Costruzione di un Trasformatore

Costruzione del trasformatore e componenti chiave

Un trasformatore è composto principalmente da un circuito magnetico, un circuito elettrico, un circuito dielettrico, una vasca e componenti ausiliari. I suoi elementi principali sono le avvolgimenti primario/secondario e un nucleo in acciaio, con il nucleo costruito in acciaio silicio per formare un percorso magnetico continuo. I nuclei dei trasformatori sono solitamente stratificati per minimizzare le perdite per correnti di fuga.

Circuito magnetico

Il circuito magnetico è costituito dal nucleo e dalla barra di giunzione, fornendo un percorso per il flusso magnetico. Presenta un nucleo in acciaio stratificato con due spire isolate (primaria e secondaria), entrambe isolate tra loro e dal nucleo.

• Materiale del nucleo: Lamiere in acciaio o acciaio silicio, scelte per le loro basse perdite di isteresi a densità di flusso standard.

• Termini strutturali:

• Rampe: Sezioni verticali dove sono avvolte le spire.

• Barra di giunzione: Sezioni orizzontali che collegano le rampe per completare il percorso magnetico.

Circuito elettrico

Il circuito elettrico comprende gli avvolgimenti primario e secondario, solitamente realizzati in rame:

• Tipi di conduttori:

• Conduttori a sezione rettangolare: Utilizzati per gli avvolgimenti a bassa tensione e per quelli ad alta tensione nei trasformatori grandi.

• Conduttori a sezione circolare: Utilizzati negli avvolgimenti ad alta tensione dei piccoli trasformatori.

I trasformatori sono classificati in base alla costruzione del nucleo e al posizionamento degli avvolgimenti:

Costruzione del trasformatore a nucleo

Nella costruzione del trasformatore a nucleo, il nucleo è formato stratificando strutture a cornice rettangolare. Le lamine sono solitamente tagliate in strisce a forma di L, come illustrato nella figura sottostante. Per minimizzare la riluttanza magnetica alle giunzioni delle lamine, i livelli alternati sono disposti in un pattern a spina, eliminando le linee di giunzione continue e assicurando un percorso magnetico uniforme.

Gli avvolgimenti primario e secondario sono intercalati per minimizzare il flusso di fuga, con metà di ciascun avvolgimento disposto affiancati o concentricamente su ciascuna rampa del nucleo. Durante la disposizione, viene inserita l'isolazione in bachelite tra il nucleo e l'avvolgimento a bassa tensione (LV), tra LV e l'avvolