The Last Codex
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Tema

Lingua

Trasformatore

Alzare e abbassare la tensione

Data
1885
Epoca
Era elettrica
Fase
V Era elettrica
Difficoltà

Tavola

Legenda
  1. 1Primario: poche spire di filo grosso
  2. 2Secondario: molte spire di filo sottile
  3. 3Nucleo di ferro lamellare
  4. 4Lamierini sottili del nucleo
  5. 5Morsetto

Anatomia

v₁ i₁v₂ i₂ΦCA ~CC =
Flusso magnetico nel nucleo: più linee, più flussoAvvolgimenti sezionati: ⊙ corrente verso di voi, ⊗ che si allontanaCurve: tensione a tratto pieno, corrente tratteggiata, flusso in rameI valori seguono l'esempio della tavola: 1000 spire sul primario, alimentato a 4600 V e 50 Hz. Ogni spira dei due avvolgimenti abbraccia lo stesso flusso, cioè 4,6 V per spira, quindi le tensioni stanno nel rapporto delle spire. Ogni fascia disegnata su un avvolgimento vale 50 spire. Il flusso arriva al massimo a 20,7 mWb (1,5 T in una colonna di 120 mm di lato, fatta di circa 380 lamierini da 0,3 mm), un quarto di periodo dopo la tensione: la tensione dipende da quanto in fretta cambia il flusso ed è massima quando il flusso passa per lo zero. Ogni linea color rame sul nucleo vale un quarto del flusso massimo. Il modello suppone una potenza di 25 kVA e un carico resistivo adattato al secondario, che assorbe sempre 25 kW: un secondario con meno spire dà meno tensione e più corrente, in fase con la tensione. Come perdite conta 600 W negli avvolgimenti e 63 W nel nucleo, vicino ai limiti europei per un trasformatore di questa taglia, quindi esce il 97,4 % della potenza. I punti sulla tavola segnano i capi positivi nello stesso istante; la corrente si conta entrante dal punto del primario e uscente da quello del secondario. Il moto è rallentato 100 volte. In continua il flusso sale per qualche millesimo di secondo, al massimo un centesimo circa, finché il ferro si satura, poi quasi non cambia più: la tensione del secondario si spegne e il primario, poco più di un pezzo di filo, va verso circa 450 A, 83 volte la corrente nominale, e brucerebbe. Un trasformatore funziona solo in alternata, ed è per questo che le reti l'hanno adottata; i collegamenti in continua ad alta tensione di oggi hanno bisogno di un convertitore a ogni capo. Tornando all'alternata la figura riprende il ciclo a regime, senza il picco di corrente dell'accensione. Un trasformatore come questo lavora a una tensione mortale: non apritene mai uno, non salite sui pali, non entrate nelle cabine.

Un trasformatore è fatto di due bobine di filo sullo stesso nucleo di ferro: una corrente alternata nella prima induce nella seconda una tensione più alta o più bassa, secondo il rapporto fra i numeri di spire. Permette di trasmettere l'elettricità ad alta tensione su lunghe linee e di consegnarla alla tensione che usano gli apparecchi, ed è il motivo principale per cui la corrente alternata si è imposta nelle reti del mondo.

Che cos’è

Un cassone cilindrico di trasformatore appeso a un palo di legno, alimentato dalla linea aerea e collegato a una casa Un trasformatore su palo abbassa la tensione della linea stradale a quella usata in casa.

Un trasformatore cambia la tensione di una corrente alternata. Non ha parti in movimento: due bobine di filo di rame isolato, il primario e il secondario, avvolte su un nucleo di ferro chiuso. L’energia entra da una bobina ed esce dall’altra a una tensione più alta o più bassa, mentre la corrente cambia in senso opposto.

Le centrali alzano la tensione per le grandi linee. Le sottostazioni la abbassano per gradi, e un ultimo trasformatore, su un palo o in una piccola cabina, la riporta ai 230 o 120 volt di una presa. Caricabatterie e campanelli ne contengono di piccoli.

