Trasformatore: differenze tra le versioni
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{{nd}}
{{Nota disambigua|il modello di apprendimento profondo|Trasformatore (informatica)}}
[[File:Transformer Iron Core.svg|thumb|upright=0.5|Uno dei simboli circuitali convenzionali del trasformatore]]
Il '''trasformatore''' è una [[macchina elettrica]] statica, funzionante in [[corrente alternata]] e basata sul fenomeno dell'[[induzione elettromagnetica]]. Trasforma un [[Glossario_di_elettrotecnica#Sistema elettrico|sistema]] di tensione e corrente alternata in un altro sistema generalmente di differenti valori di tensione e corrente, alla stessa frequenza, allo scopo di trasmettere la [[potenza elettrica]].<ref>{{Cita libro|titolo = Elettrotecnica volume II Macchine elettriche|autore = Olivieri e Ravelli|traduttore=|illustratore =|altri = L.Monaco|via =|editore = CEDAM Casa Editrice Dott. Antonio Milani|città = Padova|anno = 1972|lingua =|annooriginale =|edizione = 18|capitolo = Introduzione|p = 5}}</ref> Nel trasferimento di [[energia elettrica]], separa il [[circuito elettrico]] di ingresso denominato primario, da quello di uscita denominato secondario, tramite accoppiamento induttivo.<ref>{{cita web|url=http://www-9.unipv.it/dmae/costruzioni/materiale_didattico/Costruzioni_3.pdf|titolo=PRINCIPI E ASPETTI COSTRUTTIVI DEI TRASFORMATORI|p=1|autore=Lucia Frosini|editore=Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione - Università di Pavia|accesso=28 febbraio 2025|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20240808185555/http://www-9.unipv.it/dmae/costruzioni/materiale_didattico/Costruzioni_3.pdf|urlmorto=no}}</ref>
Durante la trasformazione c'è sempre una quantità di perdita, che ne determina l'efficienza.
È una macchina [[trasformazione reversibile|reversibile]].
== Descrizione ==
In un trasformatore la corrente elettrica nell'avvolgimento primario genera un [[flusso magnetico]] variabile nel nucleo del trasformatore e di conseguenza un [[campo magnetico]] variabile attraverso l'avvolgimento primario ([[legge di Faraday]] e [[legge di Lenz]]). Questo campo magnetico variabile induce una [[forza elettromotrice]], o [[tensione elettrica|tensione]], nell'avvolgimento secondario. Questo effetto è chiamato [[mutua induzione]].
Il trasformatore è una macchina in grado di operare
Se un [[carico elettrico]] è collegato all'avvolgimento secondario, una corrente elettrica vi scorre e l'[[energia]], tramite il trasformatore, viene trasferita dal circuito primario al carico. In un trasformatore ideale, la tensione indotta nell'avvolgimento secondario è in proporzione alla tensione primaria (''V<sub>P</sub>''), ed è data dal rapporto fra il numero delle spire dell'avvolgimento primario (''N<sub>P</sub>'') e il numero di spire dell'avvolgimento secondario (''N<sub>S</sub>'') come segue:
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:<math>\frac{V_{S}}{V_{P}} = \frac{N_{S}}{N_{P}}</math>
Con un'appropriata scelta del rapporto delle spire, il trasformatore consente quindi
Nella grande maggioranza dei trasformatori, gli avvolgimenti si trovano attorno a un nucleo ferromagnetico, essendo i trasformatori in aria delle eccezioni.
I trasformatori sono disponibili in una vasta gamma di dimensioni, dal trasformatore d'accoppiamento della grandezza dell'[[unghia]] del [[pollice (dito)|pollice]] situato all'interno di un [[microfono]] da scena, alle unità grandissime, dal peso di centinaia di tonnellate, utilizzati per interconnettere porzioni di reti di energia nazionali. Tutti funzionano mediante gli stessi principi basilari, benché la gamma dei progetti sia ampia. Sebbene nuove tecnologie abbiano rimosso l'esigenza di trasformatori in alcuni circuiti elettronici, i trasformatori sono ancora presenti in quasi tutti i dispositivi elettronici progettati per utilizzare le tensioni fornite
Il nuovo simbolo circuitale del trasformatore è composto da due cerchi con intersezione.
==
=== Invenzione ===
[[Michael Faraday]] scoprì il principio dell'induzione nel [[1831]] (chiamato poi [[Legge di Faraday|legge di induzione di Faraday]]) ed eseguì i primi esperimenti di induzione con bobine di filo, compreso l'assemblaggio di un paio di bobine su un nucleo magnetico toroidale chiuso. Il 29 agosto [[1831]] Faraday inventò l'anello a induzione, il primo trasformatore. Egli lo usò per dimostrare i principi dell'induzione elettromagnetica e non ne intravide un uso pratico.<ref>{{Cita libro|titolo=Annali scientifici: giornale di scienze fisiche, matematiche, agricoltura, industria, etc|url=https://books.google.it/books?id=w1cEAAAAYAAJ&pg=RA2-PA104&dq=1831+faraday&hl=it|accesso=29 aprile 2019|data=1855|lingua=it|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20190302152422/https://books.google.it/books?id=w1cEAAAAYAAJ&pg=RA2-PA104&dq=1831+faraday&hl=it|urlmorto=no}}</ref>
=== Bobine di induzione ===
Il primo tipo di trasformatore a vedere un vasto uso fu la [[bobina]] di induzione, inventata dal reverendo [[Nicholas Callan]] del collegio di Maynooth, in [[Irlanda]] nel [[1836]]. Fu uno dei primi ricercatori a rendersi conto che, più spire l'avvolgimento secondario aveva rispetto all'avvolgimento primario, maggiore era
Nel [[1876]] l'ingegnere russo [[Pavel Jabločkov]] inventò un sistema di illuminazione basato su un insieme di bobine di induzione in cui gli avvolgimenti primari erano collegati a una sorgente di corrente alternata e gli avvolgimenti secondari potevano essere collegati ad alcune [[lampada ad arco|lampade ad arco]] di sua invenzione. Le bobine che Jabločkov utilizzò funzionavano essenzialmente come dei trasformatori.
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Nel [[1878]], la Società Ganz in [[Ungheria]] iniziava a produrre equipaggiamenti per l'illuminazione elettrica ed entro il [[1883]] riuscì a installare oltre cinquanta sistemi in [[Austria-Ungheria]]. I loro sistemi usavano esclusivamente corrente alternata e annoveravano quelli che comprendevano sia lampade ad arco sia lampade a incandescenza, insieme con generatori e altri equipaggiamenti.
[[Lucien Gaulard]] e [[John Dixon Gibbs]] per
Nondimeno, l'efficienza del loro apparato bipolare a nucleo aperto rimaneva bassa.<ref>Friedrich Uppenborn: History of the Transformer, p. 35.</ref>
Progetti di trasformatori pratici, efficienti, non apparvero fino al 1880, ma nel giro di un decennio il trasformatore sarebbe diventato
=== Trasformatori a nucleo chiuso per illuminazione ===
[[File:DBZ trafo.jpg|thumb|Il prototipo del primo trasformatore ad alta efficienza, (Széchenyi István Memorial Exhibition, [[Nagycenk]], [[Ungheria]], 1885)]]
Tra il 1884 e il 1885, gli ingegneri della Società Ganz di [[Budapest]], [[Károly Zipernowsky]], [[Ottó Bláthy]] e [[Miksa Déri]] avevano deciso che i dispositivi a nucleo aperto erano impraticabili, poiché erano incapaci di regolare in modo affidabile la tensione. Nella loro richiesta unita di brevetto per i trasformatori ''Z.B.D'', descrivevano il progetto di due trasformatori senza poli: il trasformatore a nucleo chiuso e il trasformatore a nucleo a guscio. Nel tipo a nucleo chiuso, i conduttori degli avvolgimenti primario e secondario venivano avvolti attorno a un anello di ferro chiuso; nel tipo a nucleo a guscio venivano fatti passare nel nucleo di ferro. In entrambi i progetti, il flusso magnetico che collega l'avvolgimento primario con l'avvolgimento secondario si propaga quasi interamente all'interno del nucleo di ferro, senza nessun tratto intenzionale nell'aria. Impiegato nelle reti di distribuzione elettrica, questo concetto progettuale rivoluzionario rese alla fine tecnicamente ed economicamente fattibile fornire energia elettrica per l'illuminazione delle abitazioni
George Westinghouse aveva acquisito i brevetti di Gaulard e Gibbs nel 1885, e aveva comperato un'opzione sul progetto ZBD. Affidò la costruzione di un dispositivo a uso commerciale all'ingegner William Stanley. Il primo progetto brevettato di Stanley furono delle bobine di induzione con nuclei singoli di ferro dolce e traferri regolabili per aggiustare la FEM presente nell'avvolgimento secondario. Egli utilizzò per il nucleo due ferri sagomati a forma di ''E''. Questo progetto fu usato commercialmente la prima volta nel 1886.<ref>
L'ingegnere russo [[Michail Dolivo-Dobrovol'skij]] sviluppò il primo trasformatore trifase nel [[1889]]. Nel [[1891]] [[Nikola Tesla]] inventò la [[bobina di Tesla]], un trasformatore in aria risonante, a doppio accordo, per generare delle tensioni molto elevate ad alta frequenza. Trasformatori ad audio frequenza vennero usati per i primissimi esperimenti di sviluppo del telefono.
