Un ingegnere di manutenzione tecnica di un'acciaieria di medie dimensioni ci ha contattato la scorsa primavera riguardo a un problema senza precedenti: un trasformatore di distribuzione da 1600 kVA che funziona perfettamente quando le tensioni sul pavimento della fabbrica sono sufficienti viene segnalato come in violazione degli standard operativi. La causa principale non è stata trovata né nel cambiavalute né nel relè di protezione; era nascosta nel principio di funzionamento del trasformatore, ovvero l'induzione elettromagnetica, che consente a qualsiasi trasformatore di operare. Una volta che i nostri esperti hanno scoperto come correlare la tensione indotta e i turni, la soluzione, ovvero effettuare una regolazione del rapporto, ha richiesto ore. La maggior parte dei “misteri” dei trasformatori viene risolta in modo simile: una volta che sai cosa fa l'induzione, sai cosa fare con la macchina.
In questo articolo, abbiamo fornito una descrizione dettagliata di come funzionano i trasformatori. Scoprirai cos'è l'induzione elettromagnetica, come la legge di Faraday genera corrente, perché i trasformatori non hanno parti mobili e come questa comprensione ti aiuterà a prendere decisioni di acquisto e manutenzione.
Risposta breve: Il principio di funzionamento dei trasformatori si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Secondo la definizione, una corrente elettrica AC che scorre nella bobina primaria crea una variazione del campo magnetico nel nucleo del trasformatore, risultando nell'induzione di corrente elettrica nella bobina secondaria. La legge di Faraday afferma che il rapporto di tensione elettrica deve essere uguale al rapporto del numero di turni; nel caso di un trasformatore 10 kV/0,4 kV abbiamo bisogno di 25 turni di avvolgimento per creare una caduta di tensione. Vale la pena menzionare che i trasformatori che soddisfano i requisiti della norma IEC 60076 raggiungono un'efficienza di circa 98-99.7%.
Cos'è l'induzione elettromagnetica in un trasformatore?
L'induzione elettromagnetica è il processo mediante il quale una forza elettromotrice (o tensione) viene creata in un conduttore a causa di un campo magnetico dinamico. Nei trasformatori, l'induzione elettromagnetica si verifica due volte durante un mezzo ciclo: la AC che scorre attraverso la prima bobina crea il flusso magnetico variabile, che attraversa la seconda bobina e induce la tensione in essa. Non comporta alcun movimento meccanico; pertanto, il trasformatore causa quasi nessun usura poiché non è coinvolto alcun movimento.
Questo fenomeno è stato scoperto nel 1831 dallo scienziato inglese Michael Faraday ed è stato utilizzato da allora nella progettazione dei trasformatori per produrre elettricità. Analogamente, due fattori controllano la tensione indotta (secondaria): il numero di turni e il tasso di variazione del flusso. Una frequenza più alta significa che il flusso cambia più rapidamente e la tensione che induce è più alta, il che spiega perché i nuclei dei trasformatori operano a frequenze di 50 o 60 Hertz.
Come opera il principio di funzionamento del trasformatore.
Consideriamo la disposizione tradizionale di due avvolgimenti. In questa configurazione, l'avvolgimento primario è collegato all'alimentazione in ingresso mentre l'avvolgimento secondario si collega al carico. Il flusso di corrente alternata (AC) crea un campo magnetico nel nucleo del trasformatore in acciaio al silicio laminato. Poiché la natura dell'elettricità è alternata (cambiando), l'induzione magnetica del nucleo varierà costantemente, risultando in un flusso magnetico che sale e scende e cambia direzione 50 o 60 volte al secondo.
