Trasformatore di potenza di alta qualità dal produttore cinese con standard IEC

Cos'è un trasformatore?

Il trasformatore è un dispositivo elettrico che utilizza il principio dell'induzione elettromagnetica per modificare la tensione della corrente alternata, solitamente compresatrasformatori step-up e step-down. Nel processo di installazione e abbassamento della tensione i trasformatori manterranno invariata la propria frequenza, variando il rapporto spire tra l'avvolgimento primario e quello secondario. Il suo meccanismo operativo principale è che quando la corrente alternata scorre attraverso l'avvolgimento primario, crea un campo magnetico variabile nel nucleo, che a sua volta induce una forza elettromotrice nell'avvolgimento secondario, consentendo così la conversione tra tensione e corrente: aumentando la tensione si riduce la corrente, diminuendo la tensione si aumenta la corrente e idealmente la potenza totale rimane costante. Questa caratteristica consente di ridurre notevolmente le perdite di trasmissione nell'erogazione di energia a lunga distanza, fornendo allo stesso tempo tensioni adattate in modo sicuro per vari dispositivi nel punto di utilizzo. Le applicazioni tipiche spaziano dai trasformatori giganti nelle sottostazioni, dai trasformatori di distribuzione sui pali delle utenze, ai trasformatori miniaturizzati all'interno dei caricabatterie dei telefoni cellulari. Tuttavia è necessario notare soprattutto questoun trasformatore funziona solo con corrente alternata e non può convertire corrente continua.

Qual è il principio di funzionamento di un trasformatore?

Il principio di funzionamento di un trasformatore si basa sulegge dell'induzione elettromagnetica. Quando una corrente alternata scorre attraverso l'avvolgimento primario, crea un flusso magnetico alternato nel nucleo. Questo flusso alternato collega simultaneamente sia l'avvolgimento primario che quello secondario, inducendo una forza elettromotrice (EMF) in ciascun avvolgimento. Attraverso questa induzione elettromagnetica, il trasformatore trasferisce energia elettrica e trasforma la tensione, con solo accoppiamento magnetico tra i due avvolgimenti e nessun collegamento elettrico diretto.

La relazione di trasformazione della tensione è:

U₁/U₂ = N₁/N₂ = k

dove U₁, U₂ sono le tensioni primaria e secondaria, N₁, N₂ sono il numero di spire negli avvolgimenti e k è il rapporto spire. Quando il secondario ha più spire del primario, si parla di trasformatorefa un passo avantivoltaggio; quando ha meno giri, itsi dimettevoltaggio.

Costruzione e componenti chiave

Un trasformatore è costituito principalmente dalla parte attiva comenucleo, avvolgimenti, isolamento e cavi, serbatoio, sistema di raffreddamento, dispositivi di protezione e boccole. Il nucleo e gli avvolgimenti, chiamati anche bobine, sono i componenti più essenziali.

1. Nucleo (circuito magnetico)

Il nucleo fornisce il percorso magnetico ed è composto da gambe del nucleo (sezioni verticali su cui sono montati gli avvolgimenti) e gioghi (sezioni orizzontali che chiudono il percorso magnetico). Per ridurre le perdite per correnti parassite e le perdite per isteresi, il nucleo è generalmente costruito impilatolaminazioni di acciaio al silicio, ciascuno rivestito con vernice isolante o con uno strato di ossido per isolarli l'uno dall'altro. Le configurazioni principali sono principalmentetipo centrale(gli avvolgimenti circondano le gambe del nucleo, comuni nei trasformatori di potenza) etipo a conchiglia(il nucleo circonda gli avvolgimenti, garantendo un basso flusso di dispersione e un'elevata resistenza meccanica, spesso utilizzata in strumenti di precisione e piccoli dispositivi).