== Impiego nel trasporto e nella distribuzione dell'energia elettrica ==
[[File:MV pole transformer.jpg|thumb|Trasformatore di media tensione su palo in una zona rurale. Alla sommità del palo si vede l'arrivo
Il trasformatore viene ampiamente usato nelle [[cabina elettrica|cabine elettriche di trasformazione]] della rete elettrica come mezzo di interfacciamento tra le [[trasmissione dell'energia elettrica|
Infatti, la [[potenza attiva]] che le [[Centrale elettrica|centrali elettriche]] immettono nella rete di trasmissione deve essere trasportata anche per centinaia di [[Chilometro|km]]<ref>{{cita web |url=http://www.tecnosophia.org/documenti/Articoli/SessioneI/Barbera.pdf |titolo=UN PRIMO BILANCIO DELLA LIBERALIZZAZIONE DEL MERCATO ELETTRICO: FATTORI CRITICI PER LO SVILUPPO DELL’OFFERTA DI ENERGIA ELETTRICA|autore1=Teresa Barbera|autore2=Giuseppe Mastropieri|accesso=17 aprile 2009 |urlmorto=sì |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140222051632/http://www.tecnosophia.org/documenti/Articoli/SessioneI/Barbera.pdf }}</ref> {{Chiarire||La fonte riportata non fa cenno del problema del trasporto della potenza attiva}}. La potenza elettrica è legata in maniera diretta ai parametri di tensione ''V'' e intensità di corrente ''I'', secondo la formula:
:<math>P = V I \cos \phi </math>
dove <math>\cos \phi\,\!</math>, detto [[fattore di potenza]], è il
Ciò significa che a parità di potenza aumentando la tensione ''V'' diminuisce l'intensità di corrente ''I'' (e si deve mantenere <math>\cos \phi </math> più vicino possibile al valore unitario).<ref>Vedi la voce [[Rifasamento]].</ref> Parte della potenza trasportata nei conduttori elettrici è dissipata in forma di calore per [[effetto Joule]], che è proporzionale alla [[resistenza elettrica|resistenza]] della linea e al quadrato dell'intensità di corrente, quindi più è intensa la corrente e più calore si genera. Al fine di minimizzare tale effetto si deve quindi diminuire la resistenza o l'intensità di corrente. Per ridurre la resistenza, bisogna aumentare la sezione dei conduttori, ma esiste un limite economico e tecnologico nel [[dimensionamento delle linee elettriche]],
Al fine quindi di abbassare l'intensità di corrente ''I'' si effettua una trasformazione aumentando la tensione ''V'' a parità di potenza ''P''. Diminuendo le distanze da percorrere e la potenza da trasportare viene anche meno l'esigenza di avere tensioni alte, se a questo si associa anche l'esigenza di avere per l'uso domestico e industriale un livello di tensione compatibile con le esigenze di sicurezza, ne segue che dalla produzione alla distribuzione sono necessarie un numero adeguato di trasformazioni verso tensioni via via più basse.
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A titolo di esempio, viene presentato un elenco delle tensioni tipiche di esercizio degli impianti elettrici:
* 230 V (tra fase
* 15, 20 kV: tensioni nominali delle linee elettriche di distribuzione secondaria (media tensione, lunghezza
* 132, 150, 220, 380 kV: tensioni nominali delle linee elettriche di distribuzione primaria (alta tensione, lunghezza
== Principio di funzionamento ==
[[File:Single-phase transformer.svg|thumb|upright=1.4|Schema
Il trasformatore più semplice è costituito da due avvolgimenti di filo conduttore ([[Solenoide|solenoidi]]) avvolti su un anello di materiale ferromagnetico detto [[nucleo magnetico]]. L'avvolgimento al quale viene fornita energia viene detto ''primario'', mentre quello dal quale l'energia è prelevata è detto ''secondario''.<ref name=ideal>{{Cita web |url=http://www.die.ing.unibo.it/pers/negrini/didattica/dispense/Appendice%205%20-%20TRASFORMATORE%20IDEALE.pdf |titolo=Copia archiviata |accesso=17 aprile 2009 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120617002052/http://www.die.ing.unibo.it/pers/negrini/didattica/dispense/Appendice%205%20-%20TRASFORMATORE%20IDEALE.pdf |urlmorto=no }}</ref> I trasformatori sono [[trasformazione reversibile|macchine reversibili]], per cui l'avvolgimento primario potrebbe essere anche visto come secondario e viceversa.
Quando sul primario viene applicata una tensione elettrica alternata [[Seno (trigonometria)|sinusoidale]], per effetto dell'[[Legge di Faraday|induzione magnetica]] si crea nel nucleo un [[flusso magnetico]] con andamento sinusoidale. Per la [[legge di Faraday-Neumann-Lenz]], questo flusso variabile induce nel secondario una tensione sinusoidale.
La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario secondo la relazione:<ref name=ideal/>
:<math>\frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_s}= k_0</math
dove ''V<sub>p</sub>'' è la tensione applicata sul primario, ''V<sub>s</sub>'' la tensione indotta sul secondario, ''N<sub>p</sub>'' il numero di spire del primario e ''N<sub>s</sub>'' il numero di spire del secondario, ''k<sub>0</sub>'' è chiamato rapporto di trasformazione.
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Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del nucleo è data dalla relazione:
:<math>E = \frac{\omega}{\sqrt{2}} N S B = \frac{2\pi}{\sqrt{2}} f N S B
Dove ''E'' è il [[valore efficace]] (RMS) della tensione indotta, ''f'' è la frequenza in [[Hertz]], ''N'' è il numero di spire dell'avvolgimento al quale si fa riferimento, ''S'' è la sezione del nucleo (in m<sup>2</sup>) e ''B'' è il valore dell'[[Induzione elettromagnetica|induzione]] in [[Tesla (unità di misura)|tesla]].
Il trasformatore è fondato su due principi:
* una corrente elettrica variabile produce un campo magnetico variabile da cui un flusso variabile;
* un flusso variabile nel tempo
[[File:Transformer3d_col3.svg
La corrente passando attraverso l'avvolgimento primario crea un campo magnetico. Gli avvolgimenti primario e secondario sono avvolti attorno a un nucleo magnetico di elevata permeabilità magnetica come il ferro, cosicché la massima parte del flusso passi sia attraverso
La descrizione semplificata succitata tralascia parecchi fattori pratici, in particolare la corrente primaria necessaria per costituire un campo magnetico nel nucleo, e la contribuzione al campo causata dalla corrente nel circuito secondario.
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I modelli di un trasformatore ideale normalmente assumono un nucleo di riluttanza magnetica trascurabile con avvolgimenti di resistenza elettrica zero. La corrente necessaria per originare il flusso è chiamata corrente di magnetizzazione; dato che si assume che il nucleo abbia riluttanza zero, la corrente di magnetizzazione è trascurabile, tuttavia ancora necessaria per creare il campo magnetico.
