Trasformatori trifase: Costruzione e configurazioni

Oltre all'acqua, alle fognature e ad altri servizi, l'elettricità è una delle utenze più importanti nel mondo sviluppato. A seconda di dove viene utilizzata, l'elettricità può essere disponibile a tensioni diverse. La chiave per abbassare (o aumentare) la tensione tra due sistemi? I trasformatori. Questo articolo di Bel esplora i pro e i contro delle quattro configurazioni principali degli avvolgimenti dei trasformatori trifase.

Un trasformatore è un dispositivo elettrico che, mediante induzione elettromagnetica, trasforma la potenza tra circuiti alla stessa frequenza, solitamente cambiando i valori di tensione e corrente. Poiché tutta la potenza di origine viene generata in formato trifase, i trasformatori trifase svolgono un ruolo fondamentale nella distribuzione di energia a lunga distanza, nelle reti regionali, nelle reti locali, negli impianti industriali e nelle strutture commerciali.

Configurazioni degli avvolgimenti dei trasformatori trifase

I trasformatori di potenza trifase sono costruiti avvolgendo tre trasformatori monofase su un unico nucleo. Poiché il rame e il nucleo di ferro vengono utilizzati in modo più efficiente, i trasformatori trifase con una determinata capacità di volt-ampere (VA) saranno più piccoli, più economici e più leggeri rispetto a tre trasformatori monofase separati.

I trasformatori trifase hanno tipicamente almeno 6 avvolgimenti: 3 primari e 3 secondari. Gli avvolgimenti primari e secondari possono essere collegati in diverse configurazioni per soddisfare vari requisiti. Nelle applicazioni comuni, gli avvolgimenti sono generalmente collegati in una delle due configurazioni più diffuse: Delta o Y.

Connessione Delta

In una connessione a triangolo (delta), ci sono tre fasi e nessun neutro. Una connessione a triangolo in uscita può fornire solo 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 grande e sbilanciato, il primario a triangolo fornisce un migliore bilanciamento della corrente per la sorgente di alimentazione.

Connessione a stella

In una connessione a stella (wye), ci sono 3 fasi e un neutro (N) – quattro fili in totale. Un'uscita di connessione a stella consente al trasformatore di fornire una tensione trifase (fase-fase), così come una tensione per carichi monofase, ovvero la tensione tra qualsiasi fase e il neutro. Il punto neutro può anche essere messo a terra per fornire maggiore sicurezza quando necessario: VL-L = √3 x VL-N.

Le quattro configurazioni principali degli avvolgimenti

Un trasformatore trifase può essere collegato in quattro configurazioni comuni: Delta-Delta, Stella-Stella, Delta-Stella e Stella-Delta. Ogni configurazione, distinta dalle connessioni degli avvolgimenti primari e secondari, comporta vantaggi e svantaggi specifici, influenzando 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 gli avvolgimenti primari che secondari sono collegati nella configurazione a triangolo (delta). Questa configurazione offre diversi vantaggi. Se una delle tre bobine risulta guasta o disabilitata, le due bobine non danneggiate rimanenti possono comunque fornire energia trifase con una capacità pari a circa due terzi della potenza originale del trasformatore.   Nei casi in cui il secondario del trasformatore è collegato a un carico grande e sbilanciato, il primario delta eccelle nel fornire un migliore bilanciamento della corrente per la sorgente di alimentazione.   Un vantaggio chiave è l'assenza di uno sfasamento tra gli avvolgimenti primari e secondari, garantendo un trasferimento di energia armonioso. Questa configurazione è spesso preferita per applicazioni che coinvolgono la trasmissione di energia a bassa tensione e alta corrente o quando è necessario mantenere la continuità del servizio, in particolare in caso di guasto di fase.

Svantaggi D/d

In questa configurazione, alcune caratteristiche influenzano il design e la funzionalità dei trasformatori a 3 fasi. L'elevato numero di spire sia per gli avvolgimenti primari che secondari comporta bobine più grandi e costose. Questo design richiede un'ulteriore isolamento tra gli avvolgimenti e tra gli strati. L'uso di filo magnetico di calibro più sottile aumenta il costo per libbra e, in particolare, questa configurazione è priva di una connessione neutra.

