Le basi dei trasformatori
Questo documento spiega la teoria di base e il funzionamento dei trasformatori
AGGIORNATO 29 AGOSTO 2024
1. Introduzione ai trasformatori
I trasformatori sono componenti essenziali dei sistemi elettrici ed elettronici.
Fornire isolamento elettrico e svolgere il compito fondamentale di trasformare tensioni e correnti. Anche se il processo di progettazione può talvolta essere visto come un'“arte”, la loro costruzione e funzionalità si basano su principi fisici fondamentali.
Questo articolo approfondisce i fondamenti della teoria, del funzionamento e delle prestazioni dei trasformatori, offrendo approfondimenti sulle loro caratteristiche principali e considerazioni pratiche.
2. Teoria di base del trasformatore
I trasformatori garantiscono l'isolamento elettrico tra i circuiti, fattore fondamentale per la sicurezza e la funzionalità in diverse applicazioni.
Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico attorno al quale sono avvolte bobine primarie e secondarie.
Applicando una tensione alternata alla bobina primaria, si genera una corrente alternata che corrisponde al flusso magnetico alternato nel nucleo.
Questo flusso induce una tensione sia nella bobina secondaria che in quella primaria, mettendo così in atto la legge di induzione di Faraday.
La figura sopra rappresenta gli elementi essenziali di un trasformatore: un nucleo magnetico con una bobina primaria e una secondaria avvolte sui rami del nucleo magnetico.
Una tensione alternata (Vp) applicata al primario crea una corrente alternata (Ip) attraverso il primario.
Questa corrente produce un flusso magnetico alternato nel nucleo magnetico.
Questo flusso magnetico alternato induce una tensione in ogni spira del primario e in ogni spira del secondario.
Poiché il flusso è costante, cioè uguale sia nel primario che nel secondario:
Questa equazione mostra che un trasformatore può essere utilizzato per aumentare o diminuire una tensione alternata controllando il rapporto tra spire primarie e secondarie. (Azione del trasformatore di tensione).
Si può anche dimostrare che:
Volt Ampere Primari = Volt Ampere Secondari
Questa equazione mostra che un trasformatore può essere utilizzato per aumentare o diminuire una corrente alternata controllando il rapporto tra spire primarie e secondarie.
(Azione del trasformatore di corrente)
Si noti che non esiste alcuna connessione elettrica tra gli avvolgimenti primario e secondario.
Un trasformatore, quindi, fornisce un mezzo per isolare un circuito elettrico da un altro.
Queste caratteristiche (trasformazione tensione/corrente e isolamento) non possono essere ottenute in modo efficiente con nessun altro mezzo, con il risultato che i trasformatori vengono utilizzati in quasi tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche del mondo.
3. Curve BH
Le proprietà magnetiche del materiale del nucleo influenzano notevolmente le prestazioni di un trasformatore. Quando la bobina primaria del trasformatore viene energizzata, la corrente magnetizzante crea una forza magnetizzante (H), che genera un flusso magnetico (B) nel nucleo. Questa relazione tra B e H è rappresentata dalla curva BH del materiale.
La forza magnetizzante (H) è uguale al prodotto della corrente magnetizzante per il numero di spire ed è espressa in Ampere - Giri.
Le curve BH illustrano la densità del flusso in funzione della forza magnetizzante, ovvero all'aumentare di (H), (B) aumenta fino a quando il materiale del nucleo non è saturo.
A saturazione, ulteriori aumenti di (H) non aumentano significativamente (B) ed è per questo che progettare trasformatori che funzionino al di sotto del punto di saturazione è fondamentale per garantire prestazioni efficienti.
Dalla curva BH si può vedere che, aumentando la forza magnetizzante da zero, il flusso aumenta fino a un certo valore massimo.
Al di sopra di questo livello, ulteriori aumenti della forza magnetizzante non comportano alcun aumento significativo del flusso. Il materiale magnetico è detto "saturo".
Un trasformatore è normalmente progettato per garantire che la densità del flusso magnetico sia al di sotto del livello che causerebbe la saturazione.
La densità di flusso può essere determinata utilizzando la seguente equazione:
Dove:
E rappresenta il valore RMS della tensione applicata.
N rappresenta il numero di spire dell'avvolgimento.
B rappresenta il valore massimo della densità del flusso magnetico nel nucleo (Tesla).
A rappresenta l'area della sezione trasversale del materiale magnetico nel nucleo (metri quadrati).
f rappresenta la frequenza dei volt applicati.
Nota
1 Tesla = 1 Weber/metro²
1 Weber/m² = 10.000 Gauss
1 Amperegiro per metro = 4 px 10-3 Oersted
In pratica, tutti i materiali magnetici, una volta magnetizzati, mantengono parte della loro magnetizzazione anche quando la forza magnetizzante viene ridotta a zero.
Questo effetto è noto come "rimanenza" e fa sì che la curva BH del materiale mostri una risposta a una forza magnetizzante decrescente diversa dalla risposta a una forza magnetizzante crescente.
In pratica i materiali magnetici reali hanno una curva BH come segue:
La curva mostrata sopra è definita ciclo di "isteresi" del materiale e rappresenta la vera risposta BH del materiale. (La prima curva BH rappresenta la media o lo standard della vera risposta del ciclo BH).
