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trasformatóre

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Lessico

agg. e sm. (f. -trice) [sec. XVII; da trasformare].

1) Agg. che/chi trasforma: provvedimenti trasformatori del costume.

2) Sm., macchina elettrica statica destinata a convertire energia elettrica variandone il livello di tensione.

3) In acustica, trasformatore acustico, dispositivo costituito da un condotto che presenta una brusca variazione di area della sezione trasversale, dal valore A₁al valore A₂. In tale ipotesi, se nel condotto si propaga longitudinalmente un'onda sonora piana, in corrispondenza della variazione di area la velocità di spostamento varia nel rapporto inverso delle aree, ossia è: v₁A₁=v₂A₂. Il dispositivo costituisce un trasformatore per la velocità di spostamento, o per le pressioni sonore, che variano nel rapporto inverso, analogamente alle variazioni della tensione e della corrente elettrica in un trasformatore elettrico.

Elettrotecnica: generalità

Il trasformatore, il cui funzionamento è basato sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, opera con tensioni alternate; la conversione non comporta variazioni nella frequenza. Un trasformatore è costituito essenzialmente da due (in qualche caso anche più di due) circuiti elettrici concatenati con un circuito magnetico. I circuiti elettrici sono avvolgimenti isolati l'uno dall'altro e avvolti attorno a un nucleo in materiale ferromagnetico (lamierini magnetici) che costituisce il circuito magnetico. Un avvolgimento è collegato alla linea di alimentazione e viene detto primario; l'altro è collegato a uno o più utilizzatori e viene detto secondario. Il trasformatore è reversibile, nel senso che ogni avvolgimento può essere inserito come primario o come secondario indifferentemente. Tale reversibilità può trovare dei limiti nella struttura dei trasformatori muniti di avvolgimenti ausiliari o di avvolgimenti particolarmente strutturati. Alimentando l'avvolgimento primario di un trasformatore con una tensione alternata, si produce, nel circuito magnetico con esso concatenato, un flusso di induzione magnetica pure alternato. Tale flusso, concatenandosi con gli avvolgimenti primario e secondario, genera in essi, per induzione elettromagnetica, delle forze elettromotrici E₁ ed E₂: detta la forza elettromotrice generata in una spira di avvolgimento, si ha E₁=N₁E´, E₂=N₂E´, dove N₁ e N₂ sono, rispettivamente, i numeri di spire degli avvolgimenti primario e secondario. Risulta perciò E₁/E₂=N₁/N₂, ossia il rapporto tra le forze elettromotrici agenti sui due circuiti è pari al rapporto spire k. Poiché le forze elettromotrici differiscono dalle corrispondenti tensioni V₁ e V₂ ai morsetti dei due avvolgimenti per le cadute di tensione negli avvolgimenti stessi, le quali sono di valore relativamente piccolo, si ha che il rapporto tra il valore della tensione V₁ con cui si alimenta l'avvolgimento primario e quello della tensione V₂ prelevabile ai morsetti del secondario è, in prima approssimazione, pari al rapporto spire. Più precisamente si possono definire tre rapporti caratteristici, poco diversi l'uno dall'altro: il rapporto spire k, il rapporto di trasformazione a carico k=V₁/V₂ e il rapporto di trasformazione a vuoto k, dove V₂0 è la tensione che si misura ai morsetti del secondario quando non è collegato a essi nessun utilizzatore. La differenza tra tali rapporti dipende dalle perdite di potenza attiva e dalle dispersioni di flusso nel trasformatore: se si trascurano tali elementi, le potenze apparenti (prodotti dei valori della tensione e dell'intensità di corrente corrispondente) ai morsetti dei due avvolgimenti sono uguali e risulta, perciò, V₁∤I₁=V₂∤I₂ e quindi I₂/I₁=V₁/V₂. Si conclude che il trasformatore agisce in senso complementare sui parametri della potenza, ossia se abbassa (o innalza) in un determinato rapporto la tensione secondaria rispetto alla primaria, innalza (o abbassa) nello stesso rapporto l'intensità della corrente secondaria rispetto a quella della corrente primaria.

