ELETTROTECNICA: 2_4 Trasformatori statici, raddrizzatori, invert: loro struttura e funzionamento

In termini generali un trasformatore è costituito da due o più bobine, da caratteristiche differenti, componenti che come abbiamo visto in un capitolo precedente, sono in grado di generare un campo magnetico quando una corrente le attraversa e inducono anche una corrente quando sono influenzati da un campo magnetico variabile. Capendo questo, un trasformatore costituito semplicemente da un avvolgimento primario che quando riceve una corrente alternata induce un campo magnetico che varia continuamente e un avvolgimento secondario che interagisce con il campo magnetico dell’avvolgimento primario, inducendo un’uscita in corrente alternata.

Prima di tutto bisogna capire perché i trasformatori funzionano con corrente alternata e non con corrente continua. Ciò si verifica a causa della legge di Faraday che in termini semplici ci dice che per indurre una corrente in un conduttore il campo magnetico deve cambiare nel tempo aumentando diminuendo. Quindi se usassimo della corrente continua l'avvolgimento primario genererà sì un campo magnetico, però che alla fine smetterà di crescere ed essere costante nel tempo e di conseguenza l'avvolgimento secondario indurrà solo una corrente inizialmente, ma una volta che il campo magnetico diverrà costante smetterà semplicemente di indurre qualsiasi corrente.

Capendo questo, analizziamo un trasformatore nella realtà. Durante quest’animazione ci concentreremo su un trasformatore di tipo a mantello, costituito da un nucleo lamellare con tre colonne le cui bobine sono avvolte sulla colonna centrale. La posizione delle bobine è leggermente diversa da quella che avevamo visto prima, ma ricorda che fin tanto che il campo magnetico dell'avvolgimento primario raggiunge l'avvolgimento secondario, tutto funzionerà praticamente allo stesso modo. Per ora concentriamoci solo sulle bobine, in seguito ci concentreremo sul nucleo lamellato.

In questo particolare, la bobina primaria è quella situata al centro, mentre la bobina secondaria, con tensione maggiore, si trova all’esterno per motivi di sicurezza, poiché è preferibile tenerla lontano dal nucleo per evitare qualsiasi contatto. Una delle caratteristiche principali, a seconda dell'applicazione in cui utilizziamo il trasformatore, è il rapporto di trasformazione tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario ovvero, quanto maggiore o minore è la tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. Questa relazione dipende principalmente della differenza tra il numero di spire delle due bobine.

Sebbene per semplicità supponiamo che la quantità dell'avvolgimento primario sia costante. Se aggiungessimo un singolo giro, indurremo una piccola tensione di uscita, aggiungendo un secondo giro otterremo il doppio della tensione poiché fondamentalmente collegheremo due sorgenti di tensione in serie, esattamente come quando mettiamo in serie più batterie. In questo modo, se abbiamo meno giri nella bobina secondaria rispetto a quella primaria, la tensione di uscita sarà inferiore. Se il numero di giri è lo stesso, la tensione sarà la stessa e se il numero di giri è maggiore, la tensione sarà maggiore. Una relazione piuttosto semplice, infatti possiamo applicarla al contrario.

Bene, se conosciamo la tensione di ingresso e la tensione di uscita potremmo stimare la relazione tra il numero di spire e inoltre, oltre la tensione, varierà anche l'uscita di corrente, ma al contrario. Un modo semplice per ricordarla, ricorda la legge di conservazione dell'energia. Se la tensione aumenta, da qualche parte dovremo pur perdere in particolare questa conservazione avviene quando si calcola la potenza nominale di ciascuna bobina. La potenza nominale misurata in watt, è uguale alla tensione moltiplicata per la corrente. Quindi l'unico modo in cui la potenza rimane costante, aumentando la tensione allo stesso tempo, è riducendo la corrente che influenza direttamente anche un'altra caratteristica dei trasformatori, ovvero il diametro dei cavi utilizzati su ciascuna bobina.

