Trasformatore Monofase: Costruzione, Principio di Funzionamento e Fasori

Conversione di Tensione CA Statica per Induzione Mutua

Un trasformatore monofase è un dispositivo statico a 2 porte che trasferisce energia tra circuiti alla stessa frequenza, modificando i livelli di tensione/corrente tramite un flusso magnetico condiviso. Nessuna parte mobile. Alta efficienza (95–99,7%).

Dettagli di Costruzione

1. Nucleo Magnetico

• Materiale: Acciaio al Silicio Grano Orientato Laminato a Freddo (CRGO / M4–M6). Alta permeabilità, bassa perdita per isteresi.
• Lamelle: 0,23–0,35 mm di spessore, isolate (ossido / vernice / rivestimento C5). Riduce le correnti parassite (∝ spessore²).
• Tipi di Nucleo:
  • Nucleo a Colonna (Core-Type): Gli avvolgimenti circondano le colonne del nucleo (LV interno concentrico, HV esterno). Migliore raffreddamento, riparazione più facile. Standard per distribuzione.
  • Nucleo a Guscio (Shell-Type): Il nucleo circonda gli avvolgimenti (sandwich: LV-HV-LV). Migliore resistenza meccanica (cortocircuito), minore reattanza di dispersione. Usato per grandi potenze, forni, trazione.
• Gradini del Nucleo: Cruciforme / multi-gradino approssima un cerchio → riduce la lunghezza media di spira → meno perdite Cu.

2. Avvolgimenti

• Conduttore: Rame (standard) o Alluminio (costo/peso). Tondo (piccolo), Rettangolare (grande), CTC (Cavo Trasposto Continuo - molto grande).
• Isolamento: Smalto (filo magnetico), Carta (Kraft, Nomex), Distanziatori in Pressban, condotti.
• Disposizione: Concentrico (LV interno, HV esterno) minimizza spessore isolamento e distanza. Intercalato per bassa dispersione (trasformatori di strumento).
• Prese: Fuori carico (DETC - De-energized Tap Changer) ±2×2,5% o ±5%. Sotto carico (OLTC) per regolazione tensione (grandi unità).

3. Sistema di Isolamento

• Isolamento Maggiore: HV-LV, HV-Terra, LV-Terra. Olio + Pressban + Barriere di strisciamento.
• Isolamento Minore: Spira-spira (smalto), Strato-strato (carta), Bobina-bobina.
• Boccole: Porcellana / Epossidica / RIP (Carta Impregnata in Resina). A gradini di condensatore (strati di capacità) per HV. CT spesso integrati nella boccola HV.

4. Serbatoio e Accessori (Immerso in Liquido)

• Serbatoio: Acciaio, saldato. Sigillato (ermetico) o tipo Conservatore.
• Fluido di Raffreddamento: Olio Minerale (NAPTA), Ester Naturale (FR3 - biodegradabile, alto punto di infiammabilità), Silicone.
• Conservatore: Serbatoio di espansione. Vescica (N₂) o Respirazione Libera + Essiccatore in Silice.
• Radiatori / Raffreddamento: ONAN (Naturale), ONAF (Aria Forzata), OFAF (Olio/Aria Forzati), OFWF (Olio/Acqua Forzati). Classe K per Ester.
• Dispositivi di Protezione: Relè Buchholz (gas/flusso), PRV (Valvola di Sicurezza Pressione), OTI/WTI (Indicatori Temperatura Olio/Avvolgimento), MOG (Indicatore Olio Magnetico).

Principio di Funzionamento: La Legge di Faraday in Azione

1. Eccitazione: V₁ applicata al Primario (N₁ spire). Corrente di magnetizzazione I₀ scorre → crea flusso Φ_m nel nucleo.
2. FEM Auto-Indotta (Primario): E₁ = -N₁ dΦ/dt ≈ 4.44 f N₁ Φ_m (RMS). V₁ ≈ E₁ (piccola caduta I₀R₁).
3. Induzione Mutua (Secondario): Lo stesso Φ_m collega il Secondario (N₂ spire). E₂ = -N₂ dΦ/dt = 4.44 f N₂ Φ_m.
4. Rapporto di Tensione: V₂/V₁ ≈ E₂/E₁ = N₂/N₁ = a (Rapporto di Spire).
5. Corrente di Carico: I₂ scorre nel Secondario → MMF N₂I₂ si oppone a Φ_m (Lenz).
6. Risposta del Primario: Il primario assorbe corrente aggiuntiva I₂' = I₂/a per annullare N₂I₂. MMF netto ≈ N₁I₀ (mantiene Φ_m).
7. Rapporto di Corrente: I₁/I₂ ≈ N₂/N₁ = 1/a.
8. Bilancio di Potenza: V₁I₁cosφ₁ ≈ V₂I₂cosφ₂ (trascurando perdite).

Circuito Equivalente (Riferito al Primario)

 R1 Xl1 R2' Xl2' V1 ──[====]──[===]───┬───[====]──[===]───┐── V2' | │ | │ (Rc) (Xm) | | | │ | │ GND GND GND GND 

• R₁, X_l1: Resistenza e reattanza di dispersione del primario.
• R_c, X_m: Perdita del nucleo (isteresi+parassite) e reattanza di magnetizzazione.
• R₂', X_l2': Valori secondari riferiti (× a²).

Perdite ed Efficienza

• Perdita a Vuoto (Nucleo) P₀: Isteresi + correnti parassite. Costante (dipendente da tensione). ~0,1–0,5% kVA nominale.
• Perdita a Carico (Rame) P_k: I²R (Primario + Secondario). ∝ Carico². ~0,5–2% kVA nominale.
• Perdita Parassita: Parassite in serbatoio, morsetti, conduttori. Piccola.
• Efficienza η = P_out / (P_out + P₀ + P_k). Efficienza massima quando P₀ = P_k (tipicamente carico 50–70%).
• Efficienza Giornaliera: Energia in uscita / Energia in ingresso su 24 ore. Critico per trasformatori di distribuzione (carico medio leggero).

Regolazione di Tensione

%Reg = (V_nl - V_fl) / V_fl × 100%. Dipende dal fattore di potenza del carico. PF indotto → regolazione più alta. PF capacitivo → regolazione negativa (aumento di tensione).

Test (IEC 60076 / IEEE C57.12)

• Rapporto e Polarità (Misuratore Rapporto di Spire).
• Resistenza Avvolgimenti (Ponte Kelvin).
• Perdita a Vuoto e Corrente (Prova a Circuito Aperto).
• Perdita a Carico e Tensione di Impedanza (Prova a Cortocircuito).
• Resistenza di Isolamento (Megger), PI, DAR.
• Resistenza Dielettrica (Tensione Applicata, Tensione Indotta).
• DGA (Analisi Gas Disciolti) - Monitoraggio condizioni.

Riepilogo: Il trasformatore monofase è un capolavoro di design magnetico—scambia rame, acciaio e isolamento per un efficiente e isolato scaling di tensione. La sua semplicità nasconde la precisione della sua gestione delle perdite e della capacità meccanica di resistere.