Avvolgimenti del trasformatore: Nastro di rame vs filo tondo

Nella produzione di trasformatori, la scelta del materiale degli avvolgimenti e della forma della sezione trasversale influisce direttamente sulle prestazioni elettriche, sulla resistenza meccanica e sul costo di produzione del trasformatore. Gli avvolgimenti in nastro di rame (avvolgimenti a foglio) e gli avvolgimenti in filo tondo presentano ciascuno vantaggi, svantaggi e applicazioni specifiche distinti.

Di seguito è riportato un confronto fondamentale tra i due:

1. Struttura e capacità di resistenza ai cortocircuiti (Differenza fondamentale)

• Avvolgimento in nastro di rame: Utilizza fogli o nastri di rame a piena larghezza avvolti strato su strato come un rotolo di carta (tipicamente una spira per strato). Questa struttura elimina l'angolo di spirale assiale. Durante un cortocircuito esterno, non viene generata praticamente alcuna forza elettromagnetica assiale, risultando in una distribuzione uniforme dello stress sull'avvolgimento e una resistenza meccanica ai cortocircuiti eccezionalmente elevata.

• Avvolgimento in filo tondo: Il filo è avvolto in una configurazione a spirale. Durante un cortocircuito, vengono generate significative forze elettromagnetiche radiali e assiali, che possono facilmente causare scorrimento inter-spira, danni all'isolamento o deformazione dell'avvolgimento. La capacità di resistenza ai cortocircuiti è relativamente più debole e si affida a processi di bloccaggio e indurimento dell'isolamento per migliorare la resistenza.

2. Utilizzo dello spazio (Fattore di riempimento)

• Avvolgimento in nastro di rame: La struttura a nastro si adatta completamente senza spazi tra gli strati, offrendo un fattore di riempimento estremamente elevato. Ciò consente un volume del trasformatore più compatto a parità di area della sezione trasversale.

• Avvolgimento in filo tondo: La sezione trasversale circolare crea inevitabilmente spazi geometrici quando impilata, risultando in un fattore di riempimento inferiore. Per ottenere la stessa area della sezione trasversale conduttiva, è tipicamente richiesto uno spazio apparente maggiore.

3. Prestazioni elettriche e perdite

• Avvolgimento in nastro di rame:

  • Vantaggio (Resistenza agli impulsi): L'elevata capacità inter-strato garantisce una distribuzione della tensione iniziale molto uniforme quando sottoposta a sovratensioni transitorie come gli impulsi di fulmine, fornendo una forte capacità di resistenza alla tensione d'impulso.

  • Svantaggio (Correnti parassite): A causa dell'ampio nastro di rame, le estremità superiore e inferiore dell'avvolgimento sono suscettibili al flusso magnetico disperso (flusso trasversale), che genera perdite localizzate per correnti parassite alle estremità (effetto di estremità).

• Avvolgimento in filo tondo:

  • Vantaggio (Controllo delle perdite): Le ulteriori perdite per correnti parassite causate dal flusso disperso all'interno della sezione trasversale più piccola del filo tondo sono relativamente basse.

  • Svantaggio (Capacitanza): La capacitanza inter-spira e inter-strato è piccola, risultando in una distribuzione della tensione d'impulso non uniforme all'inizio dell'avvolgimento, che può facilmente produrre una sollecitazione di tensione inter-spira estremamente elevata. Quando è richiesta un'elevata capacità di corrente, un singolo filo tondo diventa troppo spesso e soffre dell'effetto pelle, rendendo tipicamente necessario l'uso di più trefoli sottili in parallelo.

4. Dissipazione del calore e aumento di temperatura

• Avvolgimento in nastro di rame: L'eccellente conduttività termica assiale consente al calore di essere condotto lungo il nastro di rame verso le estremità dell'avvolgimento per la dissipazione. Tuttavia, nella direzione radiale (spessore), gli strati di carta isolante o resina creano una significativa resistenza termica, ostacolando il trasferimento di calore interno verso l'esterno.

• Avvolgimento in filo tondo: Gli spazi tra i fili formano naturalmente canali di raffreddamento sottili, consentendo all'olio isolante o all'aria di penetrare più facilmente all'interno dell'avvolgimento, rendendo la dissipazione del calore per convezione radiale relativamente più efficiente.

5. Processo di produzione

• Avvolgimento in nastro di rame: Richiede macchine avvolgitrici per nastri specializzate con un alto grado di automazione e un'efficienza di produzione estremamente rapida, ma l'investimento iniziale per le apparecchiature è sostanziale.

• Avvolgimento in filo tondo: Offre processi di avvolgimento flessibili e può essere completato con macchine avvolgitrici standard o anche manualmente, con bassi costi delle apparecchiature. Tuttavia, quando si gestiscono correnti elevate che richiedono "più trefoli in parallelo", sorgono spesso problemi di processo come l'incrocio dei fili, la trasposizione difficile e l'elevato carico di lavoro.

Riepilogo degli scenari applicabili

Conclusioni ingegneristiche

La combinazione strutturale più classica per i moderni trasformatori di distribuzione di piccola e media taglia, in particolare i trasformatori a secco, è: nastro di rame (struttura a lamina) per l'avvolgimento di bassa tensione per gestire correnti elevate e migliorare significativamente la capacità complessiva di tenuta al cortocircuito, e filo tondo (o filo rettangolare) per l'avvolgimento di alta tensione per soddisfare l'elevato numero di spire richiesto ad alte tensioni. Questa combinazione raggiunge l'equilibrio ottimale tra prestazioni elettriche e costi di produzione.

Rockwill aderisce rigorosamente a questa combinazione strutturale classica di avvolgimento di bassa tensione in nastro di rame e avvolgimento di alta tensione in filo tondo. Basandosi su queste fondamenta, impieghiamo processi di avvolgimento CNC di precisione e tecnologia di polimerizzazione mediante impregnazione in pressione sottovuoto (VPI) per garantire che la compattezza dell'avvolgimento, la resistenza meccanica e la capacità di tenuta al cortocircuito superino significativamente gli standard del settore, garantendo un funzionamento stabile a lungo termine dei trasformatori in ambienti ostili.

Modificato da: Echo