Il campo magnetico variabile induce una [[Forza elettromotrice|FEM]] da un capo all'altro di ciascun avvolgimento. Le tensioni V<sub>P</sub> e V<sub>S</sub> misurate ai terminali del trasformatore, sono uguali alle corrispondenti FEM. La FEM primaria, agendo come fa in opposizione alla tensione del primario, è talvolta chiamata forza
=== Legge di induzione ===
La tensione indotta ai capi dell'avvolgimento secondario può essere calcolato con la legge dell'induzione di Lenz e Faraday:
dove ''V<sub>S</sub>'' è la tensione istantanea, ''N''<sub>''S''</sub> è il numero delle spire dell'avvolgimento secondario e ''
:<math>V_{P} = N_{P} \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}</math>
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=== Equazione della potenza ideale ===
[[File:Transformer under load.svg|thumb|upright=1.4|Il trasformatore ideale come elemento circuitale]]
Se l'avvolgimento secondario è collegato a un carico che consenta alla corrente di fluire, dell'energia elettrica viene trasferita dal circuito primario al circuito secondario. Idealmente, il trasformatore sia perfettamente efficiente; tutta l'energia in entrata sia mutata radicalmente dal circuito primario in campo magnetico e in energia nel circuito secondario. Se queste condizioni sono soddisfatte, la potenza elettrica in entrata deve essere eguale alla potenza in uscita.
:<math>P_{\mathrm{
che fornisce l'equazione ideale della trasformazione
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Se i trasformatori sono così efficienti questa formula è approssimazione ragionevole.
Se la tensione viene aumentata, allora la corrente viene ridotta con lo stesso fattore. L'impedenza di un circuito viene trasformata con il quadrato del rapporto delle spire. Per esempio, se un'impedenza ''Z<sub>S</sub>'' fosse collegata ai terminali dell'avvolgimento secondario, essa apparirebbe al circuito
=== Flusso disperso ===
[[File:Transformer Flux.svg|left|thumb|upright=1.4|Flusso
Il modello di trasformatore ideale dà per scontato che tutto il flusso generato dall'avvolgimento primario
Tuttavia, in alcune applicazioni, la dispersione può essere una caratteristica desiderabile, e percorsi magnetici lunghi, traferri, e derivatori magnetici possono essere deliberatamente introdotti nei progetti dei trasformatori per limitare la corrente di cortocircuito che fornirà. Trasformatori con perdite possono venire usati per alimentare carichi che esibiscono resistenze negative, come gli archi elettrici, lampade a vapori di mercurio, e i segnali luminosi al neon; e per una sicura manipolazione dei carichi come le saldatrici elettriche ad arco. Inoltre sono utilizzati dei traferri per impedire al trasformatore di saturarsi, specialmente i trasformatori ad audio frequenza nei circuiti che hanno una corrente continua che scorre nei
=== Influsso della frequenza ===
La derivata rispetto al tempo della [[Legge di Faraday|legge di induzione di Faraday]] mostra che il flusso nel nucleo è l'integrale rispetto al tempo della tensione applicata.<ref name="dixon">{{Cita pubblicazione| nome = Lloyd| cognome = Dixon| contributo = Magnetics Design Handbook|url=http://focus.ti.com/lit/ml/slup126/slup126.pdf| editore = Texas Instruments| titolo = Copia archiviata| accesso = 4 febbraio 2014| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20101223195402/http://focus.ti.com/lit/ml/slup126/slup126.pdf| urlmorto = no}}</ref> Ipoteticamente un trasformatore ideale funzionerebbe con un'eccitazione a corrente continua, con il flusso del nucleo aumentante linearmente nel tempo.<ref name="billings">{{Cita libro| cognome=Billings| nome=Keith| titolo=Switchmode Power Supply Handbook| anno=1999| isbn=0-07-006719-8}}</ref> In pratica, il flusso aumenterebbe fino al punto in cui avviene la [[saturazione magnetica]] del nucleo, provocando uno smisurato aumento della corrente di magnetizzazione e un surriscaldamento del trasformatore. Tutti i trasformatori operativi devono pertanto funzionare con corrente alternata (o pulsante).<ref name="billings"/>
{{Approfondimento
|allineamento = destra
|larghezza = 302px
|titolo = Equazione della FEM dei trasformatori
|contenuto = Se il flusso nel nucleo è [[onda sinusoidale|sinusoidale]], la relazione sia per l'uno che per l'altro avvolgimento, tra la sua [[tensione efficace]] ''E'', la frequenza dell'alimentazione ''f'', il numero delle spire ''N'', la superficie ''a'' della sezione trasversale del nucleo e la [[densità del flusso magnetico]] picco ''B'' è data dall'equazione della FEM:
:<math> E={\frac { 2 \pi f N a B} {\sqrt{2}}} \! \approx 4.44 f N a B</math>
}}
La [[Forza elettromotrice|
Il funzionamento di un trasformatore alla sua tensione di progetto ma
=== Perdite di energia ===
Un trasformatore ideale non
Trasformatori sperimentali, dotati di avvolgimenti superconduttori,
Un piccolo trasformatore
Le perdite nel rame variano con la corrente di carico: possono venire espresse con perdite ''a vuoto'' e ''sotto carico''. La resistenza degli avvolgimenti
Le perdite dei trasformatori sono
;
:La
;
:Ogni volta che il campo è invertito, una
;
:I materiali ferromagnetici sono
;
:Il
;
:Oltre alla magneto-strizione, il campo magnetico variabile produce delle forze elettromagnetiche fluttuanti tra gli avvolgimenti primario e secondario. Queste stimolano delle vibrazioni negli oggetti metallici attigui, che si aggiungono al rumore ronzante, e che consumano una piccola quantità di energia.
;
:L'induttanza di dispersione è di per se stessa poco dissipativa, poiché l'energia fornita ai suoi campi magnetici viene restituita all'alimentatore con ciascun mezzo ciclo successivo. Tuttavia, qualunque flusso disperso che intercetta dei materiali conduttori nelle vicinanze come le strutture di supporto dei trasformatori darà origine a correnti parassite e verrà convertito in calore. Ci sono pure delle perdite per radiazione causate da campi magnetici oscillanti, ma queste sono estremamente piccole.
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== Costruzione ==
<gallery>
File:Trafo 1.jpg|Composizione del trasformatore (1)
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==== Nuclei con laminati in acciaio ====
I trasformatori di potenza e quelli a frequenze audio hanno tipicamente nuclei fatti di acciaio al silicio di elevata permeabilità magnetica. L'acciaio ha una [[permeabilità magnetica]] molte volte superiore a quella
L'effetto della laminazione è quello di confinare le correnti parassite dentro cammini molto ellittici che racchiudono poco flusso, riducendo così la loro intensità. Laminazioni più sottili riducono le perdite, ma sono più costose e laboriose da produrre. La laminazione sottile è usata generalmente nei trasformatori ad alta frequenza, con laminati di acciaio sottilissimi in grado di operare fino a 10 kHz.
[[File:Laminated core eddy currents 2.svg|thumb|left|La laminazione del nucleo riduce notevolmente le perdite per correnti parassite]]
Un progetto comune di nucleo laminato è fatto di lamierini magnetici a forma di E che, isolati con carta incollata su una delle facce o preferibilmente con vernice, vengono sovrapposti in un certo numero in modo da formare la sezione netta di passaggio del flusso. Il circuito magnetico a E viene chiuso con lamierini a forma di I a formare il cosiddetto nucleo E-I. Tale progetto è incline a mostrare più perdite, ma è molto economico da costruire. Il tipo di nucleo a C è fatto avvolgendo una striscia di acciaio attorno a una forma rettangolare e poi legando gli strati insieme. Viene quindi tagliato in due, formando le sagome di due C, e il nucleo viene assemblato legando insieme le due metà con una piattina di acciaio. Hanno il vantaggio che il flusso è sempre parallelo alla direzione della fibra del metallo, cosa che riduce la riluttanza.
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==== Nuclei toroidali ====
[[File:Small toroidal transformer.jpg|thumb|Piccolo trasformatore a nucleo toroidale]]
I trasformatori toroidali sono costruiti attorno a un nucleo anulare, il quale, a seconda dalla frequenza di funzionamento, è fatto o di una lunga piattina di acciaio al silicio o di [[permalloy]] (lega di nichel ferro) avvolta a guisa di bobina, di ferro in polvere, o di ferrite. Una costruzione a piattina assicura che l'interfaccia tra grani sia allineata nel modo migliore, migliorando l'efficienza del trasformatore riducendo la riluttanza del nucleo. La forma ad anello chiuso elimina i traferri intrinseci alla produzione di un nucleo E-I. La sezione trasversa dell'anello è normalmente quadrata o rettangolare, ma sono pure disponibili nuclei più costosi a sezione circolare. Le bobine primarie e secondarie sono spesso avvolte concentricamente per ridurre al minimo la generazione di interferenze elettromagnetiche da parte del campo magnetico del nucleo. I trasformatori toroidali sono più efficienti dei tipi laminati E- pari livello di potenza. Altri vantaggi se è comparato ai tipi E-I comprendono una dimensione minore (circa metà), peso minore (circa metà), meno ronzio meccanico (che li rendono superiori negli amplificatori audio), campo magnetico esterno più basso (circa un decimo), perdite a vuoto basse (che li rendono più efficienti nei circuiti in stand-by), montaggio a un solo bullone e maggiore scelta di forme. I maggiori svantaggi sono un costo più elevato e una potenza limitata (si veda la ''Classificazione'' di sopra).
I nuclei toroidali di ferrite vengono usati alle alte frequenze, tipicamente da alcune decine di kilohertz a centinaia di megahertz, per ridurre le perdite, le dimensioni fisiche e i pesi degli alimentatori switching (alimentatori a commutazione). Un inconveniente della costruzione dei trasformatori toroidali è il costo maggiore degli avvolgimenti. Quale conseguenza, i trasformatori toroidali non sono comuni al di sopra di alcuni kVA nominali. Piccoli trasformatori di distribuzione possono ottenere alcuni dei benefici del nucleo toroidale fendendolo e aprendolo, e quindi inserire una bobina contenente gli avvolgimenti primario e secondario.
==== Nucleo in aria ====
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==== Terminali ====
I piccoli trasformatori
=== Avvolgimenti ===
[[
[[File:transformer min stray field geometry.svg|thumb|Vista in sezione degli avvolgimenti dei trasformatori.
Bianco: isolante.
Spirale verde: Acciaio al silicio a fibra orientata.
Nero: Avvolgimento primario fatto di [[rame
Rosso: Avvolgimento secondario.
In alto a sinistra: Trasformatore toroidale.
Destra: Nucleo a C, tuttavia il nucleo a E sarebbe similare. Gli avvolgimenti neri sono fatti di film.
In alto: Piccola capacità tra tutti i terminali di entrambi gli avvolgimenti. Poiché la maggior parte dei nuclei sono almeno moderatamente conduttivi essi necessitano pure di isolamento.
in basso: Una capacità più bassa per uno dei terminali dell'avvolgimento secondario è necessaria per i trasformatori di bassa potenza e bassa tensione.
In basso a sinistra: Una riduzione dell'induttanza di dispersione condurrebbe a un aumento della capacità.]]
Il [[conduttore elettrico|materiale conduttore]] usato per gli avvolgimenti è subordinato alla sua applicazione, ma in tutti i casi le spire individuali devono essere isolate elettricamente l'una dall'altra per assicurare che la corrente attraversi ciascuna spira. Per trasformatori di piccola potenza e piccoli segnali, in cui le correnti sono piccole e la differenza di
potenziale tra le spire adiacenti è pure piccola, le bobine sono spesso avvolti con filo di rame smaltato per magneti, quale il filo Formvar. I grandi trasformatori di potenza che operano con alte tensioni possono essere bobinati con conduttori a strisce rettangolari di rame isolati con carta impregnata d'olio e blocchi di isolanti di cellulosa.
I trasformatori ad alta frequenza che operano dalle decine alle centinaia di kilohertz sovente hanno avvolgimenti fatti con [[filo litz]] per ridurre al minimo le perdite per [[Effetto pelle|effetti pelle]] e di prossimità.
Trasformatori di grossa potenza pure usano conduttori a trefoli multipli, perché altrimenti anche alle potenze a bassa frequenza una distribuzione non uniforme della corrente esisterebbe negli avvolgimenti a elevata intensità di corrente.
Ogni trefolo è isolato individualmente, e i trefoli sono così disposti che in certi punti nell'avvolgimento, o dovunque nell'intero avvolgimento ciascuna parte occupi posizioni relative differenti nell'intero conduttore. La trasposizione equalizza la corrente che fluisce in ciascun trefolo del conduttore e riduce le perdite per correnti parassite nel medesimo avvolgimento. Il conduttore a trefoli è pure più flessibile del conduttore solido della medesima misura, agevolando la costruzione.
Per i trasformatori di segnali, gli avvolgimenti possono essere disposti in modo tale da rendere minima l'induttanza di dispersione e la capacità parassita per migliorare la risposta alle alte frequenze. Ciò può essere fatto dividendo ogni bobina in sezioni, e collocando le sezioni di un avvolgimento tra le sezioni dell'altro. Ciò e noto come avvolgimento del
tipo sovrapposto.
Entrambi gli avvolgimenti primario e secondario dei trasformatori di potenza possono avere delle connessioni a punti intermedi degli avvolgimenti, riportate all'esterno e chiamate prese intermedie, per consentire la scelta del rapporto di trasformazione. Le prese intermedie possono anche essere collegate a un variatore di tensione sotto carico a comando manuale o automatico per la variazione di tensione al secondario senza la necessità di interruzione di erogazione del servizio. I trasformatori ad audiofrequenza impiegati per la distribuzione del segnale audio agli altoparlanti in impianti di pubblica diffusione (supermercati, istituti scolastici, luoghi di culto, grandi locali/officine), sono provvisti di prese intermedie per consentire l'adattamento d'impedenza di ciascun singolo altoparlante facente parte dell'impianto di diffusione sonora. Un trasformatore a presa intermedia centrale viene spesso usato nello stadio d'uscita di un [[amplificatore]] di potenza in un [[circuito in controfase]]. I trasformatori di modulazione nei trasmettitori a
[[modulazione d'ampiezza]] sono assai simili.
Alcuni trasformatori hanno gli avvolgimenti impregnati di resina epossidica. Impregnando il trasformatore di resina epossidica sotto vuoto, si può sostituire l'aria all'interno degli avvolgimenti con la resina, sigillando così gli avvolgimenti e aiutando a prevenire la formazione possibile di scariche corona e l'assorbimento di sporcizia e acqua. Ciò produce dei trasformatori adatti ad ambienti umidi e sporchi, ma a costi di produzione maggiori.
=== Raffreddamento ===
[[
Il calore dissipato per effetto delle perdite nel trasformatore tende a scaldare la parte attiva; per evitare che questa raggiunga temperature dannose per il materiale, è necessario smaltire il calore prodotto tramite un sistema di raffreddamento. I trasformatori di bassa tensione hanno la parte attiva isolata tramite resine sintetiche, e sono detti trasformatori "a secco".
I trasformatori di alta tensione hanno la parte attiva immersa in olio isolante, che svolge anche la funzione di smaltire il calore prodotto dalla parte attiva. L'olio isolante è solitamente olio minerale, ma esistono anche trasformatori riempiti con oli speciali per alte temperature o con oli vegetali. I trasformatori di media tensione possono avere l'isolamento in resina o in olio. L'isolamento in resina ha una minore capacità di scambio termico, ma una maggiore sicurezza in caso di incendio. Pertanto, i trasformatori installati in ambienti chiusi, se non a secco, sono immersi in oli sintetici ad alto punto di infiammabilità per prevenire il rischio di incendio.
I piccoli trasformatori (potenza di qualche decina di kVA) non generano calore significativo ed il raffreddamento avviene per radiazione attraverso la cassa. I trasformatori di distribuzione MT/BT (potenza di qualche centinaio di kVA) sono dotati di semplici alette addossate alla cassa, per migliorare lo scambio termico per [[conduzione termica]] con l'aria. I trasformatori di distribuzione AT/MT (potenza di qualche decina di MVA) sono dotati di radiatori in cui circola per
I trasformatori immersi in olio devono essere privi di umidità che compromette la tenuta dielettrica dell'olio; pertanto le loro parti attive sono sottoposte a processi di essiccamento prima dell'immersione in olio. Inoltre, essi devono essere dotati di una camera di compensazione per le variazioni del volume dell'olio dovute alle escursioni termiche; per i trasformatori più piccoli, la camera di compensazione è costituita da uno strato di gas inerte (es. [[azoto]]) interposto tra il pelo d'olio ed il coperchio della cassa; per i trasformatori più grandi, la camera di compensazione è costituita da una [[vaso di espansione]], detto "conservatore", posto sopra al coperchio della cassa (in questo caso completamente riempita d'olio),
I [[policlorobifenili]] (PCB) hanno delle proprietà che un tempo favorivano il loro uso come refrigeranti, tuttavia preoccupazioni per la loro persistenza ambientale portò a un bando generalizzato per il loro impiego. Oggi, oli stabili al silicio, o idrocarburi perfluorati possono essere usati laddove i costi dei liquidi non igniferi pareggiano i costi addizionali di costruzione di una camera di sicurezza per il trasformatore. Prima del [[1977]], persino i trasformatori che erano nominalmente riempiti solamente di olio potevano pure essere stati contaminati con policlorobifenili fino a 10-20 parti per milione.
