I trasformatori sono le apparecchiature più riconoscibili nei sistemi di alimentazione. Sono grandi, caratteristici, semplici in linea di principio ma richiedono molta manutenzione, facendoli sembrare molto più sostanziali dei "cavi". Nello schema della rete elettrica, i trasformatori sono come i nodi della dorsale, mentre altre apparecchiature fungono da collegamenti.

Questo articolo introdurrà i componenti, i principi, le funzioni, la classificazione e gli scenari applicativi dei trasformatori.

1.Composizione di un trasformatore

Un trasformatore è costituito principalmente da un nucleo e da avvolgimenti.

Il nucleo funge da percorso del circuito magnetico del trasformatore, mentre gli avvolgimenti sono la parte del circuito elettrico, realizzata avvolgendo un certo numero di spire di filo rivestito di smalto-.

Quello collegato alla fonte di alimentazione è chiamato avvolgimento primario, noto anche come bobina primaria. Quello collegato al carico è chiamato avvolgimento secondario, noto anche come bobina secondaria, o avvolgimento laterale secondario.

Le forme base delle strutture centrali sono il tipo con nucleo a forma di cuore- e il tipo a conchiglia.

• Trasformatore con nucleo-a forma di cuore

Le colonne di un trasformatore a nucleo-sono circondate da avvolgimenti. In poche parole, gli avvolgimenti circondano il nucleo, rendendo la struttura relativamente semplice e più facile da assemblare e isolare, motivo per cui i trasformatori spesso utilizzano una struttura di tipo-a nucleo.

• Trasformatore di tipo a guscio-

In un trasformatore di tipo a guscio-, il nucleo circonda l'avvolgimento. I trasformatori a guscio-hanno un'elevata resistenza meccanica e angoli sporgenti, ma il loro processo di produzione è complesso e richiede più materiali. Solitamente vengono utilizzati solo in trasformatori a bassa-tensione, alta-corrente o trasformatori di potenza-di piccola capacità.

2. Principio di funzionamento di base di un trasformatore

Un trasformatore funziona secondo il principio dell'induzione elettromagnetica.

Quando un alimentatore CA adatto è collegato a entrambe le estremità dell'avvolgimento primario, sotto l'azione della tensione di alimentazione u₁, una corrente alternata i₀ scorre attraverso l'avvolgimento primario, generando una forza magnetomotrice nell'avvolgimento primario. Ciò eccita un flusso magnetico alternato ϕ nel nucleo. Questo flusso alternato ϕ collega sia l'avvolgimento primario che quello secondario. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, le forze elettromotrici indotte e₁ed e₂vengono generati rispettivamente negli avvolgimenti primario e secondario. Sotto l'influenza della forza elettromotrice indotta e₂, l'avvolgimento secondario può fornire energia al carico, ottenendo il trasferimento di energia.

Il rapporto tra le forze elettromotrici indotte negli avvolgimenti primari e secondari è uguale al rapporto tra il numero di spire negli avvolgimenti primari e secondari. L'entità della forza elettromotrice indotta e₁sul lato primario è vicino alla tensione applicata u₁sul lato primario, mentre l'entità della forza elettromotrice indotta e₂sul lato secondario è vicino alla tensione di uscita u₂sul lato secondario.

Pertanto, semplicemente modificando il numero di spire nell'avvolgimento primario o secondario una o due volte, la tensione di uscita u₂può essere regolato. Questo è il principio di funzionamento di base di un trasformatore, che utilizza il principio dell'induzione elettromagnetica per convertire una fonte di alimentazione CA di un livello di tensione in una fonte di alimentazione CA della stessa frequenza ma con un livello di tensione diverso.

2.Funzioni base di un trasformatore

Le funzioni di base di un trasformatore includono la conversione di tensione, conversione di corrente, conversione di impedenza, isolamento e regolazione della tensione.

Trasformazione della tensione: i trasformatori possono aumentare o diminuire la tensione della corrente alternata per soddisfare le diverse esigenze elettriche. Ad esempio, un trasformatore step-up viene utilizzato per aumentare la tensione da una centrale elettrica per ridurre la perdita di energia durante la trasmissione, mentre un trasformatore step-down viene utilizzato per abbassare l'alta tensione a una tensione di utilizzo sicuro.

Trasformazione di corrente: modificando la tensione un trasformatore modifica corrispondentemente anche la corrente. Secondo la legge di conservazione della potenza, all’aumentare della tensione diminuisce la corrente e viceversa. Questa caratteristica rende i trasformatori molto importanti nella trasmissione di potenza, poiché possono gestire efficacemente i carichi di corrente.

Trasformazione dell'impedenza: i trasformatori possono modificare l'impedenza di un circuito, rendendolo più adatto a diverse condizioni di carico. Ciò è particolarmente importante nelle apparecchiature audio e in altri dispositivi elettronici, poiché può migliorare l'efficienza della trasmissione del segnale.

Isolamento: i trasformatori possono fornire isolamento elettrico, proteggendo la sicurezza delle apparecchiature e degli utenti. Questo isolamento può impedire che l'alta tensione danneggi le apparecchiature a bassa-tensione, garantendone il funzionamento sicuro.

Regolazione della tensione: alcuni tipi di trasformatori (come i reattori saturabili) possono essere utilizzati per la regolazione della tensione, contribuendo a mantenere la stabilità della tensione e garantendo l'affidabilità e la stabilità del sistema di alimentazione.

4.Classificazione dei trasformatori

4.1 Classificato per capacità

• Piccolo trasformatore: tensione inferiore a 10KV, capacità compresa tra 1 e 500KVA.

• Trasformatori di piccole e medie dimensioni-: tensione pari o inferiore a 35 kV, capacità da 630 a 6300 kVA.

• Trasformatori di grandi dimensioni: tensione pari o inferiore a 110 kV, capacità compresa tra 8000 e 63000 kVA.

4.2 Classificato in base all'uso

• Trasformatore di potenza: utilizzato per salire, scendere, distribuire e interconnettere nei sistemi di trasmissione e distribuzione di potenza, o utilizzato specificamente come trasformatori per centrali elettriche e sottostazioni.

• Trasformatori di misura: come trasformatori di tensione e trasformatori di corrente, utilizzati per strumenti di misura e dispositivi di protezione a relè.

• Trasformatore di potenza: utilizzato per l'alimentazione di controllo, l'illuminazione e gli indicatori di apparecchiature meccaniche generali.

• Trasformatore elettronico: utilizzato in circuiti elettronici come alimentatori a commutazione-mode, audio, impulsi e adattamento di impedenza.

• Trasformatore di test: in grado di generare alta tensione per condurre test ad alta-tensione su apparecchiature elettriche.

• Trasformatori speciali: come trasformatori per forni elettrici, trasformatori raddrizzatori, trasformatori di regolazione della tensione, ecc.

4.3Classificato in base al numero di fasi degli avvolgimenti del trasformatore

• Trasformatore monofase-: utilizzato per carichi monofase-e banchi di trasformatori trifase-.

• Trasformatore trifase-: utilizzato per aumentare o diminuire la tensione nei sistemi trifase-.

4.4Classificato in base al metodo di raffreddamento del trasformatore

• Trasformatore di tipo-a secco: raffreddato mediante convezione dell'aria, generalmente utilizzato per trasformatori di piccola-capacità come l'illuminazione locale e i circuiti elettronici.

• Trasformatore-immerso in olio: un trasformatore che utilizza l'olio del trasformatore come mezzo isolante e di raffreddamento, con il nucleo e gli avvolgimenti completamente immersi nell'olio isolante.

4.5 Classificato in base al tipo di connessione dell'avvolgimento del trasformatore

• Trasformatore a doppio-avvolgimento: utilizzato per collegare due livelli di tensione nel sistema di alimentazione.

• Trasformatore a tre-avvolgimenti: generalmente utilizzato nelle sottostazioni regionali del sistema energetico per collegare tre livelli di tensione.

• Autotrasformatore: gli avvolgimenti primari e secondari sono combinati in uno solo, utilizzato per collegare sistemi di alimentazione con tensioni diverse. Può anche essere utilizzato come un normale trasformatore step-up o step{2}}down.

4.6 Classificato in base alla frequenza operativa del trasformatore

• Trasformatore di frequenza industriale: la sua frequenza operativa è 50Hz o 60Hz.
• Trasformatore di frequenza intermedia: la sua frequenza operativa è 400–1000 Hz.
• Trasformatore di frequenza audio: la sua frequenza operativa è 20Hz–20kHz.

• Trasformatore di frequenza supersonica: la sua frequenza operativa è superiore a 20 kHz, generalmente non superiore a 100 kHz.

• Trasformatore ad alta-frequenza: un trasformatore con una frequenza operativa compresa tra 20 Hz e oltre 100 kHz.

5. Scenari applicativi dei trasformatori

5.1 Sistema di alimentazione

• Centrali elettriche: i trasformatori vengono utilizzati per aumentare la tensione generata dai generatori per la trasmissione alla rete elettrica, consentendo la trasmissione di elettricità a lunga-distanza.

• Sottostazioni: nelle sottostazioni, i trasformatori convertono l'elettricità ad alta-tensione in elettricità a bassa-tensione per soddisfare le esigenze di varie apparecchiature elettriche. Allo stesso tempo, i trasformatori possono anche svolgere funzioni come la compensazione della potenza reattiva e la regolazione della tensione, garantendo il funzionamento stabile del sistema di alimentazione.

• Linee di trasmissione: nelle linee di trasmissione, i trasformatori vengono utilizzati per aumentare la tensione e ridurre la perdita di energia, ottenendo un'efficiente trasmissione di energia elettrica a lunga-distanza.

5.2 Settore civile

• Elettricità domestica: i trasformatori di potenza convertono l'elettricità ad alta-tensione in elettricità a bassa-tensione adatta per l'uso domestico, garantendo un normale consumo di elettricità per i residenti.

• Ricarica delle batterie: che si tratti di un laptop, di un telefono o di un veicolo elettrico, questi dispositivi richiedono batterie per funzionare e la ricarica delle batterie richiede un trasformatore. La funzione principale di un trasformatore è quella di regolare la tensione e impedire il passaggio di correnti di dispersione o di sovracorrenti attraverso i dispositivi.

5.3 Campo di comunicazione

I trasformatori di comunicazione vengono utilizzati nei circuiti dei terminali telefonici e nei prodotti delle linee principali per regolare la qualità e le condizioni dei circuiti di comunicazione. Inoltre, i trasformatori di comunicazione sono ampiamente utilizzati in modem via cavo, schede di rete, hub, apparecchiature di comunicazione a banda larga xDSL, switch, ricetrasmettitori in fibra ottica, router, sistemi integrati e dispositivi di comunicazione di rete VoIP.

5.4Altre applicazioni speciali

• Apparecchiatura audio: i trasformatori audio vengono comunemente utilizzati per fornire isolamento ai segnali che fluiscono attraverso un circuito e aiutano a far corrispondere i valori di impedenza della sorgente e del carico. Possono anche eliminare segnali indesiderati o rumorosi e filtrare il segnale di ingresso. Questi tipi di trasformatori sono progettati specificamente per gestire segnali nella gamma udibile, ovvero segnali con frequenze comprese tra 20Hz e 20kHz.

• Strumenti di misura: misuratori di corrente, misuratori di tensione e vari altri strumenti e dispositivi di misura utilizzano generalmente trasformatori per il funzionamento generale. Ad esempio, i trasformatori di corrente di misura forniscono la sicurezza necessaria per il circuito isolando il dispositivo di misura dal resto del circuito e sopprimendo o riducendo le correnti elevate a valori ottimali prima di alimentarle all'amperometro.

• Rettifica: i trasformatori raddrizzatori possono convertire CA in CC, con applicazioni tra cui controllo motori, miniere, forni elettrici, laboratori di ricerca e sviluppo, trasmissione CC ad alta-tensione e altro ancora.