2. Delta / Stella (D/Y)

Vantaggi D/y

La configurazione primaria a delta e secondaria a stella (D/y) si distingue per la sua capacità di fornire un carico equilibrato a tre fili all'utility generatrice di energia, adattandosi senza problemi a varie applicazioni. Questa configurazione è frequentemente scelta per alimentare settori commerciali, industriali e residenziali ad alta densità.   Questo sistema è in grado di fornire carichi sia trifase che monofase e può creare un neutro comune di uscita quando la sorgente è assente. Sopprime efficacemente il rumore (armoniche) dalla linea al lato secondario.

Svantaggi D/y

Se una delle tre bobine diventa difettosa o fuori uso, può compromettere la funzionalità dell'intero gruppo, e lo sfasamento di 30 gradi tra gli avvolgimenti primari e secondari può causare un maggiore ripple nei circuiti in corrente continua.

3. Wye / Delta (Y/D)

Vantaggi Y/d

La configurazione Y/d sfrutta l'ingresso ad alta tensione, riducendo la tensione sui singoli avvolgimenti di un fattore pari a √3, con conseguente diminuzione del numero di spire e dell'isolamento necessario. Questo design può essere utilizzato come trasformatore riduttore, principalmente alla fine della linea di trasmissione. Include anche un filo di messa a terra (neutro) dal lato della fonte di alimentazione.

Svantaggi Y/d

La configurazione Y/d presenta gli stessi potenziali svantaggi della configurazione D/y: l'intera funzionalità del gruppo potrebbe essere disabilitata nel caso in cui una singola bobina si guasti. Inoltre, l'introduzione di uno sfasamento di 30 gradi tra gli avvolgimenti primari e secondari potrebbe comportare un aumento del ripple nei circuiti D.C.

4. Wye / Wye (Y/Y)

V/v Vantaggi

Tra le quattro configurazioni comuni dei trasformatori trifase, l'impostazione Y/y è la scelta più economica, offrendo una trasmissione di potenza fluida senza sfasamenti tra gli avvolgimenti primario e secondario. I cavi di terra (neutro) sono disponibili sia sul lato primario che su quello secondario, garantendo versatilità nell'erogazione di potenza sia ai carichi trifase che monofase.

Svantaggi di 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 riempiti a liquido

A seconda dei livelli di potenza e tensione, i trasformatori trifase possono essere suddivisi in due grandi categorie: trasformatori a secco che utilizzano l'aria come mezzo di raffreddamento, oppure trasformatori a olio che impiegano l'olio come mezzo di raffreddamento.

Trasformatori a secco: Bobine a telaio aperto o incapsulate in resina

Dei trasformatori a secco, ci sono due categorie principali:

Trasformatori a liquido

I trasformatori a liquido, al contrario, sono completamente immersi in uno speciale olio minerale all'interno di contenitori metallici sigillati sottovuoto, con valori elettrici di Tensione – da 6,0 kV a 1.500 kV e Potenza – fino a oltre 1000 MVA.

Configurazione ottimale del trasformatore a telaio aperto

Per i trasformatori a telaio aperto, quando le circostanze lo consentono, la maggior parte delle industrie preferisce utilizzare l'ingresso a triangolo (delta input) e l'uscita a stella (wye output) per il collegamento di un trasformatore trifase nelle applicazioni di distribuzione elettrica.   Le tensioni di ingresso più comuni per configurazioni a triangolo includono 600V, 480V, 415V, 400V, 230V e 208V. Mentre le tensioni di uscita più comuni per configurazioni a stella sono le seguenti: In Canada: 600V (L-L) e 347V (L-N). Per carichi industriali pesanti negli Stati Uniti, fornisce 480V (L-L) e 277V (L-N). Nel caso di carichi industriali, commerciali e residenziali leggeri negli Stati Uniti, le tensioni di uscita sono 208V (L-L) e 120V (L-N).   Signal Transformer Co. si distingue come un importante produttore in questo settore, specializzato nella produzione di trasformatori trifase a telaio aperto di tipo a secco. Con oltre 50 anni di esperienza nella produzione di trasformatori, reattanze, induttori e prodotti personalizzati o standard modificati, Signal Transformer eccelle nella progettazione e produzione di piattaforme specializzate e convenienti.