Il flusso magnetico alternato prodotto nel nucleo del trasformatore induce una forza elettromotrice ai terminali dell'avvolgimento secondario. Di conseguenza, la corrente fluirà attraverso il carico collegato all'avvolgimento secondario e svolgerà il lavoro necessario. Pertanto, possiamo riassumere il principio di funzionamento del trasformatore in tre passaggi:
- La corrente primaria crea un campo magnetico alternato;
- Il campo attraversa il nucleo di ferro e collega i due avvolgimenti;
- Il campo variabile induce tensione nell'avvolgimento secondario.
| Quantità | Lato primario | Lato secondario | Relazione |
|---|---|---|---|
| Tensione (V) | V1 | V2 | V1 / V2 = N1 / N2 |
| Avvolgimenti (N) | N1 | N2 | Determinato in fase di progettazione |
| Corrente (I) | I1 | I2 | I1 × V1 = I2 × V2 |
| Impedenza (Z) | Z1 | Z2 | Z1 = Z2 × (N1/N2)2 |
| Potenza (S) | Praticamente uguale su entrambi i lati | S1 ≈ S2 (meno le perdite) | |
Poiché la potenza è conservata (eccetto per le perdite), aumentando la tensione secondaria si riduce automaticamente la corrente. Un trasformatore da 1 MVA a 0,4 kV porterà circa 1.443 A sul lato a bassa tensione, ma la stessa potenza a 33 kV porterà solo circa 17,5 A. Pertanto, questa relazione inversa tra tensione e corrente è il motivo per cui le utility aumentano la tensione per la trasmissione su lunghe distanze, poiché una corrente più bassa significa minori perdite dovute a I²R.
La Legge di Faraday e il Rapporto di Avvolgimenti Spiegato
Secondo la legge di Faraday, essa afferma che la forza elettromotrice indotta è il tasso di cambiamento nel collegamento del flusso magnetico la cui formula è data da E = −N × dΦ/dt. Nel caso di un trasformatore pratico che opera con tensione sinusoidale, la legge sopra si applica.
V ≈ 4.44 × f × N × Φmax
Dove f è la frequenza che è 50 o 60 Hz, N è il numero di avvolgimenti, e Φmax rappresenta il flusso massimo del nucleo. Pertanto, ne seguono:
La tensione è fissata dal numero di avvolgimenti. La tensione è definita per un particolare nucleo automaticamente e ogni avvolgimento riceve il proprio “volts per avvolgimento” fisso. Ad esempio, un secondario riceve una tensione pari a 400 volt con 18 avvolgimenti e situato accanto al primario con 540 avvolgimenti in modo tale che la tensione sia pari a 12 kilovolt, il che corrisponde al rapporto 30:1 richiesto dalle reti elettriche.
Il rapporto di avvolgimenti è uguale al rapporto di tensione. Un trasformatore funziona con un rapporto pari a 25:1 trasformando 10 kV in 400 V. Il rapporto può essere trovato sulla sua targhetta che indica 25:1 o 25000/400 V.
Il rapporto di corrente risulta essere inverso. Pertanto, il dispositivo che lavora con questo rapporto produrrà 25 volte più corrente sul lato secondario rispetto al primario quando lavora con la stessa potenza.
Ciò significa che il “trasformatore elevatore o riduttore” è in realtà lo stesso dispositivo che viene semplicemente utilizzato al contrario. Un trasformatore generatore cambia 11 kV in 220 kV mentre lo stesso gruppo di avvolgimenti combinato con il diverso lato secondario riporterà 220 kV a 11 kV.
