse disposizioni per gli avvolgimenti:
- avvolgimento concentrico (fig. 1.4a), in cui l'avvolgimento A.T. è posto all'interno e quello B.T. all'esterno. Con questa disposizione si assicura un migliore isolamento dell'avvolgimento A.T. verso il circuito magnetico grazie alla presenza del rocchetto isolante; inoltre il filo dell'avvolgimento B.T. di sezione maggiore, trovandosi all'esterno, viene piegato con un raggio di curvatura più ampio, riducendo così il pericolo di screpolature dello smalto isolante;
- avvolgimento concentrico sdoppiato (fig. 1.4b);
- avvolgimenti alternati (fig, 1.4c).
Fig. 1.4 - Tipi di avvolgimento: (a) concentrico; (b) concentrico sdoppiato; (c) a bobine alternate.