Poiché l'olio minerale e il PCB fluido si mescolano, gli equipaggiamenti di manutenzione usati per entrambi i trasformatori a PCB e a olio potrebbero riportare piccole quantità di PCB, contaminando i trasformatori a olio. Alcuni trasformatori a secco (non contenenti liquidi) sono racchiusi in contenitori pressurizzati e sigillati e raffreddati con gas azoto o esafluoruro di zolfo.
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== Dal trasformatore ideale al reale ==
[[File:Trasformatore ideale.png|
Per trasformatore ideale in figura si assume la convenzione degli utilizzatori alla porta 1 (primario) e quella dei generatori alla porta 2 (secondario). Questo è governato dalle equazioni simboliche:
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=== Riluttanza del nucleo non nulla ===
[[File:Trasformatore ideale riluttanza non nulla.png|
Usiamo l'ipotesi di accoppiamento perfetto così da concatenare lo stesso flusso di [[Legge di Faraday|induzione magnetica]]:
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\end{cases}</math>
Considerando il funzionamento a vuoto, si può scrivere, per la [[Circuito magnetico|legge di Hopkinson]]:
:<math> N_1 I_{1 \mu} = \mathfrak{R} \Phi_t </math>
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=== Perdite nel nucleo non nulle ===
[[File:Trasformatore ideale perdite non nulla.png|
Oltre alla corrente di magnetizzazione va aggiunta la componente dovuta a perdite per isteresi e correnti parassite detta ''corrente a vuoto'':
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* flusso di dispersione al secondario <math> \Phi_{2d}</math>
posso definire:
* [[reattanza]] di dispersione a primario
**<math> X_1 = \omega L_1 ; L_1 = { N_1 \Phi_{1d} \over I_1}</math> * reattanza di dispersione a secondario
**<math> X_2 = \omega L_2 ; L_2 = { N_2 \Phi_{2d} \over I_2}</math> === Resistenza degli avvolgimenti non nulla ===
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=== Schema completo equivalente ===
[[File:Trasformatore reale schema completo.png|
Eliminate tutte le ipotesi di idealità, le f.e.m. indotte dal solo flusso di [[mutua induzione]]
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=== Fattori influenti sul rendimento ===
Un trasformatore reale però non è una macchina perfetta e per questo presenta delle perdite, ovvero la potenza assorbita dal primario è sempre superiore a quella fornita dal secondario.
I diversi motivi di perdita sono:
* Potenza dispersa per [[
* Induzione di [[Corrente parassita|correnti parassite]] nel nucleo che possono a loro volta dissipare energia per effetto Joule (dette ''perdite nel ferro'');
* Perdita di flusso magnetico al di fuori del nucleo che può indurre correnti su oggetti vicini al trasformatore;
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La forma può essere quella di:
* ''[[Toro (geometria)|Toro]]'', trasformatori toroidali
* ''Quadrata o di due rettangoli uniti per un lato'', gli avvolgimenti sono posti sul lato comune
=== Accorgimenti ===
Per ridurre l'effetto dei vari elementi che diminuiscono il rendimento del trasformatore:
* ''Avvolgimenti'' come caratteristiche devono avere:
** ''Minor numero di spire possibile''
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** ''Struttura'': il nucleo per impedire che circolino correnti parassite non è realizzato in metallo compatto, ma è costituito da sottili lamierini (lamierini di [[Acciai legati#Acciai al silicio|acciaio magnetico]] al silicio) incollati a formare pacchetti. Nei trasformatori operanti a frequenze elevate il nucleo è costituito da polveri metalliche agglomerate con collanti.
* ''Raffreddamento'': il raffreddamento è necessario per evitare il surriscaldamento del trasformatore dovuta alla potenza dissipata. È particolarmente importante nei trasformatori funzionanti a potenze elevate. Può essere:
** ad ''aria'' (soluzione tipica dei normali trasformatori ad uso impianti civili e
** a ''bagno d'olio'' lavorano in un bagno di [[olio (lubrificante)|olio]] dentro involucri metallici opportunamente sagomati per facilitare la dispersione del calore
** a ''bagno d'olio forzata'' rispetto al sistema in bagno d'olio sono previste anche delle pompe per la [[circolazione forzata]] dell'[[olio (lubrificante)|olio]] e un sistema di ventilatori esterni per aumentare l'asportazione di calore
** in ''resina'' rispetto agli altri sistemi, gli avvolgimenti sono immersi dentro un'apposita resina, che fa dissipare il calore agli stessi. Questa resina prende il posto dell'olio. Dal trasformatore in resina si possono trarre benefici sulle dimensioni, dato che sono leggermente più piccoli che un trasformatore ad olio.
A tale scopo si riconoscono vari tipi di trasformatori in base al proprio metodo di raffreddamento. La tipologia di raffreddamento si riconosce tramite una sigla composta da due o quattro lettere (due se il trasformatore ha un raffreddamento unico, quattro se il raffreddamento è doppio).
Nello specifico, nella sigla la prima lettera mostra che tipo di sostanza si sta utilizzando per il raffreddamento (ad es. Olio, resina, aria), la seconda lettera fa vedere il tipo di circolazione del fluido all'interno del trasformatore (circolazione naturale o forzata).
A tale scopo si riconoscono trasformatori di tipo:
AN: a circolazione di aria naturale (non forzatamente);
ON: a circolazione di olio naturale;
AF: a circolazione di aria forzata;
ONAN: a circolazione di aria ed olio naturale;
OFAF: a circolazione di aria ed olio forzato.
La potenza assorbita da queste funzioni accessorie è considerata tra le perdite.
== Tipologie costruttive ==
[[File:Trasformatore Tipo TSA (1).JPG|thumb|Un trasformatore raffreddato ad olio con primario a 10 kV e secondario a doppia tensione 220/380 V, risalente agli [[anni 1960|anni sessanta]]
I trasformatori si possono classificare in differenti modi:
* ''per potenza nominale'': da una frazione di VA (volt-ampere) a oltre il centinaio di MVA;
* ''per
* ''per
* ''per tipo di raffreddamento'': raffreddamento ad aria, con olio, raffreddamento a ventilazione o ad acqua;
* ''per applicazione'': alimentatori di potenza, accoppiamento d'impedenza, stabilizzazione della tensione e corrente d'uscita, o di isolamento circuitale;
* ''per utilizzazione finale'': [[Distribuzione di energia elettrica]], [[Raddrizzatore|raddrizzatori]], [[Forno elettrico ad arco|forni elettrici ad arco]], amplificatori d'uscita;
* '' per rapporto spire
Sebbene basati sullo stesso principio, esistono trasformatori di tutte le dimensioni, da quelli grandi pochi millimetri usati in [[elettronica]] a grandi macchine alte diversi metri e con potenze di {{senza fonte|gigawatt}} usati nelle stazioni di trasformazione in alta/altissima tensione a servizio delle linee di trasmissione dell'energia elettrica. Un'ampia varietà di progetti di trasformatori sono utilizzati per differenti applicazioni, sebbene condividano parecchie caratteristiche. Importanti tipi di trasformatori diffusi annoverano:
=== Di isolamento ===
[[File:Trasformatore di isolamento resistente al corto circuito.png|thumb|upright=0.5|Simbolo del trasformatore di isolamento. In questo caso di un trasformatore di isolamento resistente al cortocircuito.]]
Si tratta di particolare tipo di trasformatore con rapporto di trasformazione 1:1 che è utilizzato per garantire l'[[isolamento galvanico]] in particolari attività per la riduzione del rischio di [[elettrocuzione]]. In questi trasformatori l'[[isolamento elettrico]] tra gli avvolgimenti è particolarmente curato. Sono usati per [[Isolamento galvanico|disaccoppiare]] la [[massa (elettronica)|massa]] di un apparecchio di misura dalla massa del circuito in esame quando entrambi siano [[Messa a terra|messi a terra]]. La separazione tra gli avvolgimenti viene generalmente assicurata mediante doppio isolamento oppure per mezzo di uno schermo metallico messo a terra.