La pendenza della curva BH, il livello di saturazione e la dimensione del ciclo di isteresi dipendono dal tipo di materiale utilizzato e da altri fattori.
Ciò è illustrato dai seguenti esempi:
 | Nucleo di ferro di bassa qualità Densità di flusso ad alta saturazione Ciclo grande = grande perdita di isteresi Adatto per 50/60Hz |
 | Nucleo di ferro di alta qualità Densità di flusso ad alta saturazione Ciclo medio = perdita di isteresi media Adatto per trasformatori da 400 Hz |
 | Nucleo in ferrite - senza traferro Densità di flusso di saturazione media Piccolo ciclo = piccola perdita di isteresi Adatto per trasformatori ad alta frequenza |
 | Nucleo di ferrite - grande traferro Piccolo ciclo = piccola perdita di isteresi Adatto per induttori ad alta frequenza con grande corrente continua |
4. Perdita di isteresi
La curva BH presenta un fenomeno chiamato isteresi.
Si tratta di un fenomeno in cui la magnetizzazione del materiale del nucleo è in ritardo rispetto alla forza magnetizzante: le perdite di energia risultanti da questo evento sono note come perdita per isteresi.
I materiali con cicli di isteresi più grandi subiscono perdite maggiori.
Questa perdita è rappresentata dall'area racchiusa nel ciclo di isteresi BH.
Per questo motivo, i nuclei dei trasformatori sono progettati con materiali che presentano una bassa perdita di isteresi per migliorarne l'efficienza.
5. Perdita di correnti parassite
Le correnti parassite (chiamate anche correnti di Foucault) sono circuiti di corrente elettrica indotti nel materiale del nucleo dal flusso magnetico alternato.
Le correnti creano una perdita resistiva che porta al riscaldamento del nucleo, fenomeno noto come perdita per correnti parassite, poiché ha l'aspetto di mulinelli o vortici.
Per ridurre al minimo le perdite, i nuclei dei trasformatori sono realizzati con fogli laminati o materiali di ferrite, che limitano i percorsi di queste correnti.
6. Circuito equivalente del trasformatore
Un trasformatore ideale con un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari può essere rappresentato come mostrato di seguito
Un tale trasformatore ha le seguenti caratteristiche:
- Nessuna perdita
- Accoppiamento perfetto tra tutti gli avvolgimenti
- Impedenza a circuito aperto infinita (vale a dire, nessuna corrente di ingresso quando i secondari sono a circuito aperto).
- Isolamento infinito tra gli avvolgimenti
In pratica, i trasformatori differiscono dal modello ideale a causa di varie caratteristiche non ideali. I circuiti equivalenti dei trasformatori incorporano questi aspetti:
- Resistenze di avvolgimento
- Capacità
- Perdite di base
- Induttanza magnetizzante
- Induttanze di dispersione
Queste variabili aiutano a prevedere le prestazioni del trasformatore e gli scostamenti dal modello ideale.
Molte di queste caratteristiche possono essere rappresentate da un circuito equivalente del trasformatore:
Dove:
R1, R2, R3 rappresentano la resistenza del filo dell'avvolgimento.
C1, C2, C3 rappresentano la capacità tra gli avvolgimenti.
Rp rappresenta le perdite dovute alle perdite di corrente parassita e di isteresi. Queste sono le perdite di potenza reali, a volte chiamate perdite di nucleo, che possono essere misurate eseguendo una misurazione della potenza a circuito aperto. Poiché non c'è corrente di carico, c'è una perdita di rame I 2 R molto piccola nell'avvolgimento energizzato e i watt misurati senza carico sono quasi tutti dovuti al nucleo.
Lp rappresenta l'impedenza dovuta alla corrente magnetizzante. Questa è la corrente che genera la forza magnetizzante, H, utilizzata nei diagrammi del loop BH. Si noti che questa corrente potrebbe non essere una semplice onda sinusoidale, ma può avere una forma distorta e a picco, se il trasformatore viene azionato nella regione non lineare della curva BH. Questo è solitamente il caso dei trasformatori di tipo laminato a frequenza di linea.
L1, L2, L3 rappresentano l'induttanza di dispersione di ciascuno degli avvolgimenti. (Questo è discusso in dettaglio nella Nota Voltech 104-105, "Induttanza di dispersione".)
7. Conclusioni
Il circuito equivalente di un trasformatore riflette le proprietà reali del circuito magnetico costituito dal nucleo e dagli avvolgimenti.
Il circuito equivalente può quindi essere utilizzato con sicurezza per comprendere e prevedere le prestazioni elettriche del trasformatore in una varietà di situazioni.
La comprensione dei principi di base e delle considerazioni pratiche sul funzionamento dei trasformatori consente agli ingegneri di progettare, testare e applicare i trasformatori in modo efficace in diverse applicazioni.
8. Ulteriori letture
La comprensione del circuito equivalente di un trasformatore consente agli ingegneri di analizzare e prevedere le sue prestazioni elettriche in varie condizioni operative. Aiuta anche a ottimizzare i processi di progettazione e collaudo, assicurando che i trasformatori soddisfino gli standard di qualità ed efficienza.
Ulteriori note tecniche in questa serie illustrano come i parametri del circuito equivalente vengono utilizzati per ricavare test pratici sui trasformatori, al fine di garantirne la qualità in un ambiente di produzione.