Riducendo la corrente possiamo utilizzare cavi più sottili senza preoccuparci che questi si sciolgano. In teoria potremmo usare lo stesso diametro, ma ricorda che meno materiale significa meno peso, dimensioni più compatte e ovviamente un minor costo dei materiali per le aziende che li producono che ancora più importante quando parliamo di trasformatori ad alta tensione. Quindi non ha senso rendere i cavi più grandi del necessario. Questa stessa differenza di diametro significa che nel caso in cui avessimo un trasformatore, in cui non sappiamo qual è il terminale della bobina poiché generalmente sono coperti, potremmo misurare entrambi le resistenze e dedurre che quella più piccola corrisponde alla bobina con il minor numero di giri.

Una maggiore area della sezione trasversale e una minore lunghezza, significano minore resistenza. Torniamo ora al tema del risparmio energetico, in un mondo ideale, l'energia fornita dall’avvolgimento primario sarebbe uguale a quella ricevuta dal secondario. Tuttavia nel mondo reale non è così, perché ci sono più perdite, come le perdite dovute al trasferimento del flusso magnetico, cadute di tensione nei conduttori che compongono la bobina e perdite di calore varie. Ed è proprio per risolvere questi problemi che viene utilizzato un nucleo specifico nei trasformatori, essendo il materiale che lo compone il fattore determinante nell'effetto che produrrà. Una caratteristica fondamentale dei materiali nota come permeabilità magnetica e che in termini semplice indica la capacità di ogni materiale di influenzare e di essere influenzato da un campo magnetico. 

Per avere un'idea, semplicemente cambiando un'anima in aria per un'anima in acciaio, il flusso magnetico che passerà attraverso l'esenzione di acciaio sarà tra 2.000 e 6.000 volte più forte che con un nucleo in semplice aria con la quale aumenterà anche notevolmente la corrente indotta nella bobina secondaria. Indipendentemente da quanto si alta la permeabilità del nucleo, non otterremo mai come risultato una potenza d'uscita maggiore dell'input, perché c'è un fenomeno noto come saturazione magnetica, in cui oltre un certo limite, la magnetizzazione dei materiali diventa sempre più difficile. Finora sembra tutta andare liscio, benché ci sia una serie di problemi quando si utilizza un nucleo intero come quello in acciaio.

I nuovi problemi che ci verranno incontro saranno correnti vaganti, correnti di Eddy e correnti di Focault. Un'anima in acciaio, oltre ad avere un'elevata permeabilità magnetica è un materiale conduttivo e anche quando elettricamente isolato, dagli avvolgimenti, il campo magnetico della bobina primaria indurrà correnti nel nucleo, proprio come fa una bobina secondaria. Ovviamente queste correnti non vanno da nessuna parte, perché stiamo parlando di un blocco metallico che forma un circuito chiuso, ma gli elettroni continueranno a fluire al suo interno e, come abbiamo già accennato in precedenza,  una corrente genera un campo magnetico che tra l'altro, secondo la legge di Lens, si opporrà al primo campo magnetico che lo ha generato.

In poche parole queste correnti vaganti influenzeranno negativamente l'efficienza del nostro trasformatore, ma possiamo fare ancora qualcosa per controllarle. In effetti la soluzione è abbastanza semplice, se non vogliamo che ci siano correnti nel nucleo, il modo più semplice per fermarle è opporre resistenza, cercare letteralmente un materiale che abbia lo stesso tempo elevata permeabilità magnetica, ma alto coefficiente di resistività. Una delle soluzioni, più utilizzate, sono le lamiere in acciaio con piccole percentuale di silicio, intorno al 4%, che sono anche elettricamente isolate l’una dall'altra. Cioè, non solo il materiale è un coefficiente di resistività più elevato, ma anche il design dei fogli riduce la sezione trasversale, che è un'altra variabile che aumenta la resistenza di un componente.

