Il trasformatore è una macchina elettrica statica, funzionante in corrente alternata e basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Trasforma un sistema di tensione e corrente alternata in un altro sistema generalmente di differenti valori di tensione e corrente, alla stessa frequenza, allo scopo di trasmettere la potenza elettrica. Nel trasferimento di energia elettrica, separa il circuito elettrico di ingresso denominato primario, da quello di uscita denominato secondario, tramite accoppiamento induttivo.
Durante la trasformazione c'è sempre una quantità di perdita, che ne determina l'efficienza.
È una macchina reversibile.
Descrizione In un trasformatore la corrente elettrica nell'avvolgimento primario genera un flusso magnetico variabile nel nucleo del trasformatore e di conseguenza un campo magnetico variabile attraverso l'avvolgimento primario (legge di Faraday e legge di Lenz). Questo campo magnetico variabile induce una forza elettromotrice, o tensione, nell'avvolgimento secondario. Questo effetto è chiamato mutua induzione.
Il trasformatore è una macchina in grado di operare esclusivamente in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili. Se invece la tensione in ingresso nell'avvolgimento primario è continua il flusso magnetico è costante e non c'è alcun trasferimento di tensione e corrente sull'avvolgimento secondario in uscita. Anzi, in queste condizioni avremmo in ingresso una corrente molto elevata, tendente a infinito se la resistenza dell'avvolgimento è nulla, con la conseguenza di un pericoloso danneggiamento irreversibile (il trasformatore potrebbe addirittura incendiarsi). Il rendimento di un trasformatore è molto alto e le perdite sono molto basse (nel ferro, per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite, e nel rame, per effetto Joule). Vi è da aggiungere che nel caso di circuiti interamente superconduttori un trasformatore può operare teoricamente senza limitazione di frequenza inferiore, purché ovviamente maggiore di zero.
Se un carico elettrico è collegato all'avvolgimento secondario, una corrente elettrica vi scorre e l'energia, tramite il trasformatore, viene trasferita dal circuito primario al carico. In un trasformatore ideale, la tensione indotta nell'avvolgimento secondario è in proporzione alla tensione primaria (VP), ed è data dal rapporto fra il numero delle spire dell'avvolgimento primario (NP) e il numero di spire dell'avvolgimento secondario (NS) come segue:
Con un'appropriata scelta del rapporto delle spire, il trasformatore consente quindi di aumentare la tensione a corrente alternata, ponendo NS maggiore di NP , oppure di diminuirla ponendo NS minore di NP.
Nella grande maggioranza dei trasformatori, gli avvolgimenti si trovano attorno a un nucleo ferromagnetico, essendo i trasformatori in aria delle eccezioni.
I trasformatori sono disponibili in una vasta gamma di dimensioni, dal trasformatore d'accoppiamento della grandezza dell'unghia del pollice situato all'interno di un microfono da scena, alle unità grandissime, dal peso di centinaia di tonnellate, utilizzati per interconnettere porzioni di reti di energia nazionali. Tutti funzionano mediante gli stessi principi basilari, benché la gamma dei progetti sia ampia. Sebbene nuove tecnologie abbiano rimosso l'esigenza di trasformatori in alcuni circuiti elettronici, i trasformatori sono ancora presenti in quasi tutti i dispositivi elettronici progettati per utilizzare le tensioni fornite dalle reti di distribuzione per l'alimentazione elettrica negli ambienti domestici. I trasformatori sono essenziali per la trasmissione di energia a grande distanza, resa praticabile dall'innalzamento ad alte tensioni.
Il nuovo simbolo circuitale del trasformatore è composto da due cerchi con intersezione.
Storia Invenzione Michael Faraday scoprì il principio dell'induzione nel 1831 (chiamato poi legge di induzione di Faraday) ed eseguì i primi esperimenti di induzione con bobine di filo, compreso l'assemblaggio di un paio di bobine su un nucleo magnetico toroidale chiuso. Il 29 agosto 1831 Faraday inventò l'anello a induzione, il primo trasformatore. Egli lo usò per dimostrare i principi dell'induzione elettromagnetica e non ne intravide un uso pratico.
