Trasformatore Elevatore: Principi, Funzionamento e Applicazioni
Un trasformatore elevatore aumenta la tensione CA dal primario al secondario diminuendo proporzionalmente la corrente, conservando la potenza (in condizioni ideali). È il pilastro della trasmissione efficiente di energia su lunghe distanze.
Costruzione e Rapporto di Spire
- Avvolgimento Primario (Ingresso): Meno spire (Np), filo più spesso (corrente maggiore).
- Avvolgimento Secondario (Uscita): Più spire (Ns > Np), filo più sottile.
- Nucleo: Acciaio al silicio laminato (bassa isteresi/perdite parassite) — fornisce un percorso di flusso a bassa riluttanza.
- Rapporto di Spire (a): a = Ns / Np > 1.
Relazioni Ideali
Vs / Vp = Ns / Np = a
Is / Ip = Np / Ns = 1/a
Pin ≈ Pout (VpIp = VsIs)
Perché Elevare la Tensione per la Trasmissione?
Perdita di potenza (I²R) nelle linee. Per potenza P fissa:
I = P / V → Perdita = (P/V)² × Rlinea ∝ 1/V².
- Raddoppio Tensione → 1/4 Perdite.
- Trasmissione a 115kV, 230kV, 500kV, 765kV, 1100kV (UHV).
- Abbassamento di tensione nelle sottostazioni per la distribuzione (11kV, 415V/240V).
Applicazioni Chiave
| Applicazione | Rapporto Tipico | Note |
|---|---|---|
| Trasmissione Rete (GSU - Generator Step-Up) | 1:20 a 1:50 | 18kV Gen → 500kV Rete. Enorme MVA. Raffreddamento olio/aria forzato. |
| Sottostazione di Distribuzione | 1:10 a 1:30 | 115kV → 12.47kV. Cambiatori di presa sotto carico (LTC) per regolazione tensione. |
| Forno a Microonde | ~1:80 | 120V → 2.2kV (Magnetron). Alta induttanza di dispersione (limitazione corrente). |
| Insegne al Neon / Catodo Freddo | 1:50 a 1:100 | 120V → 2-15kV. Alta reattanza di dispersione (corrente costante). |
| Bobina di Accensione (Automotive) | 1:100 | 12V → 30-40kV. In realtà DC pulsato (flyback), non CA stazionaria. |
| Audio (Preamplificatore Microfono / DI Box) | 1:10 a 1:15 | Adattamento d'impedenza (Bassa Z microfono → Alta Z preamplificatore). Nessuna saturazione del nucleo a bassa frequenza. |
Non-Idealità nel Mondo Reale
- Regolazione: Vs diminuisce sotto carico (Req + jXeq).
- Corrente di Spunto: Innesco a tensione zero → saturazione del nucleo → 10-15× corrente nominale (armoniche, interventi fastidiosi).
- Corrente di Eccitazione: Piccola corrente a vuoto (magnetizzazione + perdite del nucleo).
Sicurezza
Tensione di uscita elevata = Pericolo letale. Barriere, interblocchi, messa a terra, distanze di sicurezza (IEC 60076 / IEEE C57.12) obbligatorie.