Le basi dei trasformatori

1. Introduzione ai trasformatori

La progettazione e il test dei trasformatori sono talvolta visti come un'arte piuttosto che come una scienza.
I trasformatori sono dispositivi imperfetti e ci saranno differenze tra i valori di progettazione di un trasformatore, le misurazioni dei test e le sue prestazioni reali in un circuito.
Tornando alle origini, questa nota tecnica aiuterà gli ingegneri progettisti e collaudatori a comprendere come le caratteristiche elettriche di un trasformatore siano il risultato delle proprietà fisiche del nucleo e degli avvolgimenti.

2. Teoria base dei trasformatori

La figura sopra rappresenta gli elementi essenziali di un trasformatore: un nucleo magnetico con una bobina primaria e secondaria avvolta sui lembi 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 giro del primario e in ogni giro del secondario.

Poiché il flusso è una costante, cioè lo stesso sia nel primario che nel secondario:

Questa equazione mostra che un trasformatore può essere utilizzato per aumentare o diminuire una tensione CA controllando il rapporto tra spire primarie e secondarie. (Azione del trasformatore di tensione).

Si può anche dimostrare che:
Volt-Ampere primario = Volt-Ampere secondario

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 noterà che non esiste alcun collegamento elettrico tra gli avvolgimenti primario e secondario.
Un trasformatore, quindi, fornisce un mezzo per isolare un circuito elettrico da un altro.
Queste caratteristiche - trasformazione e isolamento di tensione/corrente - 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 nel mondo.

3. Curve BH

Quando il primario di un trasformatore viene alimentato con il secondario scarico, nel primario circola una piccola corrente. Questa corrente crea una "forza magnetizzante" che produce il flusso magnetico nel nucleo del trasformatore.
La forza magnetizzante (H) è uguale al prodotto della corrente magnetizzante per il numero di spire ed è espressa in Ampere - Giri.
Per ogni dato materiale magnetico, è possibile tracciare un grafico della relazione tra la forza magnetizzante e il flusso magnetico prodotto. Questa è nota come curva BH del materiale.

Dalla curva BH si può vedere che, all'aumentare della forza magnetizzante da zero, il flusso aumenta fino ad un certo valore massimo di flusso.

Al di sopra di questo livello, ulteriori aumenti della forza magnetizzante non determinano alcun aumento significativo del flusso. Si dice che il materiale magnetico sia "saturo".

Un trasformatore è normalmente progettato per garantire che la densità del flusso magnetico sia inferiore al livello che causerebbe la saturazione.
La densità di flusso può essere determinata utilizzando la seguente equazione:

Dove:
E rappresenta il valore efficace 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 è 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 che è 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 chiamata ciclo di "isteresi" del materiale e rappresenta la vera risposta BH del materiale. (La prima curva BH rappresentava la media della vera risposta del circuito 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 utilizzando i seguenti esempi:

	Nucleo di ferro di bassa qualità Densità di flusso ad alta saturazione Ciclo ampio = 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: nessun traferro Densità di flusso a media saturazione Anello piccolo = piccola perdita di isteresi Adatto per trasformatori ad alta frequenza
	Nucleo in ferrite: ampio traferro Anello piccolo = piccola perdita di isteresi Adatto per induttori ad alta frequenza con grande corrente CC

4. Perdita di isteresi

La perdita di isteresi è il risultato del ciclo del materiale magnetico lungo la sua curva BH.

Rappresenta l'energia presa come tensione applicata, allinea i dipoli magnetici prima in una direzione e poi nell'altra.

La perdita aumenta con l'area della curva BH racchiusa. Man mano che il materiale si avvicina alla saturazione, sia l'area all'interno della curva, sia la corrispondente perdita di energia ad ogni ciclo, aumentano sostanzialmente.

5. Perdita di correnti parassite

La perdita di correnti parassite è causata da piccole correnti che circolano all'interno del materiale del nucleo, stimolate dal flusso alternato nel nucleo.
La perdita di potenza I*I*R (perdita di "riscaldamento") associata a queste correnti produce un riscaldamento del nucleo noto come perdita di correnti parassite.
Nei trasformatori con nucleo in ferro, vengono utilizzate lamiere di ferro isolate note come lamierini per ridurre al minimo questo effetto limitando il percorso delle correnti circolanti.
I nuclei di ferrite limitano ulteriormente questi percorsi.

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
• Perfetto accoppiamento tra tutti gli avvolgimenti
• Impedenza di circuito aperto infinita (ovvero, nessuna corrente di ingresso quando i secondari sono a circuito aperto).
• Isolamento infinito tra gli avvolgimenti
In realtà i trasformatori pratici presentano caratteristiche che differiscono da quelle di un trasformatore ideale.
Molte di queste caratteristiche possono essere rappresentate da un circuito equivalente del trasformatore:

Dove:
R1, R2, R3 rappresentano la resistenza del filo di avvolgimento.

C1, C2, C3 rappresentano la capacità tra gli avvolgimenti.

Rp rappresenta le perdite dovute alle correnti parassite e alle perdite per isteresi. Queste sono le perdite di potenza reali, a volte chiamate perdite del nucleo, che possono essere misurate eseguendo una misurazione della potenza a circuito aperto. Poiché non c'è corrente di carico, la perdita di rame I ² R nell'avvolgimento energizzato è minima 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 ad anello 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 utilizzato nella regione non lineare della curva BH. Questo di solito è il caso dei trasformatori laminati 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 reali proprietà 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.

8. Ulteriori letture

Il circuito equivalente può essere utilizzato anche per comprendere e ottimizzare i test e le condizioni di prova che possono essere utilizzati per verificare che un trasformatore sia stato costruito correttamente.
Ulteriori note tecniche di questa serie discutono come i parametri del circuito equivalente vengono utilizzati per derivare prove pratiche sui trasformatori per garantirne la qualità in un ambiente di produzione.

9. Vedi anche: