Il trasformatore monofase

Il Principio di Funzionamento del Trasformatore Monofase

Il trasformatore monofase è un componente elettrotecnico che consente il trasferimento di energia elettrica tra due circuiti mediante induzione elettromagnetica. Il nucleo, composto da lamine di materiale ferromagnetico per ridurre le perdite per correnti parassite, ospita due avvolgimenti: il primario e il secondario, con un numero di spire N1 e N2. Applicando una tensione alternata V1 al primario, si genera un flusso magnetico variabile Φ nel nucleo, che induce una tensione V2 nel secondario. In condizioni di vuoto, con il secondario non connesso a un carico, la corrente I2 è assente e la corrente primaria I0, detta magnetizzante, è necessaria per stabilire il flusso Φ. Le tensioni indotte sono direttamente proporzionali al numero di spire e alla variazione temporale del flusso magnetico. La tensione V1 è in fase con la variazione di flusso, mentre V2 è sfasata di 180 gradi rispetto a V1. Il rapporto di trasformazione K, che descrive il rapporto tra le tensioni al primario e al secondario in condizioni di vuoto, è dato dal rapporto tra il numero di spire N1 e N2.

Funzionamento a Carico e Circuito Equivalente del Trasformatore Reale

In condizioni di carico, con il secondario connesso a un'impedenza Zu, la corrente I2 genera un flusso magnetico Φ2 che si sovrappone al flusso principale Φ. Per mantenere inalterato il flusso nel nucleo, una corrente aggiuntiva I21 nel primario compensa l'effetto di I2. Il principio delle amperspire garantisce che il flusso totale rimanga costante. Nel trasformatore reale, si devono considerare le resistenze interne degli avvolgimenti R1 e R2 e le reattanze di dispersione X1 e X2, che rappresentano i flussi magnetici non mutuamente accoppiati. Il modello del trasformatore reale include queste resistenze e reattanze, oltre al ramo magnetizzante che tiene conto della corrente I0. Le equazioni di Kirchhoff per i circuiti primario e secondario consentono di calcolare le cadute di tensione ohmiche e induttive e di definire il circuito equivalente del trasformatore.

Circuito Equivalente Riferito al Primario e Semplificato

Per facilitare l'analisi del trasformatore, si utilizza un circuito equivalente con tutti gli elementi riferiti al primario o al secondario. Convertendo le impedenze del secondario in termini del primario, si ottiene un circuito equivalente riferito al primario che semplifica i calcoli. Esiste anche una versione semplificata di questo circuito equivalente che raggruppa tutte le impedenze in un unico ramo serie, rappresentato dall'impedenza Zcc, che è la somma delle impedenze Z1 e Z21 trasformate, e colloca il ramo magnetizzante Z0 in parallelo all'alimentazione. Questo modello semplificato non considera la caduta di tensione causata dalla corrente magnetizzante I0, ma è utile per analisi approssimative.

Prove a Vuoto e in Corto Circuito per la Determinazione dei Parametri

Le prove a vuoto e in corto circuito sono essenziali per determinare i parametri del circuito equivalente semplificato. La prova a vuoto si effettua alimentando il trasformatore alla tensione nominale con il secondario aperto, misurando la corrente I0 e la potenza attiva P0, che corrisponde alle perdite nel nucleo di ferro. La prova in corto circuito si realizza alimentando il trasformatore alla corrente nominale con il secondario in corto circuito, misurando la tensione di corto circuito Vcc, che è molto inferiore alla tensione nominale, e la potenza attiva Pcc, che indica le perdite per effetto Joule negli avvolgimenti. Queste prove forniscono i dati necessari per calcolare le resistenze e le reattanze del circuito equivalente.