Quando la società operativa di un sito minerario in Australia Occidentale ha deciso di ampliare l'impianto di lavorazione, l'ingegnere elettrico ha affrontato un problema che era abituato a risolvere. Il trasformatore principale utilizzato nel sito era un trasformatore ordinario perché le sue fasi a tre fili significavano che il neutro non era disponibile. L'entità aveva bisogno del neutro per una procedura di protezione della corrente delle attrezzature di frantumazione, così come per l'alimentazione elettrica a 240 volt per l'elettricità e l'approvvigionamento idrico dell'impianto. La decisione corretta è stata quella di non sostituire il trasformatore, che era un'unità da 10 MVA funzionante bene da quindici anni. L'azienda ha deciso di optare per un trasformatore delta, che era un trasformatore delta wye con un neutro artificiale, in grado di fornire protezione della linea e di alimentare l'energia ausiliaria necessaria al sito. Con l'installazione del trasformatore delta, il neutro è stato stabilito, così l'impianto ha iniziato le sue operazioni in tempo. Come selezionare il giusto trasformatore delta dipende dalla struttura dell'avvolgimento applicata: connessione delta-delta o combinazione completamente diversa.
Riepilogo: I trasformatori delta sono quelli in cui uno degli avvolgimenti o entrambi sono collegati in forma delta. Delta si riferisce a una configurazione triangolare chiusa, dove ogni avvolgimento di fase è collegato alla sua estremità con il successivo. Nei trasformatori delta, la tensione della linea è uguale alla tensione della fase.
Cos'è una Connessione Delta — e Perché Viene Utilizzata
Nella connessione delta, le avvolgimenti trifase del trasformatore sono collegati insieme estremità a estremità per creare un circuito chiuso che assomiglia a un delta. Non c'è un punto neutro, il che significa che non ci sono conduttori neutri, e le tensioni di linea sono le stesse delle tensioni di fase. E le correnti che scorrono attraverso le linee saranno uguali alla somma vettoriale delle correnti dei fili. La connessione delta ha molte caratteristiche elettriche che dimostrano la sua efficacia per determinate applicazioni e le conferiscono alcuni vantaggi rispetto alla connessione wye (stella). L'assenza di un neutro consente di collegare i carichi solo tra le linee ma non tra una linea e un conduttore neutro, il che significa che il carico deve avere valutazioni di tensione più elevate (apparecchi a 230V o 120V non possono essere collegati a una linea di tensione più alta in connessione delta). La connessione delta funziona per mantenere le correnti armoniche triplen (terza, sesta e nona armonica) all'interno della connessione delta degli avvolgimenti, evitando così che vadano sia sul lato di alimentazione che sul lato di carico. Pertanto, questo è il principale vantaggio di una connessione delta in un trasformatore di distribuzione che lavora con carichi non lineari: computer, azionamenti a frequenza variabile, illuminazione a LED e sistemi UPS non faranno sì che le correnti non lineari vadano al lato primario, evitando così il surriscaldamento dei trasformatori, dei cavi, delle turbine e dei motori. Inoltre, la connessione delta è in grado di lavorare con carichi sbilanciati, quindi se una fase su un dispositivo collegato in delta è più caricata delle altre fasi, la corrente circolante all'interno del delta garantirà che i carichi siano distribuiti uniformemente.
Le caratteristiche fisiche ed economiche di una connessione delta dovrebbero essere prese in considerazione. Il design dell'avvolgimento nel caso di connessione delta utilizza conduttori in rame che non sono più spessi dei fili di rame nel caso di connessione wye, e l'isolamento è necessario per la tensione di linea. Per un'introduzione all'intera gamma di configurazioni di avvolgimento dei trasformatori e alle loro applicazioni, vedere il catalogo prodotti a Subian Elettrico, che include trasformatori delta‑delta, delta‑wye e wye‑delta, così come trasformatori di messa a terra, trasformatori di isolamento e trasformatori di potenza speciali per il mercato globale.
Le Tre Principali Configurazioni di Trasformatori Delta — e Dove Ognuna Appartiene
La tabella sottostante riassume le tre principali configurazioni di trasformatori che coinvolgono un avvolgimento delta, le loro caratteristiche elettriche distintive e le applicazioni in cui ciascuna è la scelta corretta.
| Configurazione | Connessione Primaria | Connessione Secondaria | Caratteristiche Elettriche Chiave | Migliore per |
|---|---|---|---|---|
| Delta‑Delta (Δ‑Δ) | Delta | Delta | Non c'è un punto neutro su nessuno dei avvolgimenti; il carico sbilanciato è gestito in modo efficiente grazie alle correnti circolanti nel delta. Filtra anche le armoniche triplen su entrambi i lati. L'alimentazione monofase può essere prelevata attraverso due linee qualsiasi a piena tensione di linea. In caso di guasto di una fase di un trasformatore delta-delta, il trasformatore può essere utilizzato in modalità open-delta (V-V) a capacità ridotta; fornendo così questa necessaria tolleranza ai guasti nelle applicazioni industriali dove è coinvolta l'interruzione costosa di un processo produttivo. | Le connessioni delta trifase sono adatte per azionamenti di motori industriali, riscaldamento a resistenza, apparecchi di saldatura, ecc. dove i neutri non sono necessari. La proprietà di gestione delle eccezioni della connessione delta trifase è importante nelle industrie di processo continuo come l'industria mineraria del carbone, l'industria del petrolio e del gas e la lavorazione chimica. |
| Delta‑Stella (Δ‑Y) | Delta | Wye (Stella) | Per carichi monofase e per la messa a terra del sistema, c'è un neutro sul lato secondario. L'avvolgimento delta sul lato primario impedisce il flusso delle terze armoniche a monte dal lato di alimentazione. L'avvolgimento wye fornisce un riferimento a terra per il carico. Insieme alla trasformazione della tensione che comporta una differenza di fase di 30 gradi tra le tensioni primarie e secondarie, questo merita un'attenta considerazione quando si collegano i trasformatori in parallelo. | I trasformatori standard step-down dividono la corrente in tipi trifase e monofase. Ricevono energia dalla stessa linea secondaria, ad esempio, motori trifase alimentati con 480V e illuminazione a 277V, da una linea secondaria che trasporta 480Y/277V in Nord America. Allo stesso modo, nei mercati IEC, i trasformatori di potenza step-down forniscono motori da 400V o carichi da 230V da 400Y/230V secondari. Questi trasformatori sono il layout più frequentemente applicato nei settori commerciale e industriale. |
| Stella‑Delta (Y‑Δ) | Wye (Stella) | Delta | Fornisce il neutro sul lato primario, che consente la messa a terra per la protezione in un sistema. Il delta sul lato secondario intrappola le armoniche indotte dal carico, impedendo così che raggiungano il primario. Lo scopo è lavorare con un generatore di una connessione wye quando si passa a una linea di trasmissione di una connessione delta. Il lato wye può essere messo a terra per mantenere una tensione di sistema stabile e per indirizzare la corrente di guasto a terra. | I trasformatori step-up sono utilizzati per collegare un generatore con connessione wye a una linea di trasmissione con connessione delta. Sono un esempio di trasformatore di messa a terra che stabilisce un punto neutro di un sistema delta non messo a terra. Questo tipo di messa a terra extra è popolare nelle industrie fornite tramite sorgente connessa in delta ma che necessitano di un neutro per la protezione contro la corrente di cortocircuito. |
Armoniche, Messa a Terra e l'Opzione Open‑Delta: Tre Considerazioni Pratiche
Oltre alla configurazione fondamentale dell'avvolgimento, tre fattori principali aiutano a finalizzare il trasformatore delta adatto per qualsiasi caso.
Il primo è le armoniche. Le applicazioni non lineari come i variatori di frequenza, gli alimentatori senza interruzione, le luci LED e i ballasts elettronici creano correnti armoniche che fluiscono nel trasformatore. La terza armonica, che è 180 Hz su un sistema a 60 Hz e 150 Hz su un sistema a 50 Hz, e i suoi multipli dispari (armoniche triplen) possono causare notevoli disturbi perché si combinano nel conduttore neutro di un sistema delta-stella, il che può portare a surriscaldamento. Le connessioni delta intrappolano queste armoniche triplen, con esse che circolano all'interno del delta e convertite in calore. Il delta-delta è in grado di intrappolare armoniche su entrambi i lati della sua operazione. Il delta-stella intrappolerà solo dal lato primario. Il stella-stella non ha capacità di intrappolare armoniche ed è raramente utilizzato nell'industria per questo motivo. Nel caso in cui i carichi producano troppe armoniche, allora il trasformatore delta con almeno un avvolgimento delta (soprattutto quello che fronteggia la sorgente armonica) dovrebbe essere utilizzato.
La seconda considerazione è la messa a terra e la protezione da guasti a terra. Il delta non avrà mai un neutro quindi non c'è un punto di messa a terra naturale da utilizzare. Quando il trasformatore di utilità è collegato in delta, il sistema è non messo a terra a meno che non venga utilizzato un trasformatore di messa a terra. Un sistema non messo a terra presenta i suoi specifici pericoli: quando si verifica un guasto a terra, l'interruttore non scatta, e c'è un sovraccarico di tensione nelle fasi non guastate, e può verificarsi un secondo guasto a terra causando un guasto tra le fasi. L'uso del trasformatore di messa a terra stella-delta, o del trasformatore di messa a terra zig-zag consente la messa a terra del sistema che è necessaria per un funzionamento corretto con l'uso del guasto a terra. Il trasformatore di messa a terra si collega al bus delta, mentre il suo neutro (che è messo a terra direttamente o con l'aiuto di un resistore che limita la corrente di guasto il più possibile per il processo di funzionamento del relè di protezione) consente di avere un comportamento controllato del guasto a terra.
Il terzo tipo di connessione è la configurazione open-delta (V-V). Quando il trasformatore delta-delta si guasta in una delle sue fasi (un avvolgimento o una fase), il resto delle sue fasi può funzionare in modalità di connessione open-delta, consentendo così di alimentare un certo carico trifase. Nella configurazione dell'open-delta, la capacità è solo 57,7% della capacità della connessione delta-delta (anziché 66,7%), poiché ciò avviene a causa di uno spostamento di fase di 60 gradi tra i due avvolgimenti invece di 120 gradi, rendendo così impossibile fornire un valore di corrente superiore alla valutazione per ciascuno degli avvolgimenti. La connessione dell'open-delta è utilizzata in situazioni di emergenza — consente a un processo critico di continuare a funzionare mentre si ottiene un nuovo trasformatore — ma non è utilizzata per il normale funzionamento del trasformatore delta-delta. La regolazione della tensione in modalità open-delta è peggiore rispetto a quella della modalità delta-delta, così come l'equilibrio delle fasi. Nel caso in cui il guasto del trasformatore porti a enormi perdite per l'impianto di produzione, l'opzione open-delta ha servito come soluzione temporanea affidabile. Per un'analisi più approfondita su come le configurazioni dei trasformatori si integrano con il più ampio sistema di distribuzione elettrica, il nostro articolo su migliore guida all'acquisto di trasformatori elettrici di base fornisce il quadro completo per specificare e valutare qualsiasi acquisto di trasformatori.
Come specificare un trasformatore Delta: I parametri che contano
La preparazione di una specifica di acquisto per un trasformatore delta comporta che l'acquirente stabilisca le specifiche elettriche che il trasformatore deve soddisfare e fornisca un alto livello di dettagli, in modo che ogni offerente possa proporre un prodotto simile. I parametri chiave sono la potenza kVA (che deve essere definita attraverso il calcolo del carico applicando la regola di carico continuo 80% per il margine termico), la tensione primaria e secondaria e la configurazione degli avvolgimenti (ad esempio, nel caso di un trasformatore step-down delta-stella — “13,8 kV Delta primaria, 480Y/277 V secondaria” o nel caso di un trasformatore di isolamento delta-delta — “480 V Delta primaria, 480 V Delta secondaria”), l'impedenza (espressa come percentuale della base kVA del trasformatore e di solito varia dal 5% al 6% per i trasformatori di distribuzione; un'impedenza troppo bassa porta a una qualità della tensione inferiore, ma a correnti di guasto più elevate, e dovrebbe essere coordinata con i mezzi di protezione e la valutazione della corrente di cortocircuito dell'apparecchiatura), la classe di isolamento e l'aumento di temperatura (per un trasformatore asciutto Classe F o Classe H, dove l'aumento può variare da 80 a 150 gradi Celsius, o per i trasformatori a olio l'aumento di temperatura è di solito intorno ai 65 gradi Celsius sopra i 30 gradi Celsius), il metodo di raffreddamento (ONAN per i trasformatori a olio, AN o AF per quelli asciutti; il raffreddamento forzato consente di aumentare la potenza kVA di un trasformatore asciutto fino a 25-33%. Pertanto, l'acquirente dovrebbe specificare se sono necessarie capacità extra), i punti di prelievo (i punti di prelievo fuori circuito sono standard e di solito di 2.5% passi su e giù dalla tensione primaria nominale per adattarsi alla tensione di alimentazione effettiva; il cambiavalute di carico è più costoso, ma potrebbe essere applicato per applicazioni critiche e se la tensione primaria varia molto), l'involucro (NEMA 1 per condizioni interne asciutte, NEMA 3R per esterni, NEMA 4X per lavaggio, o NEMA 12 per l'industria a prova di polvere), e lo standard (IEC 60076, IEEE C57.12, o standard nazionale locale, perché uno standard determina il modo in cui devono essere condotti i test e i metodi che l'apparecchiatura deve documentare). Una buona specifica costringe il fornitore a fornire risposte a tutto quanto sopra e una specifica vaga dà al produttore la possibilità di fare il proprio giudizio.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra un trasformatore delta e uno stella?
Un avvolgimento delta consiste in un triangolo a circuito chiuso senza neutro. La tensione di linea di un sistema collegato in delta è uguale alla tensione di fase; tuttavia, la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase in questa configurazione. Un avvolgimento stella ha un punto neutro dove si intersecano i tre avvolgimenti, il che rende possibile che la tensione di linea sia √3 volte la tensione di fase, mentre la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. Inoltre, a causa dei vantaggi della connessione stella, come la neutralità per i carichi monofase e la possibilità di mettere a terra il sistema, molti utenti la utilizzano in combinazione con gli avvolgimenti delta.
Quando dovrei usare un trasformatore delta-delta?
Prova a utilizzare un trasformatore delta-delta in una condizione di carico che è solitamente caratterizzata dall'uso di sistemi trifase o a tre fili, che include principalmente motori, dispositivi di riscaldamento o macchine per saldatura, notando che non è necessario un filo neutro in nessuno dei trasformatori. Inoltre, un trasformatore delta-delta può facilmente operare in condizioni di carico sbilanciato, intrappolare le armoniche su entrambi i lati di questi trasformatori e può essere utilizzato anche nel caso di guasto di una singola fase in una connessione delta aperta. Pertanto, un trasformatore delta-delta è una soluzione perfetta per applicazioni industriali che implicano il caricamento di motori pesanti, ad esempio.
Un trasformatore delta può fornire carichi monofase?
Infatti, un secondario collegato in delta può essere utilizzato per fornire carichi monofase collegati tra due linee qualsiasi e in grado di sopportare il valore completo della tensione di linea. Tuttavia, i carichi monofase devono essere costruiti per gestire la tensione di linea del particolare sistema delta utilizzato — cioè, attrezzature da 480 volt per sistemi delta da 480 volt — e bilanciati su tutte e tre le fasi in modo che non si verifichi un eccessivo sbilanciamento. Un secondario delta non può essere applicato a carichi che richiedono un circuito neutro per funzionare a bassa tensione, come carichi da 120 volt o 277 volt.
Cos'è una connessione di trasformatore delta aperto?
La connessione delta aperto consiste in due trasformatori monofase collegati in due delle tre fasi per servire un carico trifase. L'impostazione utilizza 57.7% della capacità di un trasformatore in una piena connessione delta trifase. Questo tipo di connessione è utilizzato nel caso di guasto di una delle fasi in un sistema trifase completo o come soluzione economica e permanente in alcune applicazioni a carico leggero. La regolazione della tensione è peggiore e anche l'equilibrio delle fasi non è stabile come quello del sistema trifase completo.
Riferimenti
- IEEE C57.12.00 — Standard per i requisiti generali per trasformatori di distribuzione, potenza e regolazione immersi in liquido. Lo standard fondamentale IEEE per la progettazione, il collaudo e le prestazioni dei trasformatori, comprese le configurazioni di avvolgimento delta e wye e le caratteristiche elettriche associate.
- IEC 60076 — Trasformatori di Potenza. La serie di standard internazionali che definisce i requisiti di progettazione, collaudo e prestazioni per trasformatori di potenza e distribuzione, comprese le designazioni del gruppo vettoriale — Dyn11, YNd1 e altre — che specificano la configurazione degli avvolgimenti e la relazione di fase.
- Eaton — Guida alle configurazioni di avvolgimento dei trasformatori e applicazioni. Produttore di trasformatori delta-delta, delta-wye e wye-delta, con documentazione tecnica che copre la selezione, l'installazione e i requisiti di messa a terra per ciascuna configurazione.
- Schneider Electric — Gruppi vettoriali dei trasformatori e connessioni degli avvolgimenti. Guida del produttore sulla specifica e l'applicazione delle configurazioni di avvolgimento dei trasformatori delta e wye per sistemi di potenza commerciali e industriali.
Il processo di selezione del trasformatore delta ideale comporta l'identificazione di un design di avvolgimento che corrisponde al tipo di sistema elettrico e alle sue caratteristiche come tensione, messa a terra, armoniche e neutro. Un trasformatore delta-delta è utilizzato per il carico industriale trifase e trifilo e ha gli elementi necessari di mitigazione delle armoniche e di sicurezza per gli impianti di lavorazione continua. Un trasformatore delta-wye riduce la tensione e crea un neutro per un carico misto di sistemi monofase e trifase e ha capacità di mitigare le armoniche dall'alimentazione in ingresso. Un trasformatore wye-delta aumenta la tensione del generatore per la trasmissione di elettricità o crea un neutro per un sistema delta per migliorare la sicurezza. Ogni configurazione di trasformatori delta ha il suo scopo e un acquirente esperto sa quale trasformatore è necessario per l'applicazione invece di scegliere quello che il venditore ha in magazzino. Co. Subian è un produttore di trasformatori delta in tutte e tre le configurazioni ed è in grado di fornire trasformatori con l'intervallo di kVA e la classe di tensione, l'impedenza e le certificazioni richieste dal mercato. È essenziale utilizzare trasformatori realizzati correttamente per il funzionamento di fabbriche, miniere o impianti di lavorazione dove i trasformatori devono essere progettati in modo appropriato per il sistema elettrico, rendendo il processo di configurazione estremamente importante.