Possono essere anche usati per aumentare la sicurezza delle apparecchiature mediche connesse alla rete, ma in questo caso il trasformatore deve essere conforme anche alla norma IEC 61558-2-15, specifica per l'applicazione in locali adibiti ad uso medico. Tra le caratteristiche peculiari, la potenza di uscita non può superare 10 kVA e, se viene utilizzato per alimentare più di un apparecchio medicale contemporaneamente, deve essere dotato di un dispositivo di controllo permanente dell'isolamento non disinseribile.
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=== Trasformatore trifase ===
[[File:Trasformatore Francavilla.jpg|thumb|left|Stazione di trasformazione elettrica]]
Sono macchine in grado di convertire una tensione [[Sistema trifase|trifase]] e sono comunemente usati nella rete di distribuzione elettrica. Possono essere costituiti da tre trasformatori monofasi indipendenti, ma spesso sono realizzati con tre avvolgimenti primari e tre secondari montati su un unico nucleo con tre rami paralleli.<ref>{{Cita web |url=http://www.ideomat.com/lezioni/lezione_1_2.htm |titolo=Lezione 1-fondamenti|accesso=17 aprile 2009 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20091021032713/http://www.ideomat.com/lezioni/lezione_1_2.htm |urlmorto=si}}</ref> Gli avvolgimenti possono essere collegati a ''stella'' (sigla '''Y''' per alta tensione - sigla '''y''' per bassa tensione), ''a triangolo'' (sigla '''D''' per alta tensione - sigla '''d''' per bassa tensione) o a ''zig-zag'' (sigla '''Z''' per alta tensione - sigla '''z''' per bassa tensione). Vengono di solito abbinati a degli [[Isoltester]] (o "controllori di isolamento"), che permettono di regolare tramite pannello sinottico le varie soglie di resistenza verso terra.
Nel caso si debbano mettere in parallelo due o più trasformatori trifase bisogna, preventivamente, accertarsi che appartengano entrambi al medesimo gruppo. ''Il gruppo di un trasformatore trifase si definisce come l'angolo di ritardo della bassa tensione rispetto all'alta tensione assumendo come senso antiorario in senso di rotazione dei vettori di tensioni.''
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=== Trasformatore polifase ===
[[File:PoleMountTransformer02.jpg|thumb|Un trasformatore trifase montato su una linea elettrica]]
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=== Autotrasformatore ===
{{
[[File:Variable Transformer 01.jpg|thumb|left|[[Autotrasformatore]] con contatti a spazzola strisciante]]
[[File:Transformer-220.jpg|thumb|Trasformatore variabile]]
Un autotrasformatore ha un
====
Sono [[autotrasformatore|autotrasformatori]] in cui la presa intermedia è un contatto strisciante sull'avvolgimento primario: questi apparecchi possono fornire in uscita una tensione regolabile praticamente con continuità tra zero e il valore massimo.
=== A corrente costante ===
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=== Trasformatore a dispersione ===
[[File:Kvglr.jpg|thumb|left|Trasformatore a dispersione]]
Un trasformatore a dispersione, noto pure come trasformatore a flusso disperso, ha un'induttanza di dispersione considerevolmente più elevata di altri tipi di trasformatori, che talvolta è aumentata con un derivatore magnetico nel suo nucleo fra il primario e il secondario, talora regolabile con una vite di aggiustaggio. Ciò provvede un trasformatore con una limitazione di corrente inerente causata da un accoppiamento lasco tra i suoi avvolgimenti primario e secondario. Le correnti in entrata e in uscita sono basse abbastanza da prevenire dei sovraccarichi termici sotto tutte le condizioni di carico, anche se il secondario fosse cortocircuitato.
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=== Ferrorisonante ===
Nel trasformatore ferrorisonante per alimentazione, la caratteristica di risonanza viene sfruttata per ottenere una tensione in uscita poco variabile rispetto alla tensione in ingresso. Ciò veniva sfruttato soprattutto nel passato quando, per stabilizzare tensioni a correnti elevate, era necessario dissipare parecchio calore, non essendo ancora usati i [[Regolatore a commutazione|regolatori a commutazione]] (o [[Regolatore switching|switching]]). Poiché il trasformatore ferrorisonante fornisce un'onda sinusoidale un po' schiacciata e di ampiezza quasi costante al variare della tensione in ingresso, è particolarmente favorevole alla successiva stabilizzazione della tensione mediante dispositivi lineari, potendo risparmiare sulla differenza di tensione fra ingresso e uscita. Ne parlava ampiamente la rivista Onda Quadra n.12, 1981, il cui pdf è ormai disponibile liberamente<ref>{{Cita web|url = http://www.introni.it/pdf/Onda%20Quadra%201981_12.pdf|titolo = Regolatore di tensione alternata a nucleo risonante|autore = Luca Bulio|wkautore = |sito = introni.it|editore = |data = 12 dicembre 1981|lingua = |formato = pdf|p = |pp = 652-658|cid = |citazione = |accesso = 18 aprile 2022|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20160406015534/http://www.introni.it/pdf/Onda%20Quadra%201981_12.pdf|dataarchivio = 6 aprile 2016|urlmorto = no}}</ref>
=== Di impulso ===
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Dal punto di vista costruttivo è come un normale trasformatore monofase con degli accorgimenti particolari.
Prima di tutto il materiale dei lamierini: si usano solitamente lamierini con percentuale di silicio, però a grani orientati, oppure altri materiali più costosi (permalloy, ecc.). Un altro accorgimento che si pratica è quello di intercalare il primario con il secondario, in modo tale da aumentare l'accoppiamento tra gli avvolgimenti e diminuire la capacità parassita (e quindi estendere la banda passante) degli avvolgimenti.
Nei trasformatori d'uscita per stadi ''single
In un amplificatore audio è un componente fondamentale, in quanto se di scarsa qualità può limitare pesantemente le prestazioni.
[[File:Rotary transformer 1.jpg|thumb|Parte fissa di un trasformatore rotante a 6 canali usato in un [[videoregistratore]] a 6 testine.]] === Rotante ===
[[File:Rotary transformer 2.jpg|thumb|Parte rotante del trasformatore, con visibili tre delle sei [[
Un '''trasformatore rotante''' è un tipo specializzato di trasformatore, usato per accoppiare segnali elettrici tra due parti rotanti tra di loro. Un trasformatore rotante permette di superare i difetti tipici degli anelli collettori, come attrito, frizione, intermittenza del contatto e limitazione della velocità di rotazione.
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Un trasformatore rotante è costruito con gli avvolgimenti primari e secondari in metà separate, montate poi una di fronte all'altra. La connessione tra le due metà degli avvolgimenti è assicurata dal [[flusso magnetico]] che fornisce l'induttanza reciproca dal primario al secondario.
L'uso più comune dei trasformatori rotanti è nei [[videoregistratore|videoregistratori]], per la trasmissione dei segnali di pilotaggio delle [[
Un altro uso è per trasmettere segnali dai sensori di [[Coppia di forze|coppia]] sui motori elettrici, per controllarne la velocità e la coppia generata tramite [[retroazione]].
=== A pompa di fase{{
Sono trasformatori in cui viene aggiunto un avvolgimento ausiliario genericamente costituito da poche spire. La tensione prelevata ai capi di tale avvolgimento si modifica proporzionalmente alla potenza erogata. Collegando un opportuno circuito a questo avvolgimento è possibile misurare l'erogazione istantanea di potenza ed agire mediante circuiti appositi di compensazione (come ad esempio un trasformatore ausiliario posto in serie all'avvolgimento primario) per variare la tensione primaria. Da qui la "pompa di fase", che dà il nome a questa tipologia di trasformatori.
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=== Trasformatori audio ===
I trasformatori audio sono quelli progettati appositamente per i circuiti a [[Frequenza audio|frequenze audio]]. Tali trasformatori furono progettati originariamente per collegare vari sistemi telefonici differenti, mantenendo le rispettive alimentazioni separate, e sono ancora generalmente utilizzati per interconnettere sistemi audio professionali o vari componenti del sistema audio.
Possono venire impiegati nei [[Linea bilanciata|circuiti bilanciati]] per bloccare le interferenze a [[radiofrequenza]] sulle linee di trasmissione, oppure le componenti a [[corrente continua]] di un segnale audio (benché sia più facile adoperare i [[Condensatore (elettrotecnica)|condensatori]]), ma anche per scindere o combinare segnali audio o per fornire vari accoppiamenti tra circuiti a bassa e alta [[Impedenza caratteristica|impedenza]], come tra [[Amplificatore valvolare|amplificatori a valvole]] ad alta [[impedenza]] (> 300 Ω) e altoparlanti a bassa impedenza (< 24 Ω), o per circuiti simili costituiti da [[Amplificatore stereo integrato|amplificatore]]-[[Auricolari|cuffia]], ed anche tra l'uscita ad alta impedenza di uno strumento musicale elettroacustico e l'entrata a bassa impedenza (ad esempio) di una [[Mixer (consolle)|console di missaggio]], ecc.