2. Avvolgimenti (circuito elettrico)

Gli avvolgimenti sono il circuito elettrico del trasformatore, suddiviso inavvolgimento primario e avvolgimento secondario. Sono realizzati in filo di rame o alluminio con isolamento ad alta resistenza. Gli avvolgimenti sono generalmente disposti concentricamente (avvolgimento a bassa tensione posizionato accanto al ramo centrale, avvolgimento ad alta tensione avvolto attorno all'esterno). Per quanto riguarda l'isolamento, i moderni trasformatori in olio utilizzano principalmente unsistema isolante composito con barriera in carta oleatacomposto da cartone pressato, carta per cavi e olio per trasformatori. Lo spessore del pannello pressato è generalmente di 2-5 mm, consentendo un isolamento affidabile per livelli di tensione elevati.

Quanto sopra descrive il sistema elettromagnetico principale e anche i seguenti sistemi ausiliari sono molto importanti per i trasformatori in olio:

Cisterna:Un contenitore esterno utilizzato per contenere nuclei di ferro, avvolgimenti e riempire l'olio del trasformatore. I trasformatori di grande capacità sono solitamente dotati di radiatori esterni o tubi di raffreddamento per migliorare la dissipazione del calore.

Olio per trasformatori:Funziona sia come mezzo isolante (con prestazioni di isolamento migliori dell'aria) sia come mezzo di raffreddamento (il calore generato dal nucleo e dall'avvolgimento del trasformatore viene trasferito alla parete del serbatoio dell'olio attraverso la convezione dell'olio). In base ai diversi punti di scorrimento, l'olio del trasformatore è suddiviso in diversi gradi come10, 25 e 45adattarsi alle diverse condizioni climatiche.

Conservatore (serbatoio di protezione dell'olio):Un serbatoio del carburante orizzontale installato sopra il serbatoio del carburante principale, collegato tramite tubi. Separa l'olio dall'aria attraverso un diaframma. Basato sulle caratteristiche dell'olio che si espande e si contrae con i cambiamenti di temperatura, immagazzina olio a temperature più elevate e fornisce olio a temperature più basse, riducendo così il contatto tra olio e aria e prevenendo l'assorbimento di umidità e l'invecchiamento.

Boccole:Far uscire i cavi di alta e bassa tensione dai terminali isolati dell'involucro del trasformatore; Forniscono isolamento elettrico e supporto meccanico.

Dispositivi di protezione:Compresi commutatori sotto carico o senza carico, relè Bucher (relè gas), porte di scarico a prova di esplosione (porte di scarico di sicurezza), respiratori di disidratazione (respiratori in silicone), elementi di rilevamento della temperatura e strumenti correlati. Questi dispositivi solitamente possono fornire il monitoraggio in tempo reale e una protezione completa.

Tipi di trasformatori

I trasformatori possono essere classificati in diversi aspetti:

1. Secondo l'applicazione

Trasformatori di potenza:I trasformatori di potenza vengono utilizzati principalmente per la conversione della tensione e la trasmissione/distribuzione di potenza nei sistemi di alimentazione e rappresentano oltre l'80% di tutti i trasformatori.

Trasformatori di distribuzione:I trasformatori di distribuzione si riferiscono solitamente a trasformatori inferiori a 35 kV (principalmente 10 kV/0,4 kV) che forniscono energia direttamente agli utenti finali.

Trasformatori speciali:Compresi trasformatori di prova per prove di resistenza alla tensione, trasformatori di strumenti (compresi trasformatori di tensione, trasformatori di corrente per misurazione e protezione), trasformatori raddrizzatori da CA a CC, utilizzati per elettrolisi, galvanica, azionamento in CC, trasformatori di forni, trasformatori minerari, ecc.

2. In base al mezzo di raffreddamento e isolamento

Trasformatori in olio:Il nucleo e l'avvolgimento in ferro del trasformatore immersi nell'olio sono completamente immersi nell'olio isolante minerale, che ha eccellenti prestazioni di dissipazione del calore e isolamento, alta efficienza e costi relativamente bassi. I trasformatori immersi in olio sono ampiamente utilizzati nelle sottostazioni esterne e nei parchi industriali, ma richiedono misure di prevenzione incendi ed esplosioni.

Trasformatori a secco:Il nucleo e l'avvolgimento in ferro dei trasformatori a secco non sono immersi nell'olio; Utilizzano materiali isolanti aerei o solidi come la fusione di resina epossidica. I trasformatori a secco sono resistenti al fuoco e privi di perdite, adatti per luoghi interni con rigide norme di prevenzione incendi, come grattacieli, data center, centri commerciali e ospedali.