Come funziona

La corrente del primario magnetizza il nucleo di ferro. Poiché la corrente è alternata, la magnetizzazione cresce, si annulla e si inverte, al ritmo di cinquanta o sessanta cicli completi al secondo. Il flusso variabile attraversa il secondario e induce una tensione in ciascuna spira: è l’induzione scoperta da Faraday, che agisce solo finché il flusso cambia.

Ogni spira delle due bobine abbraccia lo stesso flusso, quindi le tensioni delle bobine stanno nello stesso rapporto dei loro numeri di spire. Con 1000 spire sul primario e 50 sul secondario, 4600 volt in ingresso diventano 230 in uscita. In un trasformatore ideale, senza perdite, il lato a bassa tensione porta una corrente venti volte maggiore e per questo si avvolge con filo più grosso.

In corrente continua niente di tutto questo funziona: un flusso costante non induce nulla, e il primario diventa un pezzo di filo collegato alla sorgente, che si scalda. I trasformatori richiedono corrente alternata, ed è per questo che l’alternata è diventata la regola delle reti; i collegamenti odierni in corrente continua ad alta tensione convertono l’alternata in continua alla partenza e la continua in alternata all’arrivo.

L’alta tensione conviene perché il calore perso in un filo cresce con il quadrato della corrente. Mandiamo 100 kilowatt in una linea i cui fili sommano 2 ohm. A 1000 volt la corrente è di 100 ampere e i fili dissipano 20 kilowatt, un quinto della potenza. A 10.000 volt la corrente scende a 10 ampere e la perdita a 200 watt, lo 0,2%.

Un blocco di ferro pieno arroventato da correnti che vi circolano in tondo, accanto a un blocco freddo fatto di sottili lamierini impilati Un nucleo pieno si scalda per le correnti che vi girano dentro; i lamierini sottili, isolati fra loro, le riducono di molto.

Il flusso fa circolare correnti ad anello anche dentro il ferro, le correnti parassite, e un nucleo pieno si scalderebbe come una piastra elettrica. Perciò il nucleo è una pila di lamierini spessi pochi decimi di millimetro, isolati l’uno dall’altro con vernice o con uno strato di ossido. Queste perdite calano con il quadrato dello spessore del lamierino. I primi costruttori usavano per lo stesso motivo fasci di fili di ferro; i nuclei moderni sono in acciaio al silicio.

Le reti usano la corrente trifase: tre correnti alternate sfasate di un terzo di ciclo, portate da tre fili e trasformate da tre gruppi di bobine sullo stesso nucleo.

Come costruirlo

Una dimostrazione da banco a pochi volt, mai un progetto collegato alla rete. Servono un bullone d’acciaio lungo circa 10 cm, un secondo bullone nudo e due piatti d’acciaio, da 20 a 30 m di filo di rame smaltato da 0,3 a 0,5 mm, nastro isolante, carta abrasiva fine, un multimetro che misuri la tensione alternata e, per l’ultima prova, un galvanometro a zero centrale.

Avvolgere le bobine. Su uno strato di nastro, avvolgere sul bullone un primario di 100 spire. Coprirlo con il nastro, avvolgere sopra un secondario di 100 spire, nastrare di nuovo e aggiungere sopra un secondario di 50. Togliere lo smalto da ogni estremità con la carta abrasiva.

Scegliere una sorgente sicura. Usare un alimentatore da presa acquistato in negozio la cui etichetta indichi un’uscita alternata («AC output») di 12 volt al massimo, oppure un generatore di funzioni che dia una sinusoide di pochi volt a circa 1 kHz, senza componente continua. Quasi tutti gli alimentatori danno corrente continua e non vanno bene. Una lampadina a incandescenza da auto da 12 volt e circa 5 watt in serie con il primario limita la corrente.