Essendo dispositivi elettro-magnetici, i trasformatori audio
I trasformatori audio impiegati per i segnali di basso livello, come quelli per [[Microfono|microfoni]] o [[Testina fonografica|testine di lettura]] dei [[Disco in vinile|dischi in vinile]], possiedono sovente uno schermo di lamierino di [[Mu-metal]] che li ingloba, per [[Schermo di protezione|schermarli]] dai [[Campo magnetico|campi magnetici]] estranei ed accoppiabili magneticamente.
=== Trasformatori di misura ===
[[File:Stromwandler.jpg|thumb|Trasformatori di corrente]]
I trasformatori di misura sono usati per misurare tensioni e correnti nei sistemi di alimentazione di potenza elettrica, e per la protezione e il controllo dei medesimi. Dove una corrente o una tensione è troppo elevata per essere opportunamente usata da uno strumento, possono essere ridotti a un valore basso standard. I trasformatori di misura isolano la circuiteria di misura, protezione e controllo dalle tensioni o correnti elevate presenti nei circuiti che si stanno misurando o controllando. Un trasformatore di corrente è progettato per fornire una corrente nel suo secondario proporzionale alla corrente che scorre nella bobina del suo primario.
I trasformatori di tensione sono progettati per avere un rapporto di trasformazione noto accuratamente tanto in fase quanto in ampiezza, sopra una gamma di impedenze. Il trasformatore di tensione è stato inteso a presentare un carico trascurabile all'alimentazione che si sta esaminando. La tensione secondaria bassa consente che equipaggiamenti di protezione a relè e strumenti di misura siano operati a tensioni più basse.
Tanto i trasformatori di misura di corrente quanto quelli di tensione sono progettati per avere delle caratteristiche prevedibili con i sovraccarichi. Un corretto funzionamento dei relè di protezione{{Chiarire| richiede che i trasformatori di corrente forniscano un rapporto di trasformazione anche durante un cortocircuito.|Deve essere riformulato introducendo il concetto di saturazione in caso di sovraccarico.}}<!-- Vedi per esempio , ma non solo, https://www.electroyou.it/vis_resource.php?section=Lezio&id=158 -->
==== Trasformatore di tensione (TV) ====
{{C|La descrizione che viene data del Trasformatore di tensione (TV) è del tutto identica a quella del trasformatore "ordinario", come peraltro è dichiarato esplicitamente nella prima frase della sezione ("È il trasformatore classico descritto precedentemente"). Anche le frasi successive, oltre che essere delle ripetizioni di concetti espressi nel restante corpo della voce, non si riferiscono esplicitamente ad un Trasformatore di tensione, ma sono di nuovo riferite genericamente al funzionamento di un trasformatore "ordinario". Manca un seppur minimo accenno alla sostanza del trasformatore di tensione, cioè che si tratta di un trasformatore dedicato alla misura di tensioni in determinate condizioni, in particolare di tensioni di valore elevato. <s>Nella sezione si dice invece che il trasformatore di tensione può essere anche "elevatore".</s> Inoltre la frase "....per esempio per utilizzare un'apparecchiatura su reti elettriche a diversa tensione nominale." induce il lettore a considerare quanto descritto come un semplice adattatore di tensione, di nuovo senza nessun riferimento allo scopo principale del TV, la misura di tensioni. Ritengo che la sezione debba essere interamente riscritta.|elettrotecnica|settembre 2020}}
È il trasformatore classico descritto precedentemente. La tensione sul secondario è costante e determinata dal rapporto nel numero di spire. Gli avvolgimenti possono avere prese intermedie che permettono di decidere all'installazione tra diversi rapporti, per esempio per utilizzare un'apparecchiatura su reti elettriche a diversa tensione nominale. Le prese intermedie sul secondario, oppure avvolgimenti secondari aggiuntivi, permettono di avere a disposizione diversi valori di tensione contemporaneamente.
==== [https://pro-rpa.com/models/ct/en/ Trasformatore di corrente (TA)] ====
Fornisce sul secondario una corrente proporzionale alla corrente circolante nel primario. Usato nei sistemi di misura per correnti elevate al fine di ridurle a valori più facilmente misurabili (il valore più diffuso della corrente del secondario è di 5A).
È costituito da un nucleo toroidale al cui interno passa il cavo (anche isolato) sul quale deve essere effettuata la misura e su cui è avvolto il filo del secondario. È importante che il secondario sia sempre in cortocircuito sullo strumento di misura per evitare la formazione di tensioni pericolosamente elevate. Sono usati nei sensori di una [[pinza amperometrica]].
== Trasformatori superconduttori ==
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== Studio e prove sul trasformatore ==
=== Funzionamento a vuoto ===
[[File:Trasformatore reale a vuoto.png|
Si ha quando non ci sono carichi alimentati dal circuito secondario, quindi <math> I_2=0</math> e quindi è nulla anche <math> I_{12} </math> mentre circola solo corrente nella prima parte del circuito primario quindi <math> I_1=I_{10} </math>.
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=== Funzionamento in corto circuito ===
Si ha una configurazione di [[corto circuito]] quando si sostituisce il carico con un corto circuito: in questo caso si annullerà la tensione <math> U_2=0 </math> e le correnti vengono chiamate ''correnti di cortocircuito'' (la tensione <math> U_1 </math> dovrà essere opportunamente ridotta per non generare correnti che guastino il trasformatore):
:<math> I_1=I_{1CC} , \, I_2=I_{2CC} </math>
[[File:Trasformatore reale corto circuito.png|
Per l'analisi del trasformatore in corto circuito, partendo dalla configurazione di trasformatore reale, si riportano al primario la resistenza e l'induttanza del secondario, mettendole in parallelo con <math> Z_{10}</math> e in serie con <math> R_1</math> e <math>jX_1</math>
:<math>\begin{cases}
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=== Prova a vuoto ===
La '''prova a vuoto''' serve per determinare i componenti del circuito equivalente del ramo magnetizzante (trasversali), visti dal lato primario, le perdite nel ferro dovute al nucleo ferromagnetico e la caratteristica a vuoto della macchina.<ref>
:<math>P_{f}={ U_1^2 \over R_{10} }</math>
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Lo schema prevede l'utilizzo dei seguenti strumenti da collegare al primario:
* 1 [[frequenzimetro]], per controllare che la frequenza sia sempre quella nominale;
* 1 [[variac]] (o qualora possibile un banco di alimentazione variabile), per regolare la tensione per ogni lettura da svolgere;
* 3 amperometri;
* 1 [[voltmetro]];
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* <math> I_{20}=f(U_{2}),\!</math>
* <math> P_{0}=f(U_{2}),\!</math>
* <math> \cos(\phi_{0})=f(U_{2}),\!</math>
Dai grafici è possibile determinare i valori nominali di intensità di corrente, potenza e <math> \cos(\phi)</math> (tutti riferiti al funzionamento a vuoto) in corrispondenza del valore della tensione nominale di funzionamento. In particolare: il valore di potenza nominale a vuoto ricavato dal grafico è proprio il valore di <math>P_{f}</math>.
=== Perdite e rendimento ===
I trasformatori reali presentano due tipi di perdite:
* ''perdite nel rame'' dovute all'[[effetto Joule]] che si manifesta negli avvolgimenti percorsi da corrente:
:<math>P_{Cu}=P_j=R_{1C}\,I_1^2+R_{2C}\,I_2^2</math>
Riga 709 ⟶ 688:
Da ricordare che il rendimento è funzione della condizione di carico, questo deriva dal fatto che le perdite nel ferro dipendono dalla tensione e quindi sono pressoché costanti, mentre le perdite nel rame dipendono dal quadrato dell'intensità di corrente e dalla resistenza degli avvolgimenti. Maggiore è l'intensità di corrente, maggiori sono le perdite per effetto joule. Inoltre la resistenza non è costante, ma è variabile in funzione della temperatura, il che significa che anche la temperatura di lavoro influenza il rendimento effettivo del trasformatore.
