Trasformatori

1. Generalità

Il trasformatore è una macchina elettrica statica (perché non contiene parti in movimento) appartenente alla categoria più ampia dei convertitori. In particolare il trasformatore consente di convertire i parametri di tensione (simbolo V unità di misura [V] volt) e corrente (simboli I unità di misura [A] ampere) in ingresso rispetto a quelli in uscita, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica (a meno delle perdite per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite). Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili. Si ricordano i concetti principali.

Il trasformatore più semplice è costituito da due conduttori elettrici (solenoidi) avvolti su un anello di materiale ferromagnetico detto nucleo magnetico. L'avvolgimento al quale viene fornita energia viene detto primario, mentre quello dalla quale l'energia è prelevata è detto secondario. I trasformatori sono macchine reversibili, per cui questa classificazione non corrisponde ad un avvolgimento fisico unico.

La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario secondo la relazione:

dove Vp è la tensione applicata sul primario, Vs la tensione indotta sul secondario, Np il numero di spire del primario e Ns il numero di spire del secondario, k0 è chiamato rapporto di trasformazione.

Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del nucleo è data dalla relazione:

Un trasformatore reale però non è una macchina perfetta e per questo presenta delle perdite, ovvero la potenza assorbita dal primario è sempre superiore a quella fornita dal secondario. I diversi motivi di perdita sono:

• Effetto Joule prodotto dalla corrente che scorre negli avvolgimenti (dette perdite nel rame); • Induzione di correnti parassite nel nucleo che possono a loro volta dissipare energia per

effetto Joule (dette perdite nel ferro); • Perdita di flusso magnetico al di fuori del nucleo che può indurre correnti su oggetti vicini al

trasformatore; • Perdite per isteresi magnetica (sono perdite nel ferro);

• Perdite per movimenti meccanici dovuti a forze magnetiche o magnetostrizione, solitamente percettibili come il classico ronzio del trasformatore;

2. Funzionamento a vuoto ed in cortocircuito

Questa tipologia di funzionamento si ha quando non ci sono carichi alimentati dal circuito secondario, quindi I2 = 0 e quindi è anche nulla anche I12 mentre circola solo corrente nella prima parte del circuito primario quindi I1 = I10.

Questo schema ci da un'idea delle perdite nel ferro e della relativa perdita di potenza che ci sarà utile per il calcolo del rendimento del trasformatore. Valore importante è anche quello della corrente assorbita a vuoto, in quanto funzione della qualità del nucleo e del suo assemblaggio.

Si ha una configurazione di corto circuito quando si sostituisce il carico con un corto circuito: in questo caso si annullerà la tensione U2 = 0 e le correnti vengono chiamate correnti di cortocircuito (la tensione U1 dovrà essere opportunamente ridotta per non generare correnti che guastino il trasformatore):

3. Trasformatori trifase e gruppi vettoriali

La trasformazione di un sistema trifase può essere sempre eseguita impiegando tre trasformatori a monofase identici e realizzando l’inserzione secondo tre possibili tipologie di connessione:

• Stella (sinonimi: Y, y, star); • Triangolo (delta, D, Δ) • Zig-zag (z,Z): è un tipo di collegamento misto tra stella e triangolo;

I collegamenti primari e secondari di un trasformatore conforme alla norma IEC 60076-11 sono riassunti da un unico indice di connessione, composto da:

• Prima lettera: connessione primaria (maiuscola) = Y, D, Z; • Seconda lettera: connessione secondaria (minuscola) = y,d,z • Terza lettera: una lettera n dopo la prima o seconda lettera se risulta accessibile il neutro; • Gruppo vettoriale: è un numero fisso che, moltiplicato per 30, indica l’angolo di sfasamento

tra tensioni primarie e tensioni secondarie;

Collegamenti principali

Gruppo Sfasamento ( gruppo * 30º ) Denominazione Collegamento

primario Collegamento

econdario 0 0º Yy0 stella stella 0 0º Dd0 triangolo triangolo 0 0º Dz0 triangolo zig-zag 5 150º Yd5 stella triangolo 5 150º Dy5 triangolo stella 5 150º Yz5 stella zig-zag 6 180º Yy6 stella stella 6 180º Dd6 triangolo Stella 6 180º Dz6 triangolo zig-zag 11 330º Yd11 stella triangolo 11 330º Dy11 triangolo stella 11 330º Zy11 zig-zag stella

Esempi di collegamento dei trasformatori trifase

Schema di

collegamento

Primario 1U / 1V / 1W STELLA TRIANGOLO TRIANGOLO TRIANGOLO

Secondario 2U / 2V / 2W STELLA TRIANGOLO

STELLA con centro accessibile

ZIG-ZAG

4. Parametri per la scelta e la definizione del trasformatore

I presenti criteri sono validi sia per i trasformatori di distribuzione MT/bt che per i trasformatori AT/mt;

• Condizioni di servizio: temperatura ambiente (40°C), temperatura minima (-25°C) altitudine (fino a 1000 mt s.l.m.). Ogni deviazione dalle presenti condizioni standard deve essere specificata al costruttore;

• Potenza nominale: le norme specificano alcune taglie standardizzate, Sn= √3 * Un * In

• Perdite: sono la somma di due elementi. 1. perdite nel ferro o a vuoto: misurate con trasformatore connesso a vuoto; 2. perdite nel rame o in cortocircuito: misurate facendo percorrere gli avvolgimenti

dalla corrente nominale, alimentando il primario a tensione ridotta (tensione di cortocircuito) e chiudendo il secondario in cortocircuito;

Un elevato contenuto armonico incrementa le perdite nel ferro e nel rame, con la necessità di declassare la potenza della macchina;

Sono il fattore fondamentale, possono essere scelti trasformatori a perdite normali o perdite ridotte, classificate secondo alcune norme. Il costo di un trasformatore a perdite ridotte è naturalmente superiore, le differenze fra i costi non sono immediatamente confrontabili, perché la differenza viene poi compensata per il maggior costo dell’energia elettrica dovuto alle maggiori perdite. Anche la scelta di un trasformatore di taglia maggiore rispetto alla potenza impiegata comporta sicuramente una diminuzione delle perdite. Le perdite ovviamente variano con la temperatura, tutte le perdite nominali devono essere riferite alla temperatura di riferimento di 120 °C.

• Rendimento: è il rapporto tra la potenza attiva resa al secondario e la potenza attiva assorbita al primario. Varia con il fattore di potenza.

• Raffreddamento: identificato da quattro lettere in sequenza.

1. Prima lettera: mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti. (O,K,L,A); 2. Seconda lettera: tipo di circolazione imposta al fluido di prima lettera (N,F,D); 3. Terza lettera: mezzo refrigerante dell’involucro esterno (A,W); 4. Quarta lettera: tipo di circolazione imposta al fluido di terza lettera (N,F);

• Livello di isolamento: è definito dalla tensione massima, a cui sono associate la tensione di tenuta a 50Hz e la tensione di prova ad impulso normalizzato.

Tensione nominale

normalizzata kV

(Ur=Um)

Tensione di tenuta a 50 Hz per 60 s (kV)

Ud

Tensioni di tenuta ad impulso

Up(1,2/50)

20 3,6 10 40 40 7,2 20 90 60 12 28 75 75 17,5 38 95 95 24 50 125 145 36 70 170

• Tensione di cortocircuito: espressa come percentuale della tensione nominale, normalizzati a 4% o 6% ; influisce direttamente sul calcolo della corrente di cortocircuito secondaria;

• Prese di commutazione: i trasformatori di distribuzione sono standardizzati con variatore fuori tensione per adattare il rapporto di trasformazione a variazioni della tensione primaria nel campo ±5% con diverse possibilità di commutazione standardizzate. Esistono commutatori sottocarico soprattutto per trasformatori AT/MT o trasformatori con prese speciali in caso di necessità di estrema continuità di servizio;

• Rumore: il livello di rumore è influenzato in primis dalla qualità del nucleo magnetico quindi è proporzionale a valori come corrente a vuoto e perdite nel ferro. Anche il tipo e la qualità dell’assemblaggio influenzano enormemente il livello di pressione sonora emesso. Per ridurre il rumore sono disponibili appositi supporti antivibranti;

• Classi termiche:

Indicano la temperatura che possono raggiungere gli avvolgimenti, sono indicative della qualità degli avvolgimenti e della macchina.

Classi Termiche

CLASSI TERMICHE

Secondo la norma CEI 15-26 Secondo la norma VDE 0530 parte 1

Classe Massima

Temperatura Continua

Classe Massima

Temperatura Continua

Y 90° Y 90° A 105° A 105° E 120° E 120° B 130° B 130° F 155° F 155° H 180° H 180°

200 200° C > 180° 220 220° 250 250°

Per trasformatori in olio:

• classe di isolamento A (105 °C) • sovratemperatura massima avvolgimenti 65K;

• Classi ambientali: Per i trasformatori a secco, servono a definire le condizioni ambientali in cui lavorano. Vengono definite:

1. classe ambientale: definisce la presenza di condensa nell’ambiente (E0,E1,E2); 2. classe climatica: definisce la temperatura ambiente per trasporto, stoccaggio e

funzionamento (C1,C2); 3. classe di comportamento al fuoco: prevede la tipologia di rischio in caso di incendio

(F0,F1, F2);

I moderni trasformatori in resina sono in più diffusi fra la tipologia a secco e sono classificati E2,C2,F1. Sulla tipologia di classificazione influisce il tipo di resina utilizzata.

