Come funziona il trasformatore sotto carico

Nell’articolo “Il trasformatore: caratteristiche e funzionamento” è stato spiegato cos’è il trasformatore, com’è composto e il suo funzionamento.
In questo articolo vediamo il suo funzionamento sotto carico.

Il trasformatore funziona sotto carico quando all'avvolgimento secondario viene collegato un circuito.
Tale circuito prende il nome di carico del trasformatore.
Se, ad esempio, il circuito collegato comprende solo un resistore la tensione secondaria farà circolare in esso una corrente secondaria, corrente di carico, la cui intensità, secondo la legge di Ohm, si ottiene dividendo la tensione secondaria per la resistenza del resistore.
Tale corrente a sua volta, circolando nelle spire del secondario, produce un flusso d’induzione in modo da opporsi alla variazione del flusso d’induzione (Φ) prodotto dalla corrente magnetizzante.
Quando la corrente secondaria inizia a circolare producendo il suo flusso d’induzione, il primario assorbe dalla rete una nuova corrente producendo a sua volta un terzo flusso. Tale flusso risulta, in ogni istante, uguale e opposto a quello prodotto dalla corrente secondaria e visto che questi due flussi sono uguali e opposti e si annullano a vicenda anche quando il trasformatore funziona sotto carico nel suo nucleo si ha un solo flusso d’induzione (Φ) prodotto dalla corrente magnetizzante.
Poiché i flussi sono uguali devono essere uguali anche le f.m.m. (forze magnetomotrici) che si producono. Quindi la f.m.m. primaria (Np • Ip) deve essere uguale alla f.m.m. secondaria (Ns • Is)

Cos’è la forza magnetomotrice (f.m.m.)?
La forza magnetomotrice è una tensione magnetica che in un avvolgimento è il prodotto tra il numero delle spire e la corrente che le percorre.

L’uguaglianza tra le f.m.m. permette di vedere quale relazione c’è tra il numero di spire del primario e del secondario e le rispettive correnti Ip e Is.
Prendiamo come esempio i trasformatori, elevatore di tensione e riduttore di tensione, visti nell’articolo “Il trasformatore: caratteristiche e funzionamento” ai quali ora è collegato un resistore di valore tale da far circolare la stessa corrente di carico di 2A.

Nel primo trasformatore elevatore di tensione visto che il secondario ha 880 spire la f.m.m. che circola in questo avvolgimento è di 880 x 2A = 1760 As. Poiché il primario ha 440 spire, un numero di spire la metà del secondario, per produrre la stessa f.m.m. questo avvolgimento deve essere percorso da una corrente di 4A cioè il doppio rispetto a quella del secondario infatti la sua f.m.m. è 440 x 4 = 1760 As.
Vediamo che il trasformatore eleva il valore della tensione raddoppiandolo da 220V a 440V ma riduce nello stesso rapporto l’intensità della corrente dimezzandola da 4A a 2A.

Nel secondo trasformatore riduttore di tensione visto che il secondario ha 110 spire la f.m.m. che circola in questo avvolgimento è di
110 x 2A = 220 As.
Per produrre la stessa f.m.m. il primario che ha un numero di spire quattro volte maggiore del secondario, 440 invece di 110, deve essere percorso da una corrente quattro volte minore di quella secondaria quindi 0,5A (2A / 4 = 0,5A).
In questo caso si ottiene
440 x 0,5A = 220 As.
Qui il trasformatore riduce il valore della tensione di quattro volte il suo valore, da 220V a 55V, ma eleva nello stesso rapporto l’intensità della corrente, da 0,5A a 2A (0,5 x 4 = 2).
Si deduce che mentre la tensione primaria e quella secondaria di un trasformatore sono tanto maggiori quanto maggiore è il numero di spire dei rispettivi avvolgimenti, al contrario le correnti sono tanto minori quanto maggiore è il numero di spire degli stessi avvolgimenti.

Per comprendere la ragione di ciò occorre considerare la potenza elettrica nel trasformatore.
La potenza secondaria si ottiene moltiplicando la tensione fornita dal secondario per la corrente circolante nell’avvolgimento mentre la potenza primaria si ottiene moltiplicando la tensione applicata al primario per la corrente circolante nell’avvolgimento stesso.
Nel trasformatore elevatore di tensione la potenza secondaria è
440 x 2A = 880W
mentre la potenza primaria è
220 x 4A = 880W
Lo stesso discorso vale per il trasformatore riduttore di tensione in cui la potenza secondaria è
55 x 2A = 110W
che è uguale al valore della potenza primaria
220 x 0,5A = 110W

Sia che si tratti di un trasformatore elevatore di tensione che di un trasformatore riduttore di tensione la potenza fornita dal secondario al carico è uguale a quella fornita dalla rete al primario. Questo significa che il trasformatore non fa altro che trasferire dal primario al secondario la potenza che occorre per il carico collegato al secondario stesso variando però i valori della tensione e della corrente dai quali dipende questa potenza.