Il trasformatore è la macchina elettrica a maggiore rendimento, dove più un trasformatore è grande, maggiore è il suo rendimento: i trasformatori di potenza molto piccola (da 1 a 10 Watt) hanno una efficienza dell'85% appena, mentre i trasformatori più grandi (oltre i 20 kW) possono arrivare a un [[Rendimento (termodinamica)|rendimento]] del 99,8% circa, inoltre il rendimento massimo per ogni singolo trasformatore lo si ha quando le perdite a vuoto sono uguali alle perdite in corto circuito, generalmente il rendimento massimo del trasformatore si ottiene con un carico pari ai ¾ del carico massimo<ref>{{Cita web |url=http://www.webalice.it/egidiorezzaghi/IAELETTT/QUARTA/TRASFO/TRASFO17.HTM |titolo=Rendimento di un trasformatore monofase |accesso=1º luglio 2016 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160806105338/http://www.webalice.it/egidiorezzaghi/IAELETTT/QUARTA/TRASFO/TRASFO17.HTM |urlmorto=sì }}</ref>.
Ogni trasformatore a seconda di come viene realizzato ha il rendimento massimo ad uno specifico livello di carico operativo rispetto alle condizioni più gravose (potenza nominale), rendimento che si può calcolare con la seguente formula:<ref>[http://elettrotecnica.altervista.org/Appunti/ottimizazione-rendimento-funzionamento.pdf FUNZIONAMENTO AL MASSIMO RENDIMENTO]</ref>
:<math> \alpha = \sqrt{{W_{o} \over W_{cc}}}</math>
dove:
* <math> W_{o} </math> perdite a vuoto
* <math> W_{cc} </math> perdite di corto circuito
== Circuito equivalente ==
Le limitazioni fisiche del trasformatore effettivo possono essere riunite in un modello circuitale equivalente (mostrato
sotto) costruito intorno a un trasformatore ideale senza perdite. La perdita di potenza negli avvolgimenti è dipendente dalla corrente ed è rappresentata come resistenze in serie ''R<sub>P</sub>'' e ''R<sub>S</sub>''. Il flusso disperso provoca la caduta di una frazione della tensione applicata senza contribuire all'accoppiamento mutuo, e pertanto può venire modellato come reattanze di
Le perdite nel ferro sono provocate per la maggior parte dagli effetti di isteresi e correnti parassite nel nucleo, e sono proporzionali al quadrato del flusso nel nucleo a una data frequenza di funzionamento. Dato che il flusso nel nucleo è proporzionale alla tensione applicata, la perdita nel ferro può essere rappresentata da una resistenza ''R<sub>C</sub>'' in parallelo con il trasformatore ideale.
Un nucleo con permeabilità limitata richiede una corrente di magnetizzazione ''I<sub>M</sub>'' per mantenere il flusso di mutua induzione. La corrente di magnetizzazione è in fase con il flusso; gli effetti di saturazione fanno sì che la relazione tra i due non sia lineare, ma per semplicità questo effetto tende a essere ignorato nella maggior parte degli equivalenti circuitali. Con un'alimentazione sinusoidale, il flusso del nucleo ritarda rispetto alla FEM indotta e questo effetto può essere modellato come una reattanza di magnetizzazione (reattanza di un'induttanza reale) ''X<sub>M</sub>'' in parallelo con la componente dissipativa del nucleo. ''R<sub>C</sub>'' e ''X<sub>M</sub>'' sono talvolta denominati insieme ''
L'impedenza del secondario ''R<sub>S</sub>'' e ''X<sub>S</sub>'' è frequentemente spostata al lato del primario dopo avere moltiplicato i componenti col fattore di scala dell'impedenza <math>\left(\!\tfrac{N_P}{N_S}\!\right)^2\!</math>.
Il modello risultante è talora denominato ''circuito equivalente esatto'', sebbene esso ritenga parecchie approssimazioni, come una presunzione di linearità. L'analisi può essere semplificata spostando il ramo di magnetizzazione alla sinistra dell'impedenza del primario, un'implicita assunzione che la corrente di magnetizzazione sia bassa, e quindi sommare l'impedenza primaria e quella secondaria trasferita, che risulta in una cosiddetta impedenza equivalente.
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== Configurazione in parallelo ==
{{F|Elettrotecnica|dicembre 2019}}
[[File:Trasformatore ideale parallelo.png|thumb|upright=1.8]]
{{C|Il contenuto non esprime correttamente quanto dichiarato nel titolo della sezione. La parte iniziale non descrive due trasformatori che funzionano in parallelo ma due trasformatori che, secondo le esigenze dell'utenza possono essere impiegati alternativamente in base al carico. Lo schema invece si riferisce a due trasformatori in parallelo ma non riporta gli apparecchi di manovra relativi alle manovre di inserzione/distacco descritti nella narrativa. La differenza fra le due situazioni impiantistiche è simile ma non identica. L'uguaglianza imposta fra le correnti, pur non indicata nello schema, lascia presupporre che i trasformatori debbano avere potenza nominale uguale o è un riferimento, peraltro neanche accennato, alla corrente secondaria di circolazione nel funzionamento a vuoto?|Elettrotecnica|dicembre 2019}}
Porre due trasformatori in parallelo è giustificato da queste esigenze:
* ''Variabilità del carico'': non essendo sempre richiesta la potenza nominale di progetto sulla rete (es: esigenze domestiche o industriali sono variabili a seconda delle ore della giornata) così da abbassare sensibilmente il rendimento del trasformatore quando questo lavori lontano dalle condizioni di progetto (massimo rendimento con carichi oltre i 3/4 della potenza nominale del trasformatore, in caso di carico molto basso, al di sotto del 50% della potenza disponibile, può essere alimentato solo uno dei trasformatori in parallelo).
* ''[[Affidabilità]]'': nel caso di guasto di uno dei due trasformatori non risulta compromessa del tutto l'erogazione della rete
* ''[[Manutenzione]]'': si possono effettuare operazioni di manutenzione sui trasformatori disattivandoli alternativamente senza dover interrompere completamente l'erogazione del servizio.
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== Valori nominali dei trasformatori ==
{|
|+
|<math>U_{1n}</math>||[[tensione nominale primaria]] (V)
|-
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== Bibliografia ==
* Mario Cimini, Diego Bosetto, Fiorenzo Stevanato - ''Il macchinario di trasformazione di potenza - Principi di funzionamento, esercizio e manutenzione'' - Gruppo GEDI editore - Roma - 2019 - ISBN 978-88-9235-604-7
* Ignazio Marongiu, Enrico Pagano, ''I trasformatori - Appunti dalle lezioni'', Liguori, 1994. ISBN 978-88-207-1234-1
* Ernesto Carbone, ''Calcolare e costruire piccoli trasformatori e autotrasformatori'', Sandit Libri, 1990.
* William M. Flanagan, ''Trasformatori e loro applicazioni'', Tecniche Nuove, 1989, ISBN 88-7081-343-6
*
* Riccardo Miglio, ''Trasformatori monofasi, trifasi e speciali. teoria e guida alle esercitazioni'', Esculapio. ISBN 88-85040-94-2
* {{Cita testo|titolo=Impianti elettrici - Il trasformatore|url=https://archive.org/details/impiantielettriciiltrasformatore|autore=Enzo Coppi|editore=Ulrico Hoepli|anno=1964|ISBN=}}
* {{Cita testo|titolo=La costruzione e il calcolo dei piccoli trasformatori|url=https://archive.org/details/lacostruzioneeilcalcolodeipiccolitrasformatori|autore=Ernesto Carbone|editore=Editoriale Delfino|anno=1966|ISBN=}}
== Voci correlate ==
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== Altri progetti ==
{{interprogetto
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|url=http://www.elettrotecnica.unina.it/files/fabricatore/upload/TRASFORMATORE.PDF|titolo=Macchine elettriche}}
* [http://www.electroyou.it/vis_resource.php?section=Lezio&id=41 Come funziona il trasformatore] - Analisi del funzionamento - ElectroYou
* {{cita web | url = http://www.gts-srl.it/dms/site-gts/pdf/COLLEGAMENTO_TRASFORMATORI_TRIFASE.pdf | titolo = I collegamenti del trasformatore, triangolo, stella, zig-zag | accesso = 13 settembre 2012 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20160304102757/http://www.gts-srl.it/dms/site-gts/pdf/COLLEGAMENTO_TRASFORMATORI_TRIFASE.pdf | urlmorto = sì }}
* [https://pro-rpa.com/models/ct/en/ Modello interattivo - analisi della saturazione del trasformatore di corrente]
{{Componenti elettronici}}
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