5. Altri fattori di scelta

a) Trasformatore in olio o a secco?

Il trasformatore in olio sono in genere dotati di conservatore per permettere la variazione di volume dell’olio, per evitare che entri umidità nel conservatore l’aria viene filtrata tramite Sali al silica-gel, che assumono colori diversi a seconda del grado di saturazione dell’umidità. Esistono anche i trasformatori sigillati o ermetici, in cui le variazioni di volume sono assorbite dall’elasticità della cassa. Gli oli usati sono di tipo minerale (O1, infiammabile) oppure con più alto punto di fiamma, di tipo siliconico (K2 o K3).

Altre tipologie di vecchi oli da raffredamento come gli Apiroli o gli Askarel (contenenti forti tenori di PCB, quindi altamente tossici) sono stati messi al bando.

L’olio nei trasformatori va periodicamente controllato e trattato, verificando la sua rigidità dielettrica ed eliminando l’umidità contenuta.

All’interno delle cabine elettriche, le norme prevedono i mezzi per la raccolta dell’olio al di sotto della cabina.

I trasformatori a secco sono invece utilizzati per ridurre il rischio di incendio, inoltre sono preferibili in caso di elevato contenuto armonico.

b) Potenza nominale

La scelta della potenza dipende dalla potenza attiva da erogare e dal fattore di potenza medio dei carichi.

Per questo calcolo, la potenza necessaria è espressa dalla formula: Pt = Kc * Σ Ku Pn, essendo:

• Kc= coefficiente di contemporaneità; • Ku= coefficiente di utilizzazione; • Pn= potenza nominale dei singoli utilizzatori;

i coefficienti sono forniti da opportune tabelle per ogni tipologia di carico ed ambiente.

Tenendo conto della vita media di un trasformatore (20-30 anni) bisogna tenere conto di eventuali incrementi di potenza futuri. I trasformatori possono tuttavia sopportare sovraccarichi temporanei con cicli di lavoro secondo ben precise tabelle specificate sulle norme. Per sopportare sovraccarichi di maggior durata si possono installare, soprattutto nei trasformatori a secco,ventilatori assiali che aumentano la velocità dell’aria che lambisce le parti con maggiore dissipazione di calore (avvolgimento secondario).

c) Corrente di inserzione del trasformatore Ad ogni inserzione di un trasformatore, si genera una sovracorrente d’inserzione. Il valore di questa corrente di cresta dipende da un valore k con una certa durata dell’impulso. Al crescere della potenza, diluisce il valore di k (da 15 a 8 volte la corrente nominale primaria) ed aumenta la durata della costante di tempo.

d) Parallelo di trasformatori Per poter essere messi in parallelo, i trasformatori devono avere:

• stesse tensioni primarie e secondarie (rapporto spire più simile possibile); • stesso gruppo vettoriale; • stessa tensione di cortocircuito;

6.

7. Collaudi Le prove da eseguire sui trasformatori si dividono in tre classi:

• Prove di accettazione, da eseguire su tutte le macchine; • Prove di tipo, da eseguire sui prototipi di famiglie di prodotto; • Prove speciali, su richiesta;

Ogni produttore di trasformatori deve essere attrezzato almeno per poter eseguire tutte le prove di accettazione, inoltre è preferibile che, su richiesta vengano svolte alcune prove. Di seguito la rassegna sulle prove di accettazione.

• Prove di Isolamento con tensione indotta: 2Vn applicata al secondario, frequenza 150Hz durata 45 secs oppure frequenza 100Hz durata 60 secs;

• Prove di Isolamento a tensione applicata:

si applica a tutti i terminali dell’avvolgimento la tensione di prova come da tabella avendo l’altro avvolgimento collegato a massa assieme alle parti metalliche;

