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Il trasformatore elettrico



Il trasformatore elettrico



Tutti sanno come si ricarica un cellulare e chi possiede uno smartphone utilizza regolarmente un carica batteria. Tale dispositivo ha il compito di trasformare la tensione elettrica che arriva nelle nostre case (230 V) in una tensione adatta alla capacità della batteria interna (in genere 5-10 V). In questo questo senso il carica batteria funge da trasformatore elettrico di tensione.

Non sempre il trasformatore abbassa il livello di tensione assorbita: nelle centrali elettriche, per esempio, si sfrutta lo stesso principio fisico per innalzare la tensione generata ad un livello adeguato prima di distribuirla su tutto il territorio.


Il trasformatore può essere considerato, in generale, come un sistema elettrico interagente con l’esterno mediante due coppie di morsetti attraverso cui riceve tensione elettrica dalla rete di alimentazione e la eroga, in misura minore (o maggiore), al carico elettrico.



Esempio di trasformatore commerciale



Nel modello più semplicistico possiamo considerare il trasformatore come una coppia di induttori avvolti su di un nucleo ferromagnetico comune (circuito primario e circuito secondario).


Modello di trasformatore




Funzionamento del trasformatore: mutua induzione



Il circuito primario viene alimentato da una tensione variabile nel tempo che produce a sua volta una corrente variabile negli avvolgimenti elettrici del primo induttore.

Abbiamo visto nella teoria (Induzione magnetica) che quando un circuito solenoidale (il primario) è percorso da una corrente variabile nel tempo si genera un flusso magnetico variabile che si diffonde nel nucleo ferromagnetico.


Se non vi è dispersione il flusso si propaga interamente nel nucleo del trasformatore ed arriva ad attraversare il circuito secondario formato da avvolgimenti elettrici generando, per la legge di Faraday-Neumann, una tensione indotta data da




A sua volta il flusso genera nel circuito primario (formato da avvolgimenti) una tensione indotta data dalla seguente espressione




Il flusso magnetico che attraversa i due avvolgimenti solenoidali è pertanto lo stesso: ciò che varia è il numero di spire ( ed ): questo fenomeno prende il nome di mutua induzione.


Possiamo concludere quanto segue.


Il rapporto delle tensioni indotte nei circuiti primario e secondario è proporzionale al rapporto degli avvolgimenti nei rispettivi induttori




La distribuzione dell'energia elettrica in Italia



Le centrali elettriche italiane producono energia tramite un generatore di tensione (a vapore o a combustione per esempio) che può arrivare fino agli 80 kV.

Prima di immettere in rete l'energia elettrica e distribuirla nel territorio la tensione generata viene trasmessa ai vari punti di distribuzione e per tale proposito viene innalzata tramite opportuni trasformatori fino a superare i 150 kV, valore oltre il quale si parla di altissima tensione.


Attraverso i punti di distribuzione la tensione viene abbassata man mano che si raggiunge la periferia del territorio grazie all'ausilio del trasformatore elettrico: durante questo processo la tensione passa da 150kV a 35 kV (alta tensione) e da 35 kV a 1 kV (media tensione).


Le utenze finali (aziendali e domestiche) usufruiscono di una tensione inferiore ai 1000 V e si parla in questo caso di bassa tensione: i valori più comuni sono 230 V e 400 V.

In questi trasformatori il rendimento è relativamente alto, tra il 92% per i trasformatori di bassa tensione fino al 98% per quelli di alta tensione.



Efficienza del trasformatore



L'efficienza dei trasformatori elettrici è influenzata dai seguenti fattori.

  • Riscaldamento del nucleo: il nucleo stesso rappresenta un conduttore metallico nel quale si possono indurre microscopiche correnti di corto circuito a forma di cerchi concentrici (correnti parassite) in un piano perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico. Tali correnti possono diventare così rilevanti da arroventare il nucleo per effetto Joule. Per ridurre tali perdite il nucleo di ferro massiccio viene laminato in lamiere magnetiche sottili isolate fra loro mediante sottili fogli di carta o vernici isolanti.

  • Resistenza ohmica degli avvolgimenti dei trasformatori: poichè gli avvolgimenti dei circuiti primario e secondario sono solitamente di rame, essi presentano una resistenza elettrica che, al passaggio della corrente, dissipa potenza per effetto Joule.

  • Isteresi magnetica: il nucleo ferromagnetico introduce una resistenza alla magnetizzazione rappresentabile da una curva chiusa caratteristica del materiale (curva di isteresi magnetica); per diminuire le perdite si utilizzano quindi materiali con curve di isteresi poco ampie.

  • Dispersione del flusso magnetico (scattering): questo effetto è dovuto al fatto che il flusso magnetico investe i conduttori ed altre parti metalliche del trasformatore; tali perdite possono essere ridotte aumentando la sezione dei conduttori e con una opportuna disposizione degli avvolgimenti.


In molti casi si assume che l'efficienza sia del 100%: questo significa che la potenza assorbita è uguale a quella erogata all'uscita del trasformatore, ossia




Trasformatore di corrente



Assumiamo che l'efficienza del trasformatore sia del 100%.




In conclusione:


sotto l'ipotesi che l'efficienza del trasformatore sia del 100% possiamo affermare che il rapporto tra le correnti dei circuiti primario e secondario (,) è inversamente proporzionale al rapporto dei rispettivi avvolgimenti , :



redattore del materiale didattico: marco pezzini