Nei paesi sviluppati, l'energia elettrica è tra i servizi più importanti, insieme all'acqua, alle fognature e altri. A seconda del luogo in cui viene utilizzata, la corrente può essere disponibile a tensioni diverse. Il segreto per ridurre (o aumentare) la potenza tra due sistemi sono i trasformatori. Questo articolo di Bel esamina i pro e i contro delle quattro configurazioni degli avvolgimenti primari dei trasformatori trifase.
Un trasformatore è un dispositivo elettrico che, attraverso l'induzione elettromagnetica, trasforma la potenza tra i circuiti alla stessa frequenza, in genere modificando i valori di tensione e corrente. Dal momento che tutta la corrente viene generata in formato trifase, i trasformatori trifase hanno un ruolo fondamentale nella distribuzione della corrente a lunga distanza, nelle reti regionali, in quelle locali e nelle strutture industriali e commerciali.
Configurazioni degli avvolgimenti del trasformatore trifase
I trasformatori di potenza trifase si ottengono avvolgendo tre trasformatori monofase su un unico nucleo. Poiché il rame e il nucleo di ferro vengono utilizzati in modo più efficace, i trasformatori trifase per una data potenza nominale in volt-ampere (VA) saranno più piccoli, più convenienti e più leggeri di tre trasformatori monofase individuali.
Figura 1: Tipici connettori spina e presa con contatto fisico.
I trasformatori trifase hanno in genere almeno 6 avvolgimenti: 3 primari e 3 secondari. Gli avvolgimenti primari e secondari possono essere collegati in diverse configurazioni per soddisfare requisiti diversi. Nelle applicazioni comuni, gli avvolgimenti sono solitamente collegati in una delle due configurazioni più diffuse: a triangolo o a stella.
Collegamento delta
In un collegamento a triangolo ci sono tre fasi e nessun neutro. Un collegamento a triangolo in uscita può alimentare unicamente un carico trifase. La tensione di linea (VL) è uguale alla tensione di alimentazione. La corrente di fase (IAB = IBC = ICA) è uguale alla corrente di linea (IA = IB = IC) divisa per √3 (1,73). Quando il secondario di un trasformatore è collegato a un carico elevato e sbilanciato, il primario a triangolo fornisce un migliore bilanciamento della corrente per la fonte di alimentazione in ingresso.
Figura 2: Schema di collegamento "Delta".
Collegamento a stella
In un collegamento a stella ci sono tre fasi e un neutro (N), ovvero quattro fili in totale. Un'uscita di collegamento a stella consente al trasformatore di fornire una tensione trifase (fase-fase), nonché una tensione per carichi monofase, vale a dire la tensione tra una fase e il neutro. Il punto neutro può anche essere dotato di messa a terra per garantire ulteriore sicurezza quando è necessario: VL-L = √3 x VL-N.
Figura 3. Schema del collegamento a stella.
Le quattro configurazioni di avvolgimento primario
Un trasformatore trifase può essere collegato in quattro configurazioni comuni: delta-delta, stella-stella, delta-stella e stella-delta. Ogni configurazione, caratterizzata dalle connessioni degli avvolgimenti primari e secondari, comporta vantaggi e svantaggi specifici, che influenzano le prestazioni e l'idoneità applicativa di questi trasformatori.
1. Delta/Delta (D/D)
Vantaggi D/d
In un trasformatore delta-delta (identificato come D/d) sia l'avvolgimento primario che quello secondario sono collegati a triangolo. Questa configurazione offre diversi vantaggi. Se una delle tre bobine ha un guasto o viene disattivata, le altre due bobine non danneggiate possono comunque erogare corrente trifase con una capacità pari a circa due terzi della potenza in uscita del trasformatore originale.
Nei casi in cui il secondario del trasformatore è collegato a un carico elevato e sbilanciato, il primario a triangolo fornisce un migliore bilanciamento della corrente per la fonte di alimentazione in ingresso.
Uno dei vantaggi principali è l'assenza di qualsiasi spostamento di fase tra l'avvolgimenti primario e quello secondario, che garantisce un trasferimento di potenza armonioso. Questa configurazione è spesso preferibile per le applicazioni che prevedono la trasmissione di potenza a bassa tensione e ad alta corrente o quando è necessario mantenere la continuità del servizio, soprattutto in caso di guasto di fase.
Svantaggi D/d
In questa configurazione, alcune caratteristiche influenzano la progettazione e la funzionalità dei trasformatori trifase. L'elevato numero di spire sia per gli avvolgimenti primari che per quelli secondari comporta la realizzazione di bobine più grandi e costose. Questa progettazione richiede un ulteriore isolamento tra gli avvolgimenti e gli strati. L'uso di filo magnetico di calibro più sottile aumenta il costo per libbra e, in particolare, questa configurazione non dispone di una connessione neutra.