Trasformatori isolati in gas:I trasformatori isolati in gas sono relativamente rari sul mercato e generalmente utilizzano gas sintetici come SF₆ come mezzo di raffreddamento e isolamento, adatti a condizioni operative speciali.

3. In base al numero di avvolgimenti

Trasformatore a due avvolgimenti:I trasformatori a due avvolgimenti sono abbastanza comuni nei sistemi di alimentazione, che hanno un avvolgimento ad alta (media) tensione e un avvolgimento a bassa tensione (un avvolgimento primario e un avvolgimento secondario).

Trasformatore a tre avvolgimenti:Un trasformatore a tre avvolgimenti ha tre avvolgimenti per fase, collegati a diversi livelli di tensione (ad esempio lato alta tensione, lato media tensione, lato bassa tensione). Questo trasformatore è comunemente utilizzato nelle sottostazioni che richiedono più livelli di tensione.

4. In base alla configurazione del nucleo/avvolgimento

Trasformatore di tipo core:L'avvolgimento del trasformatore di tipo Core circonda le gambe del nucleo di ferro (il nucleo di ferro è circondato dall'avvolgimento). Questo prodotto ha una struttura semplice, a basso costo ed è ampiamente utilizzato nei sistemi di alimentazione.

Trasformatore a guscio:Il nucleo di un trasformatore a guscio circonda l'avvolgimento (l'avvolgimento circonda il nucleo). Ha queste caratteristiche come flusso a bassa perdita, elevata resistenza meccanica e dimensioni compatte e comunemente utilizzato in strumenti di precisione e piccole apparecchiature.

5. In base al numero di fasi

Trasformatori monofase utilizzati per carichi monofase o per formare gruppi trifase e trasformatori trifase.

6. Secondo il metodo di regolazione della tensione

Commutatore di prese fuori circuito (senza carico) (richiede diseccitazione) e commutatore di prese sotto carico (regolazione automatica della tensione sotto carico).

7. In base al tipo di collegamento elettrico

Trasformatore di isolamento (isolamento):L'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario del trasformatore di isolamento sono isolati elettricamente tra loro solo tramite accoppiamento magnetico. Questo tipo di trasformatore ha una sicurezza estremamente elevata ed è comunemente utilizzato in apparecchiature mediche e strumenti di precisione per prevenire scosse elettriche e interferenze elettromagnetiche.

Autotrasformatore:Il primario e il secondario condividono una porzione dell'avvolgimento, avendo sia accoppiamento magnetico che connessione elettrica diretta. Compatto, dimensioni ridotte, basse perdite, ma nessun isolamento tra primario e secondario. Utilizzato per l'avviamento del motore e la regolazione della tensione (ad esempio, variac da laboratorio).

Come vengono classificati i trasformatori di potenza?

Capacità nominale (Sn, in kVA o MVA):La potenza apparente che un trasformatore può fornire in modo continuo alla tensione e alla corrente nominali. È il parametro più importante per la scelta di un trasformatore. I gradi di capacità cinesi seguono la serie R10, aumentando di un fattore 1,26 (100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 kVA, ecc.). Una selezione di capacità ragionevole calcola innanzitutto il carico composito massimo, quindi sceglie la capacità successiva più elevata in modo che il fattore di carico sia di circa il 60-70%, garantendo sia un funzionamento sicuro a lungo termine che un'economia.

Tensione nominale (kV):La tensione primaria corrisponde alla tensione di rete; la tensione secondaria è in genere superiore del 5% o del 10% rispetto alla tensione del bus low-side (a seconda della tensione di impedenza e della capacità) per compensare la caduta di tensione di linea e garantire la qualità della tensione all'utente finale.

Impedenza di cortocircuito (tensione di impedenza, Uk%):La percentuale di tensione primaria richiesta per far circolare la corrente nominale attraverso il secondario quando il secondario è cortocircuitato. È una caratteristica critica che influenza i livelli di corrente di cortocircuito e la regolazione della tensione.

