26.2 : Circuiti equivalenti per trasformatori pratici

I circuiti equivalenti dei trasformatori pratici monofase a due avvolgimenti mostrano delle deviazioni significative dalle loro versioni idealizzate a causa delle proprietà intrinseche della resistenza degli avvolgimenti e della permeabilità finita del nucleo. Queste proprietà determinano perdite di potenza reale e reattiva, che influenzano le prestazioni del trasformatore. Comprendere queste deviazioni è fondamentale per progettare dei trasformatori più efficienti.

In un trasformatore pratico, ogni avvolgimento presenta resistenza e reattanza di dispersione. La resistenza dell'avvolgimento contribuisce alle perdite resistive, che si manifestano come calore, mentre la reattanza di dispersione, associata al flusso di dispersione, causa una caduta di tensione che si traduce in perdita di potenza reattiva. Questi elementi sono modellati in serie, con ogni avvolgimento nel circuito equivalente del trasformatore, e forniscono una rappresentazione più accurata del comportamento del trasformatore in condizioni di carico.

La permeabilità finita del nucleo del trasformatore implica che è richiesta una forza magnetomotrice (MMF) diversa da zero, come descritto dalla legge di Ohm per i circuiti magnetici. Questo requisito determina una corrente magnetizzante, essenziale per stabilire il flusso magnetico nel nucleo. Quando si considera la tensione indotta attraverso l'avvolgimento primario, la corrente magnetizzante è in ritardo di 90 gradi rispetto alla tensione indotta. Questa relazione è rappresentata da un induttore shunt nel circuito equivalente, che modella accuratamente la componente di potenza reattiva dovuta alla magnetizzazione del nucleo.

Le perdite del nucleo, dovute principalmente all'isteresi e alle correnti parassite all'interno del materiale del nucleo, sono rappresentate da una resistenza di shunt nel circuito equivalente. Questa resistenza modella la corrente di perdita del nucleo, che è in fase con la tensione indotta. Quando la corrente dell'avvolgimento secondario è zero, la corrente primaria comprende due componenti: la corrente di magnetizzazione e quella di perdita del nucleo. Queste componenti sono responsabili rispettivamente delle perdite di potenza reattiva e reale.

Per ridurre queste perdite, spesso si usa acciaio legato di alta qualità per il materiale del nucleo. Questo materiale ha proprietà magnetiche superiori, riduce l'isteresi e le perdite di correnti parassite, e migliora così l'efficienza del trasformatore.

Per un trasformatore pratico si possono realizzare tre circuiti equivalenti primari diversi:

1. Quando la resistenza e la reattanza di dispersione si riferiscono all'avvolgimento primario.
2. Quando la corrente di eccitazione (la somma delle correnti di magnetizzazione e di perdita del nucleo) viene trascurata per semplicità.
3. Quando si ignorano le resistenze degli avvolgimenti e ci si concentra esclusivamente sui componenti reattivi.

Ognuno di questi circuiti equivalenti fornisce degli approfondimenti sui diversi aspetti delle prestazioni del trasformatore e semplifica l'analisi per le applicazioni specifiche. Comprendendo e modellando queste caratteristiche non ideali, gli ingegneri possono progettare dei trasformatori che soddisfano meglio le esigenze dei vari sistemi elettrici.