Se entri in un impianto di produzione oggigiorno, rimarresti sorpreso dal numero di siti di lavoro che utilizzano trasformatori. La linea di alimentazione in ingresso a 20 kV va direttamente in un trasformatore da 2.000 kVA; nella sala di controllo, c'è un trasformatore da 500 kVA che fornisce elettricità per i dispositivi di controllo e protezione relè; sul pavimento del laboratorio, ci sono i cosiddetti trasformatori di isolamento posizionati tra azionamenti e attrezzature di pesatura; al primo piano, puoi vedere un trasformatore da 160 kVA che assicura che i sistemi di gestione antincendio e degli edifici funzionino correttamente; e nel laboratorio, un trasformatore di isolamento trifase è responsabile del corretto funzionamento di tutte le attrezzature di test. Pertanto, molti trasformatori vengono utilizzati in un unico impianto contemporaneamente, anche se la maggior parte delle persone nella manutenzione li considera “un'unica cosa”.
La tecnologia di automazione industriale implica l'uso di molteplici forme di trasformatori in parallelo, principalmente tipi di trasformatori che forniscono alimentazione, trasformatori di distribuzione, così come trasformatori utilizzati anche per l'isolamento dei processi di azionamento e di lavorazione termica, trasformatori di sicurezza comunemente applicati nell'illuminazione, ecc. Dal punto di vista dei prezzi, possiamo partire da 1.200 per un piccolo trasformatore di controllo, notando che il suo costo può arrivare fino a 80k per l'unità di ingresso da 10–60 MVA utilizzata. Ogni prodotto necessita di determinate considerazioni riguardo alle caratteristiche come la messa a terra, la valutazione armonica, così come le misure protettive, quindi scegliere attentamente il prodotto giusto per ogni caso particolare rende possibile una delle migliori decisioni ingegneristiche in termini di costi.
Mappatura dei Ruoli dei Trasformatori in un Impianto di Automazione
È utile delineare il layout dell'alimentazione di un impianto automatizzato regolare prima di procedere. La disposizione della struttura si estende dall'ingresso dell'utility fino al carico di processo più piccolo.
| Livello di Potenza | Trasformatore tipico | Valutazione | Ruolo Primario |
|---|---|---|---|
| Ingresso / connessione alla rete | Trasformatore di potenza principale (immerso in olio o tipo secco) | 1–60 MVA | Riduzione da 20–110 kV a tensione di distribuzione dell'impianto |
| Distribuzione all'interno dell'impianto | Trasformatore di distribuzione | 500–2.500 kVA | Fornisce quadri elettrici e MCC a 0.4–0.69 kV |
| Alimentazione di azionamenti e macchine | Trasformatore di isolamento / azionamento | 50–2.000 kVA | Alimenta VFD, convertitori e centri di controllo motori |
| Strumentazione e controllo | Trasformatore di controllo, avvolgimento schermato | 10–160 kVA | Alimentazione pulita e isolata per PLC, strumenti e pannelli |
| Servizi ausiliari | Trasformatore di sicurezza / illuminazione | 10–100 kVA | Illuminazione, HVAC, sistemi antincendio su un'alimentazione protetta |
| Processi speciali | Trasformatore rettificatore, forno o trasformatore a spostamento di fase | 500 kVA–50 MVA | Elettrolisi, riscaldamento e carichi di convertitore |
Perché è importante la mappatura? Questo è dovuto all'impatto che ogni livello ha in caso di guasti. Un guasto di un'unità di ingresso principale ferma le operazioni di un impianto; un guasto del trasformatore di controllo potrebbe non produrre alcun effetto evidente ma comunque portare a letture di processo errate o al malfunzionamento di un rack PLC chiave; mentre il guasto di un trasformatore di isolamento consente al rumore di contaminare il peso, il che potrebbe comportare il rifiuto di un output giornaliero.
Trasformatori di Ingresso Principali
Il trasformatore primario collega l'impianto alla rete elettrica, generalmente apportando regolazioni ai livelli di tensione da 20–110 kV a 6-11 kV o 0.4–0.69 kV. Le specifiche principali che guidano il design degli impianti di automazione includono i seguenti:
- Impedenza: 6-10% è il valore medio per i trasformatori di ingresso che devono limitare il livello di corrente di cortocircuito e conformarsi alle specifiche dei dispositivi a valle.
- OLTC: Il cambiavalute sotto carico è indispensabile in unità superiori a 10 MVA; con potenza inferiore, è comunque raccomandato.
- Monitoraggio: C'è anche una crescente domanda per il monitoraggio dei livelli di DGA e temperatura a causa dell'importanza dell'unità.
Per quanto riguarda i costi specifici dei trasformatori, il modello da 5 MVA, 35/10 kV avrà un prezzo compreso tra $60.000-$120.000; il costo per il modello da 20 MVA, 110/10 kV varierà tra $180.000-$400.000. Quando si lancia un tale trasformatore, è necessario condurre prove in loco seguendo lo standard IEEE C57.12.90.
Trasformatori di Controllo e Ausiliari
I trasformatori nei controlli e nelle sottostazioni sono la forza invisibile dietro l'automazione nell'industria. Forniscono energia ai rack PLC, ai cabinet DCS, all'installazione di strumenti e valvole a solenoide, e al funzionamento delle reti elettriche. Le loro esigenze fondamentali sono il design semplice e continuo dell'unità di controllo.
- Avvolgimento schermato o schermato elettrostaticamente: minimizza il accoppiamento del rumore in modalità comune all'elettronica di controllo;
- Regolazione: solitamente progettata per una regolazione della tensione di 3 – 5% a carico 100% in modo che i fornitori di energia PLC abbiano una tensione affidabile in ingresso;
- Involucro: IP54 – IP65, frequentemente montato su pareti o occupando compartimenti separati.
I trasformatori di controllo seguono lo standard IEC 61558 per la sicurezza dei trasformatori di potenza, delle apparecchiature di alimentazione e dei reattori invece di condurre test estesi basati sullo standard IEC 60076. Questi dispositivi sono prodotti nella gamma di 10-160 kVA e offrono il prezzo più basso di $1200 per un'unità di trasformatore da 15 kVA fino a $8000 – $12000 per un trasformatore di grado pannello con capacità di 160 kVA.
Trasformatori di Isolamento per Azionamenti e Strumenti
I trasformatori di isolamento sono utilizzati in due funzioni uniche che possono spesso essere confuse. La prima è l'isolamento dell'azionamento, quindi il trasformatore è installato tra l'alimentazione e l'azionamento a frequenza variabile (VFD) o il convertitore. L'ultima è l'isolamento degli strumenti, il che significa che il trasformatore agisce per schermare i circuiti di misura da loop di terra e disturbi di rumore.
| Tipo | Applicazione | Requisito Chiave | Valutazione tipica |
|---|---|---|---|
| Trasformatore di isolamento per azionamenti | Tra l'alimentazione e l'ingresso VFD | Gestisce armoniche, picchi di corrente, commutazione a vuoto | 100–2.000 kVA |
| Trasformatore di isolamento per strumenti | Alimenta circuiti PLC, pesatura, analizzatori | Avvolgimento schermato, bassa capacità, regolazione precisa | 1–50 kVA |
| Trasformatore con fattore K | Carichi pesanti per azionamenti | Valutazione K-4 a K-20 per corrente armonica | 150–1.500 kVA |
Uno dei problemi comuni nel campo dell'istrumentazione è che quei trasformatori di isolamento con una potenza inferiore a 5 kVA ricevono specifiche che sono le stesse di quelle dei trasformatori per motori, esponendo così i circuiti delicati alle interferenze di modo comune. La soluzione al problema consiste nel richiedere un avvolgimento schermato che abbia una capacità inferiore a 0,001 µF tra il primario e il secondario, una soluzione che aumenta il prezzo dell'unità del 10–20% ma elimina la maggior parte dei problemi associati agli strumenti legati ai loop di terra.
Trasformatori a scopo speciale nelle linee di processo
Alcune applicazioni di automazione richiedono unità di trasformazione oltre la distribuzione convenzionale. Le più tipiche negli impianti odierni includono:
- Trasformatori rettificatori per elettrodeposizione, anodizzazione e formazione di batterie, che forniscono energia a rettificatori a tiristori o a diodi, resistendo a elevate distorsioni armoniche; variano da 0,5 MVA a 10 MVA e costano $18000 a $120000.
- Trasformatori per forni per processi di riscaldamento a induzione o a resistenza, capaci di erogare alta corrente a bassa tensione; un trasformatore per forno *2 MVA* è valutato tra $40000 e $90000.