In realtà la potenza fornita dalla rete al trasformatore è sempre un po' maggiore di quella occorrente al carico perché una parte di questa potenza viene perduta nel trasformatore stesso. In questo caso si parla di perdita di potenza nel trasformatore.

Nel trasformatore le perdite di potenza avvengono sia negli avvolgimenti che nel nucleo.
Quella che avviene negli avvolgimenti è dovuta alla resistenza del conduttore che costituisce gli avvolgimenti stessi, resistenza che genera cadute di tensione che a sua volta riduce la tensione secondaria.
Per superare questo ostacolo, e ottenere quindi il rapporto di trasformazione voluto, è necessario avvolgere nel secondario un numero di spire leggermente superiore a quello occorrente. Così facendo, quando il trasformatore funziona a vuoto, si ha una tensione secondaria che risulta maggiore, anche se di poco, del valore dovuto che però scende al valore esatto quando il trasformatore funziona sotto carico questo causato dalle cadute di tensione.

Negli avvolgimenti la potenza perduta viene dissipata sotto forma di calore che determina un aumento della temperatura degli avvolgimenti stessi con il rischio di deteriorare il loro isolamento.
Le spire essendo avvolte affiancate tra loro e sovrapposte in modo da formare diversi strati, vengono isolate l’una dall’altra utilizzando per gli avvolgimenti un conduttore smaltato e disponendo tra i vari strati di spire strisce di carta paraffinata.
Se il conduttore raggiunge temperature eccessive sia lo smalto che la carta paraffinata possono deteriorarsi causando cortocircuiti tra le spire. Per prevenire ciò è necessario utilizzare conduttori di sezione adatta alla corrente che deve percorrerli.
La sezione dei conduttori si determina in base alla massima corrente che può attraversare ciascun millimetro quadrato della loro sezione senza che la temperatura raggiunge valori molto alti.
Se un avvolgimento deve essere percorso da una corrente di 1,5A per il conduttore che lo costituisce basterebbe una sezione di 0,5 mm². Se la corrente che lo percorre è di 3A il conduttore deve avere una sezione di 1 mm². Qualora la corrente è di 6A il conduttore dovrebbe avere una sezione di 2 mm² in modo che in ciascun millimetro quadrato si abbiano ancora 3A.
La densità di corrente si indica con la lettera J ed è espressa in Ampere al millimetro quadrato A/mm².
Da ciò si comprende che in un trasformatore non si deve collegare al suo secondario un carico che richiede una corrente maggiore di quella massima che l’avvolgimento può fornire questo per evitare di superare nei conduttori la massima densità di corrente ammissibile.

Come già accennato oltre che negli avvolgimenti anche nel nucleo avvengono perdite di potenza questo perché il primario oltre a indurre una corrente nel secondario induce anche correnti nel nucleo che essendo di materiale ferromagnetico è pure un conduttore. Queste correnti sono dette parassite di Foucault (dal nome del francese Leone Foucault che ne dimostrò l’esitenza).
Queste correnti parassite dissipano una potenza elettrica perduta in quanto non può essere trasferita dal primario al secondario.
Le correnti parassite circolano nei vari tratti del nucleo secondo i percorsi indicati nella seguente figura:

Per impedire alle correnti di seguire il percorso indicato nella figura, il nucleo viene realizzato con numerosi lamierini ciascuno dei quali ha questa forma:

Una faccia viene isolata con uno strato di vernice o mediante trattamento chimico e infine vengono accostati tra loro per formare il nucleo con lo spessore desiderato. In questo modo le correnti parassite non possono più seguire i percorsi indicati nella figura precedente perché tra un lamierino e l’altro trovano uno strato isolante.
Le correnti parassite circolano invece in ogni singolo lamierino che a causa del loro piccolo spessore incontrano una notevole resistenza per cui la loro intensità risulta molto ridotta. Inoltre i lamierini vengono costruiti in ferro con piccole aggiunte di silicio per aumentare ulteriormente la loro resistenza riducendo a valori molti bassi le correnti parassite e le perdite a cui esse danno luogo.