Componenti principali che rendono possibile l'induzione
| Componente | Materiale / Forma | Ruolo nell'induzione |
|---|---|---|
| Nucleo | Acciaio al silicio orientato al grano, laminazioni da 0,23–0,35 mm | Fornisce un percorso magnetico a bassa riluttanza; la laminazione riduce le perdite da correnti parassite |
| Avvolgimento primario | Conduttore in rame o alluminio, isolato | Crea il flusso magnetico alternato dalla corrente di alimentazione |
| Avvolgimento secondario | Conduttore in rame o alluminio, isolato | Intercetta il flusso e fornisce la tensione indotta al carico |
| Sistema di isolamento | Carta Kraft + olio (immerso nell'olio) o resina epossidica (tipo secco) | Isola elettricamente avvolgimenti e nucleo; l'olio trasferisce anche calore |
| Commutatore di derivazione | Off-circuito o in carico, ±5% tipicamente | Regola il rapporto di trasformazione efficace per adattarsi alla tensione di sistema |
| Serbatoio / involucro | Acciaio saldato con conservatore o sistema N2 | Protegge l'assemblaggio nucleo-avvolgimento e il liquido dielettrico |
Due aspetti sono degni di nota. Il primo è che il nucleo è laminato invece di solido poiché un nucleo solido funzionerebbe come un avvolgimento in cortocircuito e genererebbe calore a causa delle correnti indotte durante il funzionamento. Il secondo è che il rame è utilizzato come materiale di avvolgimento nella maggior parte dei modelli ad alta efficienza. Un trasformatore con una capacità di 1.000 kVA utilizza circa 800-1.000 kg di rame nell'avvolgimento e questo è il motivo per cui il prezzo del rame influisce direttamente sul prezzo dei trasformatori.
Trasformatore Elevatore vs Trasformatore Riduttore: Inversione dell'Induzione
Ogni rete elettrica ha entrambi gli aspetti funzionali incorporati in sé. La generazione aumenta la tensione mentre la distribuzione la diminuisce, quindi il processo di definire quale sia necessario deve iniziare con la determinazione della propria area di servizio.
| Scenario | Lato di ingresso | Lato di uscita | Unità tipica |
|---|---|---|---|
| Esportazione da parco solare / eolico | Uscita inverter 0.4–0.8 kV | Bus di raccolta 10–35 kV | Trasformatore elevatore, 0.5–10 MVA |
| Trasmissione di utilità | 11–66 kV | 110–765 kV | Trasformatore GSU, 50–1.000 MVA |
| Sottostazione ai consumatori | 10–35 kV | 0,4 kV | Unità di distribuzione riduttrice, 100–2.500 kVA |
| Servizio impianto industriale | 33 kV | 6 / 11 kV | Trasformatore principale, 2–40 MVA |
Un errore frequente nella dimensionamento è trascurare di ricordare che il rapporto di tensione del trasformatore non è l'intera storia. Il trasformatore con un rapporto di 35 kV/0.4 kV ha anche una valutazione KVA fissa e una certa tensione di impedenza (di solito da 4-8%) e gruppo vettoriale (più comunemente Dyn11 per servizio di distribuzione). Il principio di induzione mostra il rapporto, ma la valutazione mostra il ferro, il rame e il raffreddamento utilizzati. Ordinare il trasformatore solo per tensione è come acquistare una pompa solo in base alla dimensione del tubo, perché il flusso (KVA) è altrettanto importante.
Efficienza e Perdite nei Trasformatori Pratici
A causa del fatto che l'induzione è solo un'interconnessione elettromagnetica, l'efficienza teorica dei trasformatori può essere piuttosto alta. I trasformatori reali costruiti secondo la IEC 60076 hanno efficienze che vanno dal 98% al 99.7%, e i grandi trasformatori di potenza sono noti per avere i tassi di efficienza più elevati tra le macchine rotanti e statiche. Le perdite possono essere suddivise in due grandi categorie:
Perdite a vuoto: perdite di isteresi e perdite di corrente parassita, che possono essere trovate nel ferro ogni volta che il trasformatore è in funzione. Le perdite a vuoto rappresentano lo 0.1-0.5% della valutazione.
Perdite di carico: le perdite di rame. La perdita di calore durante il funzionamento delle bobine del trasformatore può essere calcolata utilizzando la formula I²R e suddivisa in due categorie. Nel caso in cui il carico sia 1.5 volte superiore al carico nominale, le perdite di potenza aumenteranno significativamente — ad esempio, un trasformatore di 1000 kVA che ha una certa valutazione perde 8.5 kW, può perdere quasi 19 kW quando sovraccaricato del 150%.