- Trasformatori a spostamento di fase destinati a convertitori multi-pulse considerevoli (rettificatori a 12/24 impulsi), grazie alla cancellazione delle armoniche 5 e 7, costano tra $30000 e $150000.
- Trasformatori servo e trasformatori di isolamento per movimento utilizzati in vaste installazioni di imballaggio e robotiche che sono solitamente di piccole dimensioni (5-50 kVA) ma hanno criteri di immunità transitoria rigorosi.
Ogni tipo ha il proprio standard che regola le procedure di test per i trasformatori; solitamente i trasformatori rettificatori devono soddisfare i requisiti della IEC 61378-1 mentre i trasformatori per forni devono generalmente rispettare lo schema di certificazione dell'azienda basato sulla IEC 60076. La principale richiesta per l'ingegnere di automazione è che il fornitore di trasformatori deve essere coinvolto precocemente, poiché tali articoli hanno tempi di consegna lunghi (10-24 settimane) e sono quasi impossibili da sostituire con attrezzature standard durante la fase di commissioning.
Confronto delle applicazioni dei trasformatori
La tabella inclusa qui sotto spiega come lo stesso impianto utilizza le caratteristiche basilari del trasformatore per diverse funzioni nell'intero processo produttivo.
| Caratteristica | Ingresso | Distribuzione | Isolamento dell'azionamento | Controllo / Strumento |
|---|---|---|---|---|
| Valutazione tipica | 1–60 MVA | 500–2.500 kVA | 100–2.000 kVA | 1–160 kVA |
| Tensione primaria | 20–110 kV | 10–35 kV | 4–0.69 kV | 0,4 kV |
| Impedenza | 6–10% | 4–6% | 4–8% | 2–5% |
| Gestione armonica | Limitato | Limitato | Alto (fattore K) | N/A (schermato) |
| Standard chiave | IEC 60076 | IEC 60076 | IEC 60076 + IEEE 519 | IEC 61558 |
| Impatto del guasto | Arresto dell'impianto | Interruzione dell'area | Arresto della linea | Degradazione del controllo |
| Prezzo tipico (USD) | $60.000–$400.000 | $9.000–$38.000 | $4.000–$22.000 | $1.200–$12.000 |
Osservando la tabella, possiamo vedere la logica di progettazione. L'impedenza e la ridondanza della protezione sono maggiori per i livelli associati a processi critici; i livelli sensibili ricevono schermatura e un migliore controllo; mentre i livelli che elaborano una quantità significativa di armoniche utilizzano il fattore K e design speciali. Va sottolineato che non esiste un “trasformatore standard” ideale che possa essere utilizzato per ogni caso.
Linee guida per le specifiche in base all'applicazione
- Input: Indicare l'OLTC, 10 MVA o più, con un'impedenza che varia da 6-10%, oltre a verificare che le caratteristiche DGA e il certificato di prova IEC 60076 siano disponibili.
- Distribuzione: Assicurarsi che il kVA corrisponda alla domanda di 15 minuti a un carico elettrico di 60-80% mentre il tipo di apparecchiatura sia un trasformatore esterno immerso in olio o un trasformatore interno di tipo secco.
- Isolamento del drive: Ridurre o applicare la valutazione K-factor per un caso in cui il carico del VFD supera 30% e fornire inoltre reattori di ingresso seguendo le indicazioni di IEEE 519.
- Controllo: Utilizzare un avvolgimento schermato di bassa capacità di accoppiamento e convalidare che la regolazione della tensione avvenga durante il carico massimo.
- Strumentazione: Richiedere un design a bassa rumorosità, diversi punti di messa a terra, nonché immunità ai transitori in conformità con IEC 61000-4-4.
- Processi speciali: Collaborare con qualsiasi fornitore già nella fase di progettazione e garantire un tempo di consegna di 10-24 settimane.
Fasce di prezzo per applicazione
| Applicazione | Valutazione | Prezzo tipico (USD) | Tempo di Consegna |
|---|---|---|---|
| Trasformatore di sicurezza / illuminazione | 10–100 kVA | $900–$4.500 | 2–6 settimane |
| Trasformatore di controllo (schermato) | 15–160 kVA | $1.200–$12.000 | 4–10 settimane |
| Trasformatore di isolamento per azionamenti | 200–2.000 kVA | $4.000–$22.000 | 6–14 settimane |
| Trasformatore di distribuzione | 500–2.500 kVA | $9.000–$38.000 | 8–16 settimane |
| Trasformatore rettificatore | 500 kVA–10 MVA | $18.000–$120.000 | 12–24 settimane |
| Trasformatore di ingresso principale | 5–60 MVA | $60.000–$400.000 | 16–40 settimane |
I prezzi dipendono dalle specifiche, dai marchi e da altri dettagli, pertanto i valori sopra menzionati sono stime per pianificare trasformatori conformi a IEC 60076. I trasformatori personalizzati devono essere protetti secondo le regole contrattuali, quindi è comune includere una clausola di danno liquidato per ritardi nelle consegne.
Top Brand e Confronto Prezzi
In generale, quando si decidono i fornitori per i prodotti di automazione industriale, gli acquirenti utilizzano due criteri per valutare i fornitori di trasformatori: ingegneria del prodotto e costo. I prezzi riportati nella tabella si riferiscono a un trasformatore tipico – trasformatore di distribuzione 1.000 kVA, 10/0,4 kV anche se i prezzi dei trasformatori unici sono molto più elevati.
| Marca | Paese | Punti di forza rilevanti per l'automazione | Prezzo Indicativo (USD) |
|---|---|---|---|
| Siemens | Germania | Integrazione profonda di PLC/SCADA, servizi di gemello digitale | $15.000–$27.000 |
| ABB | Svizzera | Pacchetti drive-to-transformer, ampia gamma di LV/MV | $14.000–$26.000 |
| Schneider Electric | Francia | Integrazione di controllo EcoStruxure, resistenza a secco | $13.000–$25.000 |
| Hitachi Energy | Giappone/Svizzera | Eredità dei trasformatori di potenza, competenza nei trasformatori rettificatori | $15.000–$30.000 |
| Eaton | USA | Profondità del trasformatore di controllo e isolamento per OEM di macchinari | $12.000–$24.000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | Conformità IEC 60076, gamma completa di tipi a olio/secco/rettificatore, OEM | $9.000–$18.000 |
I produttori internazionali di trasformatori ottengono i loro profitti integrando i propri dispositivi. I loro trasformatori interagiscono con i propri azionamenti, quadri elettrici e sistemi di controllo, risparmiando così molto tempo nei progetti di automazione. Jiangsu Subian Electric Power, d'altra parte, è un produttore conforme alla IEC 60076 che offre tutti i tipi di trasformatori di controllo così come grandi sistemi rettificatori a 45-60% dei prezzi stabiliti dai produttori europei o statunitensi. Essendo un fornitore di strumenti di automazione e aziende produttrici di macchinari, Jiangsu Subian Electric Power ha qualcosa da offrire a queste aziende, inclusi trasformatori avvolti su misura con impedenza personalizzata e capacità in kVA.
Domande frequenti
Quanti trasformatori utilizza effettivamente un impianto automatizzato tipico?
Gli impianti di medie dimensioni operano spesso con 5-10 trasformatori, inclusi uno o due trasformatori in ingresso, da due a quattro trasformatori di distribuzione, così come trasformatori di controllo, isolamento e sicurezza che vanno da 10 kVA fino a 2.000 kVA di potenza. Gli impianti di lavorazione di grandi dimensioni possono arrivare fino a 20-40 trasformatori a seconda della complessità della linea di lavorazione. Tuttavia, potrebbe essere il primo passo in qualsiasi programma di ottimizzazione tenere traccia di tutti i trasformatori in funzione.
Qual è la differenza tra un trasformatore di isolamento e un trasformatore di controllo?
Un trasformatore di isolamento serve a isolare i circuiti per evitare la possibilità di loop di terra e rumore comune in tutto il circuito e può essere utilizzato sia per azionamenti che per attrezzature. Un trasformatore di controllo è un tipo di trasformatore di isolamento per circuiti di controllo progettato per servire nei circuiti di controllo, dotato internamente di schermatura, con una regolazione media non superiore a 3-5% e i corrispondenti standard IEC 61558. Tutti i trasformatori di controllo isolano, tuttavia l'isolamento non significa idoneità per applicazioni di controllo.
Quanto costa un piccolo trasformatore di controllo?