Elettrotecnica: trasformatore trifase e monofase

Negli impianti elettrici vengono comunemente usati trasformatori trifase e trasformatori monofase. I trasformatori trifase, i cui avvolgimenti primari e secondari possono essere collegati, in base a diverse considerazioni, a stella o a triangolo, costituiscono la quasi totalità dei trasformatori che fanno parte delle reti di trasmissione e di distribuzione dell'energia elettrica. In particolare, la distribuzione alle utenze a bassa tensione viene realizzata mediante trasformatori trifase, posti in apposite cabine, con l'avvolgimento secondario collegato a stella con neutro accessibile. Sono così disponibili le tensioni tra conduttori di fase (generalmente pari, in Italia, a 380 V) e le tensioni tra conduttori di fase e conduttore neutro (220 V). Per l'alimentazione delle utenze monofase e trifase di tipo industriale degli edifici civili, come ascensore, pompe dell'impianto di riscaldamento ecc., si impiega la linea trifase a 380 V (due conduttori per le utenze monofase), mentre le utenze domestiche monofase a 220 V vengono alimentate portando in ogni abitazione uno dei conduttori di fase e il conduttore neutro. Nelle grandi reti di distribuzione si possono installare gruppi di tre monofase al posto di un unico trifase.

Elettrotecnica: struttura

Le parti attive del trasformatore, ossia la struttura magnetica (nucleo) e gli avvolgimenti, opportunamente isolati, sono spesso contenuti in un involucro protettivo. Nei trasformatori di potenza il contenitore (cassone) contiene l'olio di raffreddamento; i terminali degli avvolgimenti vengono portati all'esterno del cassone mediante isolatori passanti che lo attraversano. Il nucleo è costituito da pacchi di lamierino magnetico, di forma tale da costituire una struttura chiusa che comprende elementi verticali (colonne) e orizzontali (gioghi). Sulle colonne vengono realizzati gli avvolgimenti costituiti, nei trasformatori di potenza rilevante, da piattine di rame di notevole sezione, spesso a più vie in parallelo; nei trasformatori di piccola potenza, gli avvolgimenti sono in filo isolato per smaltatura. I trasformatori vengono detti a mantelloo corazzati quando gli avvolgimenti risultano totalmente all'interno della struttura del nucleo, a colonnequando gli avvolgimenti si sviluppano parzialmente all'esterno del nucleo. In un trasformatore monofase a mantello, gli avvolgimenti sono disposti sulla colonna centrale, e le due colonne laterali sono libere. Nei trasformatori monofase a colonne, invece, gli avvolgimenti si trovano sulle due colonne del nucleo; nei trasformatori trifase il nucleo è costituito, nella maggior parte dei casi, da tre colonne verticali e dai gioghi; gli avvolgimenti sono sulle tre colonne. Nei trasformatori a cinque colonne, usati di solito per forti potenze, vi sono tre colonne centrali sulle quali sono disposti gli avvolgimenti; nei trasformatori trifase a mantello il nucleo ha sviluppo verticale. Per ottenere un buon concatenamento tra avvolgimenti e flusso magnetico, ossia per ridurre le dispersioni di flusso, l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario, eventualmente suddivisi, vengono disposti sulle stesse colonne e possono essere coassiali o costituiti da bobine intercalate.Gli elementi fondamentali atti a definire un trasformatore sono i valori di tensione (tensioni nominali) e di intensità di corrente (correnti nominali) in base a cui vengono dimensionati gli avvolgimenti: tali valori definiscono il rapporto di trasformazione nominale e la potenza nominale del trasformatore: quest'ultima è una potenza apparente, data dal prodotto dei valori nominali delle tensioni e delle corrispondenti intensità di corrente. Sia le tensioni di esercizio sia le potenze nominali possono variare entro limiti molto ampi: si va infatti dalle tensioni dei piccoli trasformatori d'uso domestico (tipicamente 220 V al primario, 12 o 24 V al secondario) a quelle dei trasformatori in uscita dalle grandi centrali collegate agli elettrodotti di recente costruiti sia in Europa sia in America (10-12 kV al primario, 750-850 kV al secondario). Sono inoltre in fase di studio trasformatori con tensione secondaria di 1000 kV, da inserire alle estremità di elettrodotti di grandissima portata e di lunghezza sulle migliaia di chilometri in fase di progetto. Corrispondentemente le potenze nominali possono variare da pochi voltampere, nei piccoli trasformatori come quelli per l'alimentazione di suonerie e simili, alle centinaia di megavoltampere dei tipi installati, per esempio, in uscita dalle centrali nucleotermoelettriche.