2. Delta-stella (D/y)
Vantaggi D/y
La configurazione con primario a triangolo e secondario a stella (D/y) si distingue per la capacità di fornire un carico bilanciato a tre fili all'azienda di produzione di energia, adattandosi facilmente a varie applicazioni. Questa configurazione viene spesso scelta per fornire energia ai settori commerciale, industriale e residenziale ad alta densità.
La configurazione può alimentare carichi trifase e monofase e può creare un neutro di uscita comune quando la fonte viene a mancare. Sopprime efficacemente il rumore (armoniche) dalla linea al lato secondario.
Svantaggi D/y
Se una delle tre bobine ha un guasto o viene disattivata, la funzionalità dell'intero gruppo può essere compromessa e lo spostamento di fase di 30 gradi tra l'avvolgimento primario e quello secondario può causare una maggiore ondulazione nei circuiti CC.
3. Stella-delta (Y/d)
Vantaggi Y/d
La configurazione Y/d sfrutta l'ingresso ad alta tensione, riducendo la tensione sulle singole bobine di un fattore √3, con conseguente riduzione del numero di spire e dell'isolamento. Questo progetto può essere utilizzato come trasformatore riduttore, principalmente alla fine della linea di trasmissione. Include anche un filo di messa a terra (neutro) sul lato della fonte di alimentazione.
Svantaggi Y/d
La configurazione Y/d presenta gli stessi possibili svantaggi della configurazione D/y: l'intera funzionalità del gruppo potrebbe essere disattivata in caso di guasto di una singola bobina e l'introduzione di uno spostamento di fase di 30 gradi tra l'avvolgimento primario e quello secondario potrebbe causare una maggiore ondulazione nei circuiti CC.
4. Stella-stella (Y/y)
Vantaggi Y/y
Tra le quattro configurazioni comuni dei trasformatori trifase, la configurazione stella-stella è la scelta più conveniente, perché garantisce una trasmissione della potenza senza interruzioni e senza spostamento di fase tra avvolgimenti primari e secondari. I cavi di messa a terra (neutri) sono disponibili sia sul lato primario che su quello secondario, per garantire versatilità nell'erogazione di potenza sia a carichi trifase che monofase.
Svantaggi Y/y
Per garantire prestazioni ottimali, i carichi monofase devono essere bilanciati il più possibile all'interno di questa configurazione. È importante notare che la configurazione Y/y potrebbe essere più suscettibile al passaggio di rumore tra la fonte di alimentazione e il carico.
Trasformatori a secco e a liquido
A seconda dei livelli di potenza e tensione, i trasformatori trifase possono essere suddivisi in due categorie principali: trasformatori a secco che utilizzano l'aria come mezzo di raffreddamento e trasformatori a liquido che utilizzano l'olio come mezzo di raffreddamento.
Trasformatori a secco: bobine a telaio aperto o in resina colata
Tra i trasformatori a secco si distinguono due categorie principali:
- Telaio aperto, con nucleo e bobine a vista e impregnati di resina per installazioni in contenitori con valori elettrici nominali di tensione fino a 1.000 V e potenza fino a 500 kVA.
- Bobine in resina fusa, in cui ogni bobina è fusa in modo solido, spesso in uno stampo epossidico, con valori nominali elettrici di tensione fino a 36,0 kV e di potenza fino a 40 MVA.
Trasformatori riempiti di liquido
I trasformatori riempiti di liquido, al contrario, sono completamente immersi in uno speciale olio minerale all'interno di contenitori metallici sigillati sotto vuoto, con valori elettrici nominali di tensione da 6,0 kV a 1.500 kV e potenza fino a 1000+ MVA.
Immagine 1: Tipi di trasformatori.
Configurazione ottimale del trasformatore a telaio aperto
Per i trasformatori a telaio aperto, quando le circostanze lo consentono, la maggior parte dei settori preferisce utilizzare l'ingresso a triangolo e l'uscita a stella per collegare un trasformatore trifase in applicazioni di distribuzione della corrente.
Le tensioni di ingresso più comuni per le configurazioni a triangolo includono 600 V, 480 V, 415 V, 400 V, 230 V e 208 V. Mentre le tensioni di uscita più comuni per le configurazioni a stella sono le seguenti: in Canada: 600 V (L-L) e 347 V (L-N). Per grandi carichi industriali negli Stati Uniti, fornisce 480 V (L-L) e 277 V (L-N). Nel caso di piccoli carichi industriali, commerciali e residenziali negli Stati Uniti, le tensioni di uscita sono 208 V (L-L) e 120 V (L-N).
Signal Transformer Co. è un produttore di spicco in questo settore, specializzato nella produzione di trasformatori trifase a telaio aperto e a secco. Con oltre 50 anni di esperienza nella produzione di trasformatori, bobine di arresto, induttori e prodotti standard personalizzati o modificati, il trasformatore di segnale si distingue nella progettazione e produzione di piattaforme specializzate ed economiche.