Bobine di induzione Il primo tipo di trasformatore a vedere un vasto uso fu la bobina di induzione, inventata dal reverendo Nicholas Callan del collegio di Maynooth, in Irlanda nel 1836. Fu uno dei primi ricercatori a rendersi conto che, più spire l'avvolgimento secondario aveva rispetto all'avvolgimento primario, maggiore era la forza elettromotrice. Le bobine di induzione si sono sviluppate dai tentativi di scienziati e inventori intesi a ottenere tensioni più elevate dalle batterie. Dato che le batterie producono corrente continua, le bobine d'induzione si affidavano a contatti elettrici vibranti che interrompevano regolarmente la corrente nel primario per creare le variazioni di flusso necessarie per l'induzione. Tra il 1830 e il 1870, gli sforzi per ottenere delle bobine di induzione migliori, per lo più a tentativi, lentamente rivelarono i principi basilari dei trasformatori.
Nel 1876 l'ingegnere russo Pavel Jabločkov inventò un sistema di illuminazione basato su un insieme di bobine di induzione in cui gli avvolgimenti primari erano collegati a una sorgente di corrente alternata e gli avvolgimenti secondari potevano essere collegati ad alcune lampade ad arco di sua invenzione. Le bobine che Jabločkov utilizzò funzionavano essenzialmente come dei trasformatori.
Le bobine di induzione con circuiti magnetici aperti sono poco efficienti per il trasferimento di energia ai carichi. Fino al 1880 circa, il modello per la trasmissione di energia in corrente alternata da un generatore ad alta tensione a un carico a bassa tensione era un circuito in serie. Trasformatori a nucleo aperto con un rapporto prossimo a 1:1 erano collegati con i loro primari in serie per consentire l'impiego di una tensione elevata per la trasmissione pure presentando una bassa tensione alle lampadine. L'inerente difetto di questo metodo era che lo spegnimento di una singola lampada aveva effetto sulla tensione fornita alle altre lampade nello stesso circuito. Parecchi progetti vennero introdotti per compensare questa caratteristica problematica del circuito in serie, compresi quelli che impiegavano metodi di regolazione del nucleo o di derivazione del flusso magnetico attorno a una parte della bobina.
Nel 1878, la Società Ganz in Ungheria iniziava a produrre equipaggiamenti per l'illuminazione elettrica ed entro il 1883 riuscì a installare oltre cinquanta sistemi in Austria-Ungheria. I loro sistemi usavano esclusivamente corrente alternata e annoveravano quelli che comprendevano sia lampade ad arco sia lampade a incandescenza, insieme con generatori e altri equipaggiamenti.
Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs per primi esposero un dispositivo con un nucleo di ferro aperto denominato generatore secondario a Londra nel 1882, poi vendettero l'idea alla Società Westinghouse negli Stati Uniti. Fu il primo trasformatore di uso pratico; impiegava un nucleo lineare, abbandonato poi in favore del nucleo circolare. Esibirono l'invenzione anche a Torino, nel 1884, dove venne adottato per un sistema di illuminazione elettrica.Un merito dimenticato di Giuseppe Colombo. Riconoscimenti esteri del concorso italiano ai lavori di Luciano Gaulard per la trasmissione di energia a distanza,"L'energia elettrica"13 (1936), n. 3, p. 150-153 Nondimeno, l'efficienza del loro apparato bipolare a nucleo aperto rimaneva bassa.Friedrich Uppenborn: History of the Transformer, p. 35.
Progetti di trasformatori pratici, efficienti, non apparvero fino al 1880, ma nel giro di un decennio il trasformatore sarebbe diventato uno degli artefici dell'affermazione della corrente alternata sulla corrente continua nella guerra delle correnti fra Nikola Tesla e Thomas Edison.