Si può acquistare un trasformatore di controllo schermato da 15 kVA per circa $1.200 a $2.500; un tipo workstation da 160 kVA costerà $8.000 a $12.000. Il prezzo dipende dal livello di isolamento, dalla classe di regolazione, dalla protezione della custodia (IP54/IP65), così come dal produttore. Anche se queste somme non sono significative rispetto all'unità di ingresso principale, è una protezione economica, poiché per $1.500 un trasformatore di controllo può salvare milioni di euro in attrezzature PLC e di controllo.
Ho bisogno di un trasformatore K-factor per i miei carichi di azionamento?
Quando un carico VFD supera circa 30% della capacità del trasformatore, deve essere scelto un'unità K-factor (K-4 a K-20) o un'unità standard derated. La presenza di armoniche dai convertitori porta a un maggiore riscaldamento degli avvolgimenti, e l'uso di un'unità con valutazione K-13 è più costoso di 10-25% rispetto a quelle standard, ma previene guasti dell'isolamento che possono essere causati dal surriscaldamento. In alternativa, l'uso di reattori di ingresso con impedenza di 5% per ogni azionamento consentirebbe di utilizzare un trasformatore standard.
Qual è il tempo di consegna per un trasformatore rettificatore o per forno?
I trasformatori, in particolare i tipi rettificatori e per forno, sono realizzati su ordinazione con tempi di consegna molto più lunghi rispetto a quelli per i trasformatori di distribuzione standard. I trasformatori rettificatori e per forno vengono prodotti in circa 12-24 settimane, mentre la fabbricazione dei trasformatori di distribuzione usuali richiede 8-16 settimane. Poiché questi trasformatori alimentano processi che non possono essere ritardati all'avviamento, devono essere programmati 6-9 mesi prima dell'avvio effettivo e la verifica dei test in fabbrica sarà una necessità contrattuale.
Riferimenti
- IEC 60076 serie — Trasformatori di potenza — il design di base e lo standard di test per trasformatori di ingresso, distribuzione e azionamento.
- IEC 61558 — Sicurezza dei trasformatori, reattori e prodotti simili — regola i piccoli trasformatori di controllo e di sicurezza utilizzati nei circuiti di controllo.
- IEC 61378-1 — Trasformatori di conversione — lo standard per trasformatori da rettificatore e da conversione in linee di processo.
- IEEE 519 — Controllo armonico nei sistemi di energia elettrica — limiti THD per impianti con carichi pesanti e la base per la selezione del K-factor.
- IEC 60204-1 — Sicurezza delle macchine: Apparecchiature elettriche delle macchine — requisiti per l'alimentazione di trasformatori di controllo e isolamento a livello di macchina.
- Standard NEMA per trasformatori — valutazioni nordamericane e linee guida per l'applicazione per acquirenti industriali.
- Jiangsu Subian Electric Power — sito ufficiale — produttore di trasformatori conforme a IEC 60076 che serve progetti di automazione industriale a livello globale.
Conclusione
Nell'automazione industriale, diversi tipi di trasformatori entrano in gioco — si possono trovare trasformatori che soddisfano diversi scopi — assorbimento, distribuzione, isolamento di azionamenti, controllo, strumentazione e doveri di processo speciali, tra gli altri. Il fattore distintivo tra un design di impianto di successo e un semplice approccio di manutenzione reattiva per raggiungere i risultati operativi desiderati è la capacità del primo di determinare quale trasformatore è pianificato per quale lavoro, definire i parametri operativi (impedenza, efficienza di schermatura, prestazioni armoniche e regolazione) e garantire che il budget sia impostato considerando che ogni trasformatore comporta un rischio diverso e ha un costo diverso da $1,200–$400,000 ciascuno.
I punti principali da considerare sono i seguenti:
- Dovresti documentare tutti i trasformatori nell'impianto prima di iniziare l'ottimizzazione.
- I trasformatori di controllo dovrebbero conformarsi allo standard IEC 61558 con avvolgimenti schermati; i trasformatori di azionamento dovrebbero essere in grado di elaborare armoniche.
- Utilizza trasformatori K-factor o reattori di ingresso quando i carichi VFD superano 30%.
- Sii pronto a ordinare trasformatori di processo speciali 6–9 mesi prima del necessario e a sottoporli a test in fabbrica.
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