Perdita a vuoto (Po, kW):La potenza attiva consumata dal lato secondario di un trasformatore in stato di circuito aperto alla frequenza nominale e alla tensione nominale è composta principalmente da perdite nel nucleo (perdite magnetiche), che dipendono dalla qualità di fabbricazione e dalle caratteristiche del materiale di acciaio al silicio. Se si utilizzano acciaio al silicio ad alte prestazioni e nuclei avvolti tridimensionali, le perdite a vuoto possono essere notevolmente ridotte.

Perdita di carico (Pk, kW):La potenza attiva consumata quando il secondario è cortocircuitato e la corrente nominale scorre nel primario. Consiste principalmente in perdite di rame negli avvolgimenti ed è proporzionale al quadrato del fattore di carico.

Efficienza (η):Potenza attiva in uscita divisa per potenza attiva in ingresso. I grandi trasformatori di potenza hanno un'efficienza molto elevata; ad esempio, un trasformatore elevatore di un generatore da 380 MVA/500 kV può raggiungere η ≥ 99,75%.

Gruppo vettoriale (ad esempio, Dyn11, Yyn0):Indica il metodo di connessione (Y - stella, D - triangolo, Z - zigzag) degli avvolgimenti di alta e bassa tensione e il loro sfasamento. Influisce sul metodo di messa a terra del neutro del sistema e sul percorso della corrente a sequenza zero.

Metodo di raffreddamento:Ad esempio, ONAN (Oil Natural Air Natural), ONAF (Oil Natural Air Forced), OFWF (Oil Forced Water Forced). I codici di quattro lettere specificano il mezzo di raffreddamento e il metodo di circolazione (ON: circolazione naturale dell'olio; OF: circolazione forzata dell'olio; OD: circolazione forzata diretta dell'olio; AN: aria naturale; AF: aria forzata; WF: acqua forzata).

Come scegliere i trasformatori adatti?

Quando si seleziona un trasformatore adatto, oltre a determinare la capacità nominale e i livelli di tensione, è necessario considerare anche i seguenti fattori:

Caratteristiche del carico:Per i tipici carichi industriali e residenziali, generalmente utilizziamo trasformatori di potenza standard a doppio avvolgimento. Se sono necessari più livelli di tensione, è necessario selezionare un trasformatore a tre avvolgimenti e assegnare ragionevolmente la capacità nominale di ciascun avvolgimento. Per i luoghi con severi requisiti di sicurezza antincendio, come data center e grattacieli, si dovrebbe dare priorità ai trasformatori a secco.

Ambiente di installazione:I trasformatori immersi in olio con partizioni ignifughe sono generalmente preferiti per le sottostazioni esterne, mentre i trasformatori a secco dovrebbero essere preferiti per gli ambienti interni.

Limiti di capacità:Nelle sottostazioni interne la capacità massima di un singolo trasformatore in olio non deve superare i 1250 kVA; Nelle sottostazioni prefabbricate, la capacità massima dei trasformatori immersi in olio non deve superare 630 kVA e la capacità dei trasformatori a secco non deve superare 800 kVA.

Requisiti di regolazione della tensione:Per ambienti con grandi fluttuazioni di tensione o regolazioni frequenti sono necessari trasformatori con commutatori sotto carico; Per applicazioni con tensione stabile è possibile utilizzare un trasformatore con commutatore a vuoto.

Efficienza energetica e requisiti ambientali:Grazie alle politiche di risparmio energetico, i trasformatori ad alta efficienza e a risparmio energetico stanno gradualmente diventando la scelta principale. Attualmente, la quota di mercato dei trasformatori con nucleo in ferro avvolto 3D (con perdite a vuoto inferiori del 15%-25% rispetto ai tradizionali nuclei in ferro laminato) e dei trasformatori in lega amorfa aumenta di anno in anno.

Applicazioni speciali:Quando è richiesta la regolazione della tensione, è necessario selezionare un autotrasformatore; È più opportuno scegliere un trasformatore di isolamento quando i requisiti di sicurezza elettrica sono più elevati.