• Misura delle scariche parziali (di accettazione solo per trasformatori a secco, speciale per trasformatore in resina): Le Norme europee EN 60270 ed. ’02 descrivono in maniera dettagliata le procedure per una corretta misurazione; ci soffermeremo solo su alcuni aspetti riassuntivi della questione. Serve, innanzi tutto, una strumentazione adeguata, che riesca a

rilevare le scariche entro un campo di frequenza da 20 kHz ai 100 kHz, e di generatori di tensione che non inducano disturbi assimilabili a scariche parziali. La figura a lato riporta il bollettino di collaudo ottenuto con uno strumento di ultima generazione, che ha la possibilità di rilevare valori anche di 1 pC. Le Norme stabiliscono limiti abbastanza bassi di scariche parziali (10 pC). Questi valori non sono facili da raggiungere e, talvolta, risulta difficile distinguere se le “scariche parziali” misurate siano generate all’interno dell’avvolgimento o da fattori esterni. I fattori esterni sono molteplici e vanno dai radiodisturbi provenienti dall’officina ai rumori di fondo generati dalle apparecchiature di collaudo, o ai disturbi generati dagli accessori connessi alle bobine di alta tensione del trasformatore, come, ad esempio, le piastrine di regolazione della tensione. Un’altra fonte di questi disturbi è dovuta ai collegamenti tra le bobine. Se ci sono parti metalliche appuntite, queste possono generare delle scariche parziali per “effetto corona”. Altra fonte può essere una cattiva disposizione dei tappi di pressaggio delle bobine od una disimmetrica centratura delle bobine di AT rispetto alle bobine di BT. In ogni caso, un bravo tecnico di sala prove normalmente sa individuare tutte queste cause esterne;

• Misura delle resistenze degli avvolgimenti Questa prova ha lo scopo di misurare la resistenza ohmica di ciascun avvolgimento del trasformatore. Nel corso di questa prova si deve rilevare innanzi tutto la temperatura ambiente. La misura della resistenza di ogni avvolgimento viene effettuata con il metodo volt-amperometrico dove:

• R = (2/3) x r nel caso di un avvolgimento collegato a triangolo; • R = 2 x r nel caso di un avvolgimento collegato a stella;

essendo: • R = resistenza equivalente tra le fasi; • r = resistenza di fase di un avvolgimento del trasformatore.

• Misura delle Perdite a vuoto e della Corrente a vuoto Questa prova ha lo scopo di identificare il valore delle perdite a vuoto e della corrente a vuoto del trasformatore; verificare che queste caratteristiche corrispondono ai valori contrattuali e/o delle Norme in vigore. Viene alimentato l'avvolgimento BT con tensione e frequenza nominale, mantenendo aperti i terminali dell'avvolgimento MT. Le perdite a vuoto sono misurate con un multimetro che realizza un circuito di misura corrispondente all'inserzione di 3 wattmetri. Vengono misurate inoltre la corrente di ogni singola fase e la terna di tensioni concatenate. Le perdite totali a vuoto corrispondono alla somma delle letture dei tre wattmetri, la corrente a vuoto % è la media delle tre correnti a vuoto rispetto alla corrente secondaria nominale.

• Misura della Tensione e delle Perdite in corto circuito

L'avvolgimento MT viene alimentato a frequenza nominale (50Hz) con una tensione tale da far circolare una corrente di valore vicino a quello nominale, dopo aver posto in corto-circuito l'avvolgimento BT. Le perdite in corto-circuito sono misurate con un multimetro che realizza un circuito di misura corrispondente all'inserzione di 3 wattmetri. Vengono misurate inoltre la corrente di ogni singola fase e la terna di tensioni concatenate.

La tensione di corto-circuito % è data da: Ucc% = (Ucc mis/Unom) x 100

Le Perdite in corto circuito misurate a temperatura ambiente sono dovute a: Pcc = PJMT + PJBT + Padd = (3/2 x RMT x I2) + (3/2 x RBT x I2) + Padd Essendo RMT = (2/3) x r perché avvolgimento a triangolo; Essendo Rbt = 2r perché avvolgimento a stella; Essendo Padd = perdite addizionali dovute a correnti di Foucalt che si generano causa flussi dispersi. Sono inversamente proporzionali alla temperatura. Per riportare le perdite alle temperature di riferimento: Pcc 120°C = k PJMT (t°a) + k PJbt (t°a) + (1/k) Padd (t°a) k= coefficiente di correzione della temperatura: per il rame: k = (235 + 120) / (235 + t°a) per l'alluminio: k = (225 + 120) / (225 + t°a)

• Tolleranze delle Perdite e di Vcc%

• Verifica del Rapporto di Trasformazione e della polarità degli avvolgimenti La Prova viene solitamente effettuata con l’utilizzo di apposita strumentazione, che di principio applica una tensione ridotta agli avvolgimenti • Altre prove speciali o di tipo - Prova di Riscaldamento: atta a determinare le sovratemperature dell’olio e degli

avvolgimento di un trasformatore; - Prova ad Impulso Atmosferico: atta a sottoporre gli avvolgimenti ad un impulso atmosferico

ad onda piena, negativo, normalizzato; - Misura del Livello di Rumore; - Prova di Tenuta al Corto Circuito;