Elettrotecnica: rendimento

Si chiama rendimento del trasformatore il rapporto η=Pr/Pa tra la potenza Pr fornita al complesso di utilizzatori alimentati e la potenza Pa assorbita dal trasformatore; poiché la potenza assorbita è la somma della potenza resa e delle perdite proprie del trasformatore, il rendimento è tanto più elevato quanto minori sono tali perdite. Nei piccoli trasformatori, la considerazione del rendimento non ha grande importanza; viceversa, nei tipi di media e grande potenza, anche se il rendimento è elevato (viene spesso superato il 99%), l'entità delle dissipazioni di potenza, date le potenze in gioco, è elevata in valore assoluto e si traduce in una perdita di energia sensibile sul piano economico e in uno sviluppo di calore che comporta sempre non indifferenti problemi di raffreddamento. I trasformatori di piccola potenza e alcuni tipi speciali di media potenza presentano gli avvolgimenti e il nucleo esposti all'aria dell'ambiente, ossia non hanno alcuna protezione e non comprendono alcun sistema particolare di raffreddamento. In generale però i trasformatori di media e forte potenza sono contenuti in cassoni di lamiera a tenuta stagna, riempiti di olio, che ha funzione isolante e inoltre facilita l'asportazione del calore sviluppato dagli avvolgimenti e dal nucleo. Nei tipi di media potenza, l'olio circola per convezione all'interno del cassone e talvolta attraverso tubi che si sviluppano all'esterno del cassone. Nei tipi più grandi, la circolazione dell'olio è attivata da pompe, interne al cassone, e l'olio stesso passa attraverso veri e propri radiatori, raffreddati a loro volta da batterie di ventole. In tipi particolari, destinati a installazione sotterranea e posti in ambienti particolarmente angusti, si dispone all'interno del cassone uno scambiatore di calore, entro il quale, a mezzo di pompe esterne al trasformatore, circola l'acqua di raffreddamento.

Elettrotecnica: trasformatori speciali

Sono detti trasformatori speciali quei trasformatori che hanno struttura particolare, realizzata in modo tale da conferire al trasformatore caratteristiche che lo rendono adatto a determinati impieghi. Tra i trasformatori speciali si ricordano i seguenti: trasformatori a prese, che consentono di variare il numero di spire del secondario collegando le utenze a diverse prese, poste appunto sull'avvolgimento secondario; si usano quando occorre ottenere tensioni secondarie di valori differenti; trasformatori con variatore di tensione incorporato, che si usano quando occorra ottenere una tensione secondaria sensibilmente costante, in presenza di forti e brusche variazioni del carico del secondario o di fluttuazioni nel valore della tensione primaria; sono muniti di un terzo avvolgimento, dimensionato per una potenza minore di quella relativa ai due principali e di un combinatore telecomandato asservito a un sistema automatico che inserisce o esclude sezioni di spire dell'avvolgimento di regolazione; l'intero dispositivo può operare sotto carico, e cioè durante il normale funzionamento della macchina; trasformatori a corrente secondaria costante, portano un avvolgimento che può scorrere, per l'azione elettrodinamica dovuta alla circolazione delle correnti, lungo una colonna del nucleo, determinando una variazione delle dispersioni di flusso attraverso la quale si mantiene costante il valore dell'intensità di corrente secondaria; sono tipici delle reti di illuminazione stradale; autotrasformatori, i quali sono trasformatori con un solo avvolgimento, una parte del quale funziona da secondario: i piccoli trasformatori d'uso domestico, che possono essere alimentati da diverse tensioni di rete e fornire al secondario diversi valori di tensione, sono generalmente autotrasformatori; in campo industriale, si utilizzano autotrasformatori per potenze e tensioni molto elevate perché, per rapporti di trasformazione bassi, risultano più leggeri e meno costosi dei trasformatori normali di pari potenza; trasformatori di misura, che vengono sistematicamente inseriti nei circuiti con correnti molto intense o in alta tensione per poter misurare tali grandezze, cosa che non sarebbe possibile fare con strumenti a inserzione diretta: dal secondario di tali trasformatori si preleva una tensione o una corrente di valore proporzionale a quello da misurare, ma assai più basso, che può essere misurato con strumenti convenzionali. I trasformatori di misura costituiscono anche un efficace isolamento tra i circuiti interessati alla misurazione e gli strumenti di misura, collegati al secondario, con cui possono venire a contatto gli operatori; trasformatori di isolamento, monofase o trifase, caratterizzati dall'avere un rapporto di trasformazione unitario. Permettono di isolare elettricamente l'utenza collegata al secondario dalla rete che alimenta il primario, impedendo la circolazione di correnti di guasto verso terra che altrimenti si verificherebbe in caso di cedimento dell'isolamento dell'apparecchiatura alimentata; trasformatori per audio e video, di piccole potenze, hanno la funzione di trasferire da un circuito a un altro segnali contenenti un rilevante numero di frequenze diverse. Il parametro principale in tali trasformatori è il coefficiente di accoppiamento, che deve essere il più possibile vicino all'unità: per questo occorre un buon concatenamento magnetico tra gli avvolgimenti, che può essere ottenuto impiegando materiali magnetici speciali con elevata permeabilità.