In breve abbiamo ridotto il più possibile le correnti vaganti, anche se va notato che in questo processo oppone in una resistenza al movimento delle correnti verrà generato un aumento della temperatura del materiale. Infatti, maggiori sono le frequenze di oscillazione del campo magnetico, maggiori saranno le perdite. Il secondo problema che incontreremo è la quantità di flusso magnetico presentare il nucleo. Dipende non solo dalla quantità di corrente applicata ad un induttore in un dato momento, ma anche dal flusso magnetico che in precedenza esisteva nel nucleo. Questa proprietà è nota come isteresi e potremmo interpretarlo come un'inerzia del nucleo quando si cambia la direzione del suo flusso magnetico o una spese energetica che dobbiamo sostenere per riorientare il campo. Fortunatamente le anime in acciaio e silicio hanno anche perdite di isteresi molto più piccole di una comune anime in acciaio. Ecco perché sono ideali per un gran numero di applicazioni, oltre ad essere relativamente economiche da produrre, hanno tuttavia un'alta densità, che provoca un aumento del peso di trasformatori.

E anche quando si lavora con frequenze che superano le centinaia di migliaia e di hertz, abbiamo delle perdite di corrente vaganti e di temperatura generate come risultato della loro dissipazione. Per applicazioni che richiedono una sorgente di corrente alternata ad alta frequenza ci sono altri materiali come la ferrite, che è un materiale ceramico ferroso non conduttivo cioè non è influenzato dalle corrente vaganti. Non importa quanto alte siano le frequenze, oltre ad essere meno denso dell'acciaio, tuttavia di solito hanno una permeabilità magnetica inferiore. Tutte queste informazioni sono solo di riferimento, perché ci sono diverse leghe con quantità diverse di ogni elemento e quindi diverse permeabilità magnetiche, coefficienti di resistenza, coefficienti di resistività, densità, effetti di isteresi ovviamente anche costi diversi. Ovvero, non esiste un nucleo che funzioni per tutti i contesti, infatti ci possono essere casi in cui non vogliamo nemmeno usare un nucleo, come nelle bobine di Tesla.

IL TRASFORMATORE TRIFASE: FUNZIONAMENTO

Qui gli avvolgimenti primario e secondario sono disposti in modo concentrico. In un trasformatore trifase sono necessari altri due di questi avvolgimenti.

I trasformatori trifase con potenze nominali elevate impiegano un tipo soltanto di avvolgimento noto come avvolgimento a disco in cui diversi avvolgimenti a disco appunto, separati tra loro, sono collegati in serie attraverso le loro estremità esterne ed interne

Gli avvolgimenti di bassa tensione sono collegati in una configurazione a «triangolo», mentre gli avvolgimenti ad alta tensione sono configurati in una configurazione a stella. 

Pertanto la tensione di rete aumenta ulteriormente fino a tre volte sul lato di alta tensione. Questo significa anche che da un trasformatore trifase elevatore di tensione, possiamo ricavare quattro cavi di uscita ovvero tre fili di alimentazione trifase e uno neutro. 

L’energia elettrica e l’energia in uscita dal trasformatore necessita di boccole isolate ad alta tensione per facilitarne il passaggio nella rete di distribuzione.

Possiamo notare che il nucleo del trasformatore trifase è formato da una pila di sottili lame in acciaio isotermico. Più strati di lamine in acciaio sono impilate insieme a formare un unico pezzo. Queste lamine consentono di ridurre al minimo le correnti parassite. Le correnti parassite in un nucleo di un trasformatore rappresentano una perdita indesiderata. Esse assorbono l’energia dalla rete e riducono l’efficienza del trasformatore. Queste correnti non possono essere completamente eliminate, ma possono essere ridotte il più possibile.

L’avvolgimento di bassa tensione è posizionato vicino al nucleo. Quando la potenza viene trasferita dal primo avvolgimento al secondo avvolgimento, possono verificarsi molti tipi di perdite di energia. Tutte queste perdite di energia sono convertite in calore. Per questo motivo i trasformatori devono avere un sistema di raffreddamento al loro interno per rimuovere il calore in eccesso prodotto da tali perdite.