Misurare. Leggere la tensione alternata ai capi del primario e di ciascun secondario, poi scollegare: il bullone pieno si scalda. Con l’alimentatore si leggono pochi decimi di volt, perché quasi tutta la tensione cade sulla lampadina. La bobina da 50 spire dà circa metà della tensione di quella da 100, ed entrambe restano sotto la tensione del primario, perché il flusso di un bullone isolato si richiude nell’aria. Accostare il bullone nudo a quello avvolto e collegare le teste e le punte con i piatti d’acciaio, così che il ferro formi un telaio chiuso attorno alle bobine: le letture salgono.

Provare con una pila. Con una pila da 4,5 volt al posto dell’alimentatore, e la lampadina sempre in serie, collegare al secondario un galvanometro a zero centrale sulla portata meno sensibile o attraverso una resistenza di qualche kiloohm. La lancetta scatta da una parte quando si chiude il circuito, dall’altra quando lo si apre, e resta a zero nel frattempo.

Leggere una targa. Su un trasformatore da campanello, trovare le tensioni d’ingresso e d’uscita, per esempio 230 V / 12 V, e la potenza in voltampere (VA). Le macchine grandi aggiungono frequenza, raffreddamento e tensione di cortocircuito; quelle targhe si leggono da fuori della recinzione.

Sicurezza. Non dare mai a un secondario più spire del primario, e ricordare che un alimentatore a vuoto può dare un quinto in più di quanto indica l’etichetta. Aprire un circuito che attraversa una bobina produce un breve picco di tensione: interrompere con un interruttore o con un filo tenuto per l’isolante, mai con le dita sui capi scoperti. Non avvolgere mai bobine per la rete e non aprire, modificare o ricablare apparecchi alimentati dalla rete, nemmeno staccati: i trasformatori dei forni a microonde e delle insegne al neon erogano correnti mortali. Un trasformatore abbassatore alimentato al contrario alza la tensione, e i condensatori di un apparecchio possono restare carichi dopo averlo staccato. Le bobine restano calde dopo l’uso. Non arrampicarsi mai sui pali, non entrare nelle cabine elettriche e non toccare linee cadute. Gli impianti di rete spettano a un elettricista abilitato.

Storia ed evoluzione

Michael Faraday dimostrò l’induzione nell’agosto 1831 con il suo anello di ferro a due bobine, Joseph Henry la scoprì per conto suo in America, e verso il 1850 Heinrich Ruhmkorff, a Parigi, fece della bobina d’induzione uno strumento comune nei laboratori.

Nel 1884 Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs accesero lampade lungo una linea di 40 km fra Torino e Lanzo con i loro «generatori secondari», collegati in serie e con nuclei di ferro aperti: accendere una lampada disturbava le altre.

Un anello di avvolgimenti di rame interamente fasciato di filo di ferro, su un supporto di legno Uno dei primi trasformatori di Budapest: il filo di ferro avvolge l’anello di rame e chiude il circuito magnetico.

Alle officine Ganz di Budapest, Károly Zipernowsky, Miksa Déri e Ottó Bláthy capirono che un nucleo di ferro chiuso e trasformatori collegati in parallelo avrebbero tenuto stabile la tensione. Depositarono i brevetti fra gennaio e marzo 1885, chiamarono l’apparecchio «trasformatore» e a maggio usarono il loro sistema per illuminare l’Esposizione nazionale di Budapest.

George Westinghouse comprò i diritti di Gaulard e Gibbs, e il suo ingegnere William Stanley costruì trasformatori a nucleo chiuso che nel marzo 1886 illuminarono la via principale di Great Barrington, nel Massachusetts. La corrente continua di Edison, a circa 110 volt, arrivava solo a poche strade attorno a ogni centrale, e le sue società fecero campagna sui pericoli dell’alternata. Westinghouse illuminò in alternata l’Esposizione di Chicago del 1893, e nel 1896 l’energia delle cascate del Niagara raggiunse Buffalo.

Entro il 1888 Galileo Ferraris e Nikola Tesla avevano ottenuto con correnti sfasate un campo rotante per i motori; nel 1891 una linea trifase portò 300 cavalli per 175 km, da Lauffen a Francoforte. Le grandi linee di oggi lavorano a centinaia di migliaia di volt.

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