Il design efficiente di un trasformatore da 1.000 kVA garantisce perdite tra 1,4 e 2,4 kW a vuoto e perdite tra 8 e 13 kW quando i trasformatori sono energizzati. L'importanza delle perdite può essere spiegata dal fatto che i trasformatori lavorano per tutto l'anno e quindi anche la piccola riduzione di 1 kW nelle perdite durante il processo di funzionamento del trasformatore porterà a un risparmio di 876 dollari all'anno.
Tipi di Trasformatori di Potenza Costruiti sullo Stesso Principio
Il meccanismo di induzione è universale, ma la costruzione varia enormemente in base all'uso. Le principali famiglie sono:
| Tipo | Raffreddamento / isolamento | Valutazione tipica | Dove utilizzato |
|---|---|---|---|
| Trasformatore immerso in olio | ONAN / ONAF | 50 kVA–1.000+ MVA | Utilità, sottostazioni industriali |
| Trasformatore di tipo secco | Resina epossidica colata o VPI | 100–10.000 kVA | Edifici alti, metropolitana, offshore |
| Trasformatore di distribuzione | Montaggio a palo o a basamento ONAN | 5–5.000 kVA | Conversione di tensione dell'ultimo miglio |
| Trasformatore di potenza / GSU | ONAN/ONAF/OFAF | 10–1.000 MVA | Trasmissione e generazione |
| Trasformatore a nucleo amorfo | Immerso in olio, acciaio amorfo | 50–2.500 kVA | Applicazioni a bassa perdita a vuoto |
| Specialità (rettificatore, forno, spostamento di fase) | Olio o secco | 1–200 MVA | Carichi di processo industriale |
Specifiche Tipiche dei Trasformatori Basati su Induzione
Facendo riferimento al principio di funzionamento, la targhetta rivela tutte le informazioni su come è stato progettato il dispositivo di induzione. Un sistema di distribuzione standard da 1.000 kVA, 10/0,4 kV ha questi valori:
| Parametro | Valore comune | Riferimento standard |
|---|---|---|
| Potenza nominale | 100–2.500 kVA (su ordinazione) | IEC 60076-1 |
| Rapporto di tensione | 10 kV / 0,4 kV (esempio) | IEC 60076-1 |
| Gruppo vettoriale | Dyn11 | IEC 60076-1 |
| Tensione di impedenza | 4–6% a corrente nominale | IEC 60076-5 |
| Perdita a vuoto | 1,4–2,4 kW | IEC 60076-1 / classi energetiche ISO |
| Perdita di carico a 120 °C | 8–13 kW | IEC 60076-1 |
| Intervallo di derivazione | ±2×2.5% o ±5% | IEC 60076-1 |
| Classe di raffreddamento | ONAN (aumento di 50–63 °C) | IEC 60076-2 |
Migliori marche e fasce di prezzo per trasformatori di potenza
Nel mercato, ci sono solo poche aziende riconosciute a livello globale che creano prodotti straordinari. ABB (attualmente ABB Ltd) e Hitachi Energy detengono il vantaggio nella progettazione di generatori e trasformatori HVDC; Siemens Energy e GE Vernova sono noti per i loro sistemi ad alta tensione e di grande potenza; Schneider Electric ed Eaton si concentrano sull'industria della distribuzione e sui trasformatori a secco. I loro dispositivi di solito costano di più e hanno tempi di completamento più lunghi. In questo contesto, i produttori cinesi stanno guadagnando quote elevate nel mercato globale della distribuzione e dell'attrezzatura di potenza media, sfruttando i vantaggi derivanti dalla conformità agli standard IEC 60076 e ai costi di produzione inferiori.