I trasformatori trifase infatti sono solitamente immersi in una serpentina di raffreddamento per dissipare il calore. L’olio dissipa il calore tramite convenzione naturale, quando aumenta la sua temperatura si espande. Per questo motivo, un serbatoio posto al di sopra del trasformatore consente di ospitare l’olio in eccesso causato da questo cambiamento di volume. Sulle navi invece il raffreddamento è dovuto alla ventilazione naturale esistente nella zona di installazione.

INVERTER: FUNZIONAMENTO

Una volta visto il funzionamento del raddrizzatore possiamo vedere come funziona un inverter. In elettronica l’inverter è un apparato elettronico di ingresso / uscita in grado di convertire una corrente continua in ingresso in una corrente alternata in uscita e di variarne i parametri di ampiezza e frequenza.

Se si osserva la corrente alternata si vedrà un andamento ondulatorio in cui la tensione si alterna tra i suoi picchi MAX e MIN simmetrici passando per un valore nullo. Si può paragonare la corrente alternata al livello del mare fra le sue condizioni estreme di alta e bassa marea. Tra questi valori estremi di livello l’acqua del mare scorrerà a livelli intermedi cambiando anche direzione.

Le comuni batterie invece, forniscono corrente continua e rappresentano l’esempio tipico di generatori di corrente continua. La loro caratteristica è quella di presentare ai morsetti una polarità fissa ovvero un polo positivo e un polo negativo. Questo tipo di corrente è utilizzata principalmente da dispositivi come schede elettroniche. La corrente continua si trova sempre alla medesima tensione e il suo flusso scorre sempre in un’unica direzione rappresentabile da una linea retta.

Possiamo immaginare un fiume o un canale che scorre continuamente in modo rettilineo in una sola direzione con un flusso costante. Una tipologia più complessa di inventer è necessaria quando essi sono integrati in variatori di frequenza o unità di controllo del moto per il controllo della velocità, della coppia e della direzione dei motori in corrente alternata. Notiamo in quest’animazione l’ inverter è accoppiato ad un raddrizzatore, la corrente alternata in entrata viene convertita in continua e poi di nuovo in alternata ma i driver interni cambieranno la frequenza e di conseguenza la forma dell’onda sinusoidale. Questo permetterà di controllare con precisione, le prestazioni di un motore collegato ad un carico, un compressore, ecc.

In quest’animazione spiegheremo come ottenere della corrente elettrica con forma d’onda sinusoidale pura in uscita, da una corrente continua in entrata. 

La corrente alternata inverte periodicamente la sua direzione, per questo motivo il valore medio della corrente alternata su un ciclo è zero. 

Prima di procedere con la costruzione dell’onda sinusoidale, vediamo cosa è un’onda quadra. In quest’animazione possiamo vedere la costruzione di un circuito a 4 interruttori ed una tensione di ingresso. Questo circuito è noto come inverter a ponte di diodi. L’uscita è rappresentata dai punti A e B, in questo caso l’input è rappresentato da una batteria mentre questo (LOAD) rappresenta il carico ipotetico.

Come possiamo vedere, c’è un flusso di corrente solo se gli interruttori i1 e i3 sono collegati e i2 e i4 sono scollegati. Ora basta invertire ed osservare il flusso di corrente. E’ chiaro che in questo caso il flusso di corrente è opposto come la tensione di uscita attraverso il carico. Questa è la tecnica di base che produce una onda quadra alternata.

La frequenza della corrente alternata è di 50 Hertz, questo significa che avremmo bisogno di accendere e spegnere ogni interruttore 100 volte in un secondo, cosa impossibile da fare manualmente usando degli interruttori meccanici. Per questo motivo entrano in gioco gli interruttori a semiconduttori, i transistori MOSFET che sono capaci di effettuare l'accensione e lo spegnimento migliaia di volte al secondo usando segnali di controllo. Tali segnali possono regolare agevolmente l’accensione e lo spegnimento dei transistor. 

La forma dell’onda quadra rappresenta la prima approssimazione di un’onda sinusoidale. I vecchi inverter che producono onde quadre sono facilmente riconoscibili dal loro ronzio durante il loro funzionamento come i ventilatori o altri apparecchi che utilizzano potenze in onda quadra anche perché solitamente i loro componenti interni si surriscaldano molto. I moderni inverter invece, producono onda sinusoidale pura in uscita. Vediamo nel dettaglio come fanno.

La tecnica si chiama PWM (Pulse With Modulation) ovvero modulazione a larghezza di impulso. Lo scopo della modulazione e larghezza di impulso è semplice: si genera un impulso quadrato di ampiezza temporale e di tensione variabile in modo da comporre ad una forma molto simile ad una sinusoide.

Questa adesso è la parte più complicata: cosa succede se mettiamo questi impulsi in un piccolo intervallo di tempo ? Resteremmo sorpresi di vedere che la forma degli impulsi sembra molto simile alla curva sinusoidale. Più sottile è l’impulso che viene utilizzato, migliore sarà la forma sinusoidale. In questa situazione come possiamo produrre questi impulsi e come facciamo a trovare un modo pratico per ricavarne una media ? 

Vediamo ora come questi impulsi sono implementati in un inverter, per questo scopo si usano i comparatori. I comparatori confrontano un’onda sinusoidale con onde triangolari. Un comparatore usa l’onda sinusoidale e l’altro comparatore usa l’onda sinusoidale invertita. Il primo comparatore controlla gli interruttori i1 e i2, mentre il secondo comparatore controlla gli interruttori i3 e i4. Gli interruttori i1 e i2 determinano il livello di tensione nel punto A e gli altri due interruttori (i3 e i4) determinano il livello di tensione al punto B.

Quindi possiamo vedere che un ramo del comparatore è dotato di una logica esclusiva, vuol dire che quando i1 è aperto, i2 sarà chiuso e viceversa. Questo significa che non possiamo mai accendere i1 e i2 allo stesso tempo poiché questo causerà il corto circuito del circuito a corrente continua. 

L’accensione di i1 che dà tensione al punto A e l’accensione di i2 otterrà una tensione pari a zero, stessa cosa per il punto B. La logica di commutazione della modulazione a larghezza di impulso è semplice: quando il valore dell’onda sinusoidale è  superiore a quello dell’onda triangolare il comparatore produce un segnale altrimenti il segnale è zero. Ora osserviamo la variazione di tensione: il segnale di controllo di i1 accende il MOSFET, gli impulsi di tensione prodotti al punto A sono mostrati nell’animazione. Basta applicare la stessa logica di commutazione e osservare gli impulsi di tensione generati nel punto B 

Dal momento che stiamo tracciando la tensione di uscita tra il punto A e B, la tensione netta sarà ottenuta dalla differenza tra A e B. Questo è il treno di impulsi che abbiamo bisogno per creare questa onda sinusoidale. Più piccola ed accurata è l’onda triangolare più accurato è il treno di impulsi. La domanda ora è: come facciamo ad implementare in modo pratico la media per renderlo esattamente potenza elettrica alternata sinusoidale ?

Elementi passivi e attivi come induttori e condensatori sono usati per smussare la forma d’onda della potenza, questi elementi sono chiamati filtri passivi. Gli induttori agiscono sulla corrente mentre i condensatori sulla tensione e la combinazione di questi componenti passivi che compongono i cosiddetti filtri prendono l’andamento dell’onda più graduale e riducono l’andamento a scalino tipico delle conversioni a larghezza d’impulso

La tecnologia inverter che abbiamo ora spiegato ha solo due livelli di voltaggio, ma cosa succede se utilizziamo un livello di tensione aggiuntivo ? Questo darà una migliore approssimazione dell’onda sinusoidale e porterà ad una riduzione dell’errore istantaneo. Questa tecnologia inverter multilivello utilizza tecnologie di alta precisione. Gli inverter utilizzati a bordo delle navi con propulsione elettrica hanno un funzionamento analogo, ma vediamo questi ultimi un po’ più da vicino.