In un sistema elettrico, il trasformatore funge da anello di congiunzione tra due reti a tensioni diverse. Riceve una potenza elettrica in ingresso dalla rete primaria e fornisce una potenza elettrica in uscita alla rete secondaria, destinata all’alimentazione del carico finale.
È importante considerare che il trasformatore non è solo un componente che “cambia la tensione”, ma è esso stesso un elemento dell’impianto che assorbe una piccola quota di potenza e che deve essere scelto correttamente per supportare in maniera idonea il carico elettrico da alimentare. Il trasformatore elettrico è una macchina elettrica statica fondamentale per la distribuzione e l’utilizzo dell’energia elettrica.
La sua funzione principale è quella di variare i valori di tensione e corrente tra l’ingresso e l’uscita, mantenendo – nella sua analisi ideale – costante la potenza trasmessa. Grazie all’assenza di parti in movimento raggiunge rendimenti elevatissimi, che possono arrivare fino al 99%.
Il suo funzionamento si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica. In un trasformatore, la corrente alternata che attraversa il primo circuito (avvolgimento primario) genera un flusso magnetico variabile. Questo flusso, incanalato attraverso un nucleo di materiale ferromagnetico, va a concatenarsi con un secondo circuito (avvolgimento secondario).
Per la legge di induzione, questa variazione di flusso magnetico “induce” una differenza di potenziale (tensione) ai capi del secondo avvolgimento, permettendo il trasferimento di energia elettrica senza che i due circuiti siano collegati meccanicamente o elettricamente tra loro. Appare chiaro, quindi, che il trasformatore funziona esclusivamente in regime di corrente alternata.
La struttura fondamentale del trasformatore monofase è composta da tre elementi principali:
• avvolgimento primario: il lato collegato alla rete di alimentazione (ingresso);
• avvolgimento secondario: il lato collegato all’utilizzatore o carico (uscita);
• nucleo magnetico: realizzato in materiale ferromagnetico, serve a facilitare il percorso del flusso magnetico tra i due avvolgimenti.
Considerando un trasformatore ideale – cioè senza perdite – è possibile considerare uguali la potenza apparente in ingresso (assorbita al primario) e quella in uscita (fornita al secondario):
Definendo il rapporto di trasformazione, indicato generalmente con K, come i rapporti sopra indicati è possibile dimostrare (uguagliando l’espressione del flusso concatenato al primario e al secondario) che essi sono anche pari a quello fra il numero di spire al primario e quello al secondario:
Dove:
• VP: tensione al primario;
• VS: tensione al secondario;
• IP: intensità di corrente al primario:
• IS: intensità di corrente al secondario;
• NP: numero di avvolgimenti (spire) al primario;
• NS: numero di avvolgimenti (spire) al secondario.
Se K > 1 (NS < NP) il trasformatore è detto “step down” o “abbassatore” (VS < VP).
Se K < 1 (NS > NP) il trasformatore è detto “step up” o “elevatore” (VS > VP).
Se K =1 (NS = NP) il trasformatore serve a separare galvanicamente le due reti collegate (VS = VP).
Il comportamento del trasformatore nei riguardi dell’intensità di corrente è reciproco del precedente. In un trasformatore reale è necessario tenere in conto le perdite che possono essere ricondotte a:
• perdite nel rame, PCu: effetto Joule (riscaldamento) nei conduttori;
• perdite nel ferro, PFe: isteresi, correnti parassite e flussi dispersi.
L’effetto Joule dipende dalla resistenza elettrica degli avvolgimenti e dal quadrato dell’intensità di corrente che vi circola: in un trasformatore abbassatore la corrente al secondario è più alta di quella nel primario per cui il contributo alle perdite è qui maggiore (ma non esclusivo).
Le perdite per isteresi – alla fine anch’esse riconducibili negli effetti a perdite termiche – dipendono dalla caratteristica di magnetizzazione del nucleo che non è lineare: il materiale del nucleo, in pratica, si magnetizza in maniera differente se il campo magnetizzante varia in aumento o in diminuzione.
Le correnti parassite circolano, sempre per effetto dell’induzione elettromagnetica, all’interno del nucleo ferromagnetico del trasformatore provocandone un ulteriore riscaldamento. I flussi dispersi dipendono dal fatto che il nucleo del trasformatore, per quanto caratterizzato da elevatissima ma non infinita permeabilità magnetica, non riesce a convogliare dal primario al secondario tutto il flusso magnetico una parte (minima) del quale si richiude nell’aria che lo circonda.
È importante osservare che le perdite nel ferro – dipendendo principalmente dalla magnetizzazione del nucleo – caratterizzano il trasformatore anche nel funzionamento a vuoto, cioè quando non alimenta alcun carico. A differenza delle macchine elettriche rotanti, i trasformatori non annoverano tra le perdite quelle meccaniche (attriti e ventilazione) riuscendo, quindi, a garantire rendimenti così elevati.
Dal punto di vista tecnologico, il nucleo non è un blocco di ferro massiccio, ma è realizzato con lamierini sottili sovrapposti ed uniti mediante un idoneo collante isolante. Questa scelta tecnica è fondamentale per ridurre le perdite di energia causate dalle correnti parassite che circolerebbero nel metallo.
Per ridurre le perdite per isteresi, invece, si è soliti utilizzare come materiale del nucleo dei trasformatori ferro additivato con silicio. I trasformatori, nelle versioni di elevata potenza utilizzate per ridurre la tensione di rete dai valori di media tensione (MT) a quelli di bassa tensione (BT), possono essere anche trifasi.