Un'azienda chiamata Jiangsu Subian Energia Elettrica è tra tali produttori. Produce sia trasformatori immersi in olio che trasformatori a secco con potenza che va da 10 kVA a decine di MVA, che soddisfano i requisiti della IEC 60076. L'azienda fornisce prodotti a più di 40 paesi in tutto il mondo. I clienti contattano direttamente le fabbriche per risolvere domande relative ai trasformatori come gruppi vettoriali, gamme di derivazione, perdite o progettazione del raffreddamento. Di conseguenza, nel caso in cui la teoria dell'induzione non sia soggetta a negoziazioni, ma il budget sia fisso, Subian può offrire una produzione verificata supportata da input ingegneristici e monitoraggio. I prezzi sono mostrati nella tabella sottostante.
| Marca | Forza | Fascia di prezzo tipica (scala di distribuzione) |
|---|---|---|
| ABB | Leader globale nell'ingegneria elettrica | $15.000–$80.000+ |
| Hitachi Energy | Specialista GSU e HVDC | $20.000–$150.000+ |
| Siemens Energy | Capacità ad alta tensione | $18.000–$120.000+ |
| Schneider Electric | Distribuzione a secco e intelligente | $10.000–$45.000 |
| Eaton | Unità di distribuzione e industriali | $8.000–$30.000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Fabbrica IEC 60076, prezzi competitivi | $4.000–$60.000 (tipico), i prezzi variano in base alle specifiche e alla regione |
I prezzi sono indicativi per unità da 250–5.000 kVA e variano in base alla potenza, al prezzo del rame, al tipo di raffreddamento e alla destinazione.
Come scegliere un trasformatore utilizzando il principio di funzionamento
- È importante verificare i requisiti del rapporto di trasformazione del sistema. Controlla quanto è dichiarato nell'accordo di connessione dell'utility relativo alla tensione di ingresso e di uscita e anche per la gamma di derivazione accettabile (±5%).
- Yardstick kVA con carico effettivo. Somma i carichi connessi, applica la diversità (0,6—0,9 in media) e aumenta il risultato di 10—20% per tenere conto della crescita futura. Un sovradimensionamento inadeguato aumenta le perdite a vuoto. Un sottodimensionamento comporta la riduzione della vita utile dell'attrezzatura.
- Seleziona il nucleo e l'avvolgimento in base ai tuoi requisiti di efficienza. L'acciaio al silicio orientato a grano di alta qualità e gli avvolgimenti in rame più costosi comportano costi di sviluppo più elevati ma portano a una riduzione delle perdite.
- Conferma l'impedenza e il gruppo vettoriale con l'ingegnere di sistema. Un phasore o un'impedenza errati possono causare problemi con il funzionamento in parallelo e le impostazioni di protezione.
- Verifica gli standard applicabili. Puoi richiedere rapporti di prova che confermino la conformità con la IEC 60076 in termini di rapporto, impedenza, perdite, prove dielettriche, ecc.
- Fai confronti in termini di costo totale di proprietà anziché di prezzo. Per farlo, confronta il valore attuale delle perdite future per 20-30 anni rispetto alle tariffe locali prima di fare una scelta tra i preventivi.
Suggerimenti per la manutenzione legati alla fisica dell'induzione
- Monitora la corrente di eccitazione. Un aumento della corrente a tensione di non carico indica che c'è una degradazione del nucleo magnetico o che un avvolgimento potrebbe essere rotto; dovrebbe essere immediatamente indagato prima che si verifichi un guasto.
- Monitora la temperatura dell'olio e il livello di gas disciolto. Il DGA indica il surriscaldamento delle bobine isolate anche prima che si verifichi un guasto; è sufficiente controllare l'olio una volta all'anno per le unità con capacità superiore a 1 MVA.
- Controlla il rapporto dopo ogni cambiamento di tappo. Il rapporto di trasformazione del trasformatore deve essere controllato nuovamente dopo che il tappo è stato cambiato; la variazione del rapporto di 2.5% comporta cambiamenti immediati nelle letture.
- Rendi possibile un raffreddamento efficace. La perdita di induzione deve essere rimossa dal sistema di raffreddamento; altrimenti, radiatori intasati o ventole rotte aumenterebbero la temperatura nelle bobine oltre i criteri di 65–70 °C, il che comporta un aumento doppio nel processo di invecchiamento per ogni aumento anomalo di 8–10 °C della temperatura.
Domande frequenti
Perché un trasformatore funziona solo in AC e non in DC?
Perché si verifichi l'induzione elettromagnetica, è necessario avere un flusso magnetico variabile. La corrente continua fornisce un flusso magnetico costante e la tensione secondaria scende a zero immediatamente dopo l'applicazione della DC. Se la corrente DC viene applicata continuamente a un trasformatore, il nucleo del trasformatore sarà saturo e verrà assorbita una corrente elevata.
Qual è la relazione volt-per-avvolgimento in pratica?
La tensione media per un nucleo di distribuzione del circuito è di circa 5–15V per ogni avvolgimento. In un sistema secondario da 400V, sono necessari circa 30-80 avvolgimenti, mentre un utilizzo di 10kV dello stesso nucleo può richiedere circa 25 volte più avvolgimenti o circa 750-2000 avvolgimenti. I sistemi che necessitano di tensioni più elevate metteranno più avvolgimenti sullo stesso nucleo, il che richiederà ovviamente più isolamento.
Come posso verificare il rapporto del trasformatore prima dell'acquisto?
Il rapporto di prova di routine deve essere richiesto secondo la IEC 60076-1, che contiene un riepilogo del test del rapporto di trasformazione su tutti i tappi. Puoi controllare questo al momento della consegna utilizzando un misuratore di rapporto portatile, che richiederà un'indagine se supera il nome del piatto di 0.5%.
Perché l'efficienza è più alta a valutazioni più elevate?
Le perdite nello statore, che sono correlate alla superficie dimensionale e all'area del conduttore principale, invece del volume totale del generatore, superano le perdite relative alla potenza. Pertanto, l'efficienza del generatore con potenza nominale di 100 kVA può essere pari a 97%, mentre quella del generatore che supera 100 MVA può essere pari a circa 99.6%.
Può lo stesso trasformatore essere utilizzato sia come elevatore che come riduttore?
Certamente, dal punto di vista elettrico, gli avvolgimenti possono essere intercambiabili, ma l'intervallo di derivazione, il gruppo vettoriale e il design di protezione sono impostati per il funzionamento in una sola direzione. Anche se è possibile far funzionare l'unità di distribuzione in modo inverso (attivando il lato a 0,4 kV), è praticabile solo a una potenza ridotta ed è consigliabile uno studio ingegneristico dell'unità prima di considerare questa opzione.
Riferimenti
- IEC — Commissione Elettrotecnica Internazionale — editore della serie di trasformatori di potenza IEC 60076 che governa design e test.
- IEEE — fonte di norme sui trasformatori e pratiche operative, inclusa la serie IEEE C57 per trasformatori di potenza e distribuzione.
- NEMA — norme per apparecchiature elettriche nordamericane, inclusi i rating e l'efficienza dei trasformatori.
- Amministrazione dell'energia degli Stati Uniti — dati pubblici sull'uso energetico dei trasformatori e sull'efficienza della trasmissione.
- U.S. DOE — Programmi di efficienza dei trasformatori — indicazioni sulla valutazione delle perdite e sulla selezione di trasformatori ad alta efficienza energetica.
- Electrical4U — riferimenti educativi sulla legge di Faraday, sul rapporto del trasformatore e sulla teoria dell'induzione.
Conclusione
Il funzionamento del trasformatore si basa sul principio di una sofisticata teoria dell'induzione elettromagnetica — questo è un concetto applicabile nel dominio della generazione di energia. La legge di Faraday informa sui rapporti di avvolgimenti, sulle equazioni di tensione e sulle dipendenze di corrente; successivamente, tutto il resto è semplicemente l'interpretazione ingegneristica della teoria fisica. È essenziale verificare il rapporto del trasformatore in base ai requisiti della rete, alla domanda di potenza effettiva del carico e alle perdite stimate. Quando si decide di acquistare un trasformatore, la migliore idea è optare per quello fabbricato secondo le norme IEC 60076 con la relativa prova di test. Visita www.subian-electric.com con i dettagli di tensione e carico, e il team ingegneristico della fabbrica ti aiuterà a dimensionare il trasformatore corretto per il tuo sito.