Trasformatori a nucleo chiuso per illuminazione
Tra il 1884 e il 1885, gli ingegneri della Società Ganz di Budapest, Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy e Miksa Déri avevano deciso che i dispositivi a nucleo aperto erano impraticabili, poiché erano incapaci di regolare in modo affidabile la tensione. Nella loro richiesta unita di brevetto per i trasformatori Z.B.D, descrivevano il progetto di due trasformatori senza poli: il trasformatore a nucleo chiuso e il trasformatore a nucleo a guscio. Nel tipo a nucleo chiuso, i conduttori degli avvolgimenti primario e secondario venivano avvolti attorno a un anello di ferro chiuso; nel tipo a nucleo a guscio venivano fatti passare nel nucleo di ferro. In entrambi i progetti, il flusso magnetico che collega l'avvolgimento primario con l'avvolgimento secondario si propaga quasi interamente all'interno del nucleo di ferro, senza nessun tratto intenzionale nell'aria. Impiegato nelle reti di distribuzione elettrica, questo concetto progettuale rivoluzionario rese alla fine tecnicamente ed economicamente fattibile fornire energia elettrica per l'illuminazione delle abitazioni e degli spazi commerciali. Bláthy aveva suggerito l'impiego di nuclei chiusi, Zipernowssky l'uso di collegamenti in parallelo, e Dèry aveva eseguito gli esperimenti. Bláthy trovò pure la formula del trasformatore, Vs/Vp = Ns/Np, e i sistemi elettrici ed elettronici in tutto il mondo continuano a dipendere dai principi dei trasformatori originali ZBD. Gli inventori divulgarono pure la parola trasformatore per descrivere un dispositivo per modificare la forza elettromotrice di una corrente elettrica, sebbene il termine fosse già in uso dal 1882.
George Westinghouse aveva acquisito i brevetti di Gaulard e Gibbs nel 1885, e aveva comperato un'opzione sul progetto ZBD. Affidò la costruzione di un dispositivo a uso commerciale all'ingegner William Stanley. Il primo progetto brevettato di Stanley furono delle bobine di induzione con nuclei singoli di ferro dolce e traferri regolabili per aggiustare la FEM presente nell'avvolgimento secondario. Egli utilizzò per il nucleo due ferri sagomati a forma di E. Questo progetto fu usato commercialmente la prima volta nel 1886. Westinghouse di lì a poco fece lavorare il suo gruppo su un progetto il cui nucleo includeva una pila di lamine di forma a E, separate individualmente o a coppie da fogli sottili di carta o altro materiale isolante. Bobine di rame pre-avvolte potevano quindi venire infilate in sede, e strisce di ferro posate per creare un circuito magnetico chiuso. Westinghouse fece domanda di brevetto per il nuovo progetto nel 1886; venne concesso nel dicembre 1886.
L'ingegnere russo Michail Dolivo-Dobrovol'skij sviluppò il primo trasformatore trifase nel 1889. Nel 1891 Nikola Tesla inventò la bobina di Tesla, un trasformatore in aria risonante, a doppio accordo, per generare delle tensioni molto elevate ad alta frequenza. Trasformatori ad audio frequenza vennero usati per i primissimi esperimenti di sviluppo del telefono.
Impiego nel trasporto e nella distribuzione dell'energia elettrica
Il trasformatore viene ampiamente usato nelle cabine elettriche di trasformazione della rete elettrica come mezzo di interfacciamento tra le reti di trasmissione elettrica ad alta e altissima tensione e quelle di distribuzione a media e bassa tensione che collegano le centrali elettriche di produzione alle stazioni di trasformazione e, infine, alle utenze finali (industriali e domestiche). È altresì utilizzato, con analoghe finalità, come elemento fondamentale degli alimentatori e dei caricabatterie degli apparecchi elettrici ed elettronici utilizzati in ambito domestico e industriale. Infatti, la potenza attiva che le centrali elettriche immettono nella rete di trasmissione deve essere trasportata anche per centinaia di km . La potenza elettrica è legata in maniera diretta ai parametri di tensione V e intensità di corrente I, secondo la formula: