I TRASFORMATORI

Il trasformatore viene definito come una macchina statica ad induzione elettromagnetica nella quale si ha un trasferimento di energia tra due o più circuiti. Esso è costituito da un nucleo magnetico nel quale ci sono due avvolgimenti: uno primario, uno secondario.

• L'avvolgimento primario e quello a cui capi viene applicata la tensione
• L'avvolgimento secondario e quello dal quale si preleva la tensione trasformata

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento di un trasformatore si basa all'elettromagnetismo.

Il nucleo forma un circuito magnetico chiuso all'interno dove circola un flusso variabile a secondo le variazioni della corrente. Con questo flusso variabile si concatenano le spire del secondo avvolgimento costituendo f.e.m. con la quale consegue una tensione che chiudendo il circuito circola corrente. Il rapporto di trasformazione è uguale al rapporto inverso delle correnti.

Caratteristiche e date di targa 

Le caratteristiche e date di targa per la scelta di un trasformatore sono:

• La potenza nominale
• Corrente nominale
• Tensione nominale al primario
• Tensione secondaria a vuoto
• Tensione di corto circuito
• Tipo di collegamento e l'indice orario

Potenza nominale

È il valore convenzionale della potenza apparente che serva da base per la costruzione della macchina.

Corrente nominale

È il valore della corrente che può circolare negli avvolgimenti senza creare sopratemperature quando assorbe la sua tensione e potenza nominale.

Tensione nominale al primario

Contraddistingue il sistema elettrico in cui sarà inserita la macchina.

Tensione secondaria a vuoto

Viene misurata ai morsetti del secondario in assenza di carico.

Tensione di corto circuito

Serve per determinare le impedenze interne della macchina le cadute di tensione e le correnti di corto circuito a valle della macchina.

Tipo di collegamento e l'indice orario

Sono necessarie per fissare il tipo di distribuzione e l'eventuale parallelo con altri trasformatori.

Caratteristiche intrinseche di un trasformatore

• Perdite nel ferro
• Perdite nel rame
• Perdite a carico
• Rendimento

Perdite nel ferro

Sono dovute all'isteresi magnetica e alle correnti parasite circolanti nel nucleo magnetico.

Perdite nel rame

Rappresentano le perdite per effetto Joule nel avvolgimento primario e secondario.

Perdite a carico

Sono la somma delle perdite nel ferro con le perdite nel rame.

Rendimento

Rappresenta il rapporto tra la potenza resa e la potenza assorbita.

Il funzionamento del trasformatore è reversibile

Il funzionamento del trasformatore è perfettamente reversibile e per tanto entrambi gli avvolgimenti possono funzionare indifferentemente come primario o secondario a seconda di come vengono alimentati.

Gli elementi esenziali di un trasformatore

Elementi esenziali di un trasformatore sono:

• Nucleo magnetico
• Avvolgimenti

Nucleo magnetico

È costituito da sottili lamierini isolati tra di loro è vengono realizzati in ferro legato con silicio. La presenza del silicio non va oltre al 4,5 per non compromettere la resistenza meccanica. Inoltre il silicio permette una notevole riduzione delle perdite nel ferro. Lo spessore dei lamierini e di 0,5 mm per i trasformatori di piccola potenza, mentre e di 0,35 mm per i trasformatori di grande e media potenza. I lamierini sono isolati tra di loro con delle apposite vernici una delle quale frequentemente utilizzate e la Carlite.Il nucleo costituisce un circuito chiuso che può essere suddiviso in quattro parti:

giogo inferiore

giogo superiore o traversa

giunti

colonne

Inoltre il nucleo può essere realizzato a colonne o a mantello:

Il nucleo colonne viene utilizzato sia per i trasformatori monofase che per quelli trifase.

Il nucleo a mantello o corazzato assume la forma caratteristica per i trasformatori monofase e trifase.

Per ridurre a massimo le perdite i lamierini dovrebbero essere realizzati tutti di un pezzo evitando i giunti che aumento la riluttanza del circuito magnetico. Però questo tipo di costruzione renderebbe difficoltoso il montaggio degli avvolgimenti.

I giunti

Vengono realizzati in due modi:

piallati o piano

intercalato o sfalsato

Giunti piallati

I pachi di lamierini relative ai gioghi o alle colonne vengono assemblati separatamente per poi essere serrati insieme con opportuni tiranti. Per ottenere un buon contatto tra i giochi e le colonne le superfici di appoggio sono piallate e nel giunto viene interposto un sottile cartoncino isolante. La presenza fa aumentare la corrente magnetizzante e le perdite.

Giunti intercalati

Si realizzano sfalsando i giunti tra i singoli strati di lamierini.

Per rendere il nucleo più compatto le colonne dovrebbero essere realizzate a sezione circolare ma ciò presenta delle difficoltà costruttive in quanto i lamierini dovrebbero essere realizzati tutti di diversa misura.

Avvolgimenti 

Gli avvolgimenti vengo disposti su una stessa colonna. Essi si distinguono in tre tipi di realizzazione a secondo della posizione degli avvolgimenti di alta e basa tensione.

Concentrici

Doppi concentrici

A bobine alternate

Tipo Concentrico

Nel tipo concentrico ciascun tipo di avvolgimento è distribuito lungo la colonna. L'avvolgimento a bassa tensione, isolato dal nucleo mentre quello ad alta tensione da tubi in carta bachelizzata.

Tipo Doppio Concentrico  

Nel tipo doppio concentrico l'avvolgimento a tensione più bassa è diviso in due metà disposte all'esterno di quello a tensione più alta.

Tipo Bobina Alternata

Nel tipo bobina alternata gli avvolgimenti a basa e alta tensione sono suddivisi in un certo numero di bobine che sono disposte sulle colonne in modo alternato. Le bobine esterne sono quelle a tensione più bassa.

Tipi di collegamento gruppi e parallelo dei trasformatori

Nei trasformatori trifase dopo aver individuato i trinci e la fine delle fasi è possibile seguire i collegamenti nel seguente modo:

Stella

Triangolo

Zig Zag

Collegamento a Stella

Si realizza collegando le tre estremità inferiori o superiori in modo da formare il centro stella.

Collegamento a Triangolo

Si ottiene collegando la f.e.m. di una fase con l'inizio di una fase successiva.

Sopraelevazione di temperatura - Raffreddamento e Protezione

Un problema importante che si verifica nel trasformatore è quello della sopraelevazione della temperatura per effetto delle perdite nel rame e nel ferro.

A tal proposito si deve verificare che la sopratemperatura degli avvolgimenti sia compatibile con la classe di isolamento prescelta per ciò si deve verificare che:

Θ si calcola con la seguente relazione:

in cui:

S_a        è la sopratemperatura degli avvolgimenti rispetto a l'ambiente.

è la sopratemperatura rispetto a all'ambiente

è il salto termico all'interno degli avvolgimenti pari a 10 - 20 ° C

X         è il valore della massima temperatura ammissibile in funzione della classe prescelta

P_p            è la perdita di potenza totale [ W ]

è il coefficiente di trasmissione termico

A     è la superficie complessiva disperdente alla superficie dell'avvolgimento Esterno.

Raffreddamento

I trasformatori vengono raffreddati in vari modi i quali:

• A area
• G gas diversi dell'area
• O olio minerale
• L liquido dielettrico diverso dall'olio
• W acqua
• F circolazione forzata

I principali tipi di raffreddamento per i trasformatori sono :

Raffreddamento naturale

Raffreddamento forzato

Raffreddamento naturale

Nel raffreddamento naturale i calore è asportato per convenzione dall'area che circola nella macchina. Questo tipo si usa per i trasformatori con potenza massima 40 - 50 kVA

Raffreddamento forzato

Nel raffreddamento forzato il calore viene asportato dall'area messa in movimento da ventilatori.

I principali tipi di raffreddamento ad olio sono:

Raffreddamento naturale

Raffreddamento forzato con aria forzata

Raffreddamento forzato a circolazione d'olio

Raffreddamento naturale

Nel raffreddamento naturale l'olio che si riscalda diminuisce di peso specifico e quindi sale verso la sommità del cassone, mentre l'olio freddo viene spinto verso la parte bassa. L'olio che si trova a contatto con la sommità del cassone cede calore all'ambiente circostante raffreddandosi.

Raffreddamento forzato con aria forzata

Nel raffreddamento forzato con aria forzata l'olio viene inviato tramite una pompa in dei refrigeratori esterni raffreddandolo tramite l'ausilio di ventilatori. 

Raffreddamento forzato a circolazione d'olio

Nel raffreddamento forzato a circolazione d'olio, l'olio caldo e convogliato da una pompa in un refrigeratore a tubi di rame o ferro e raffreddato tramite acqua corrente.

Protezioni

Nei trasformatori ci sono due tipi di protezioni, le quali si distinguono in :

• Protezioni repressive
• Protezioni preventive

Protezioni repressive

Servono ad evitare che la macchina si danneggi in maniera notevole dopo un eventuale guasto.

Protezioni preventive

Servono ad evitare che si manifesti un guasto.

Ispezioni Periodiche e Manutenzione

I trasformatori sono macchine elettrica statiche che sono molto robuste e in genere richiedono una minore manutenzione.

I principali controlli da effettuare sono:

• Sorveglianza e pulizia dei conduttori nudi e delle macchine
• Verifica periodica dello stato d'olio isolante
• Verifica dell'isolamento delle parti attive e delle masse
• Verifica delle connessioni e dello stato di usura delle parti meccaniche
• Rilievi termoscopici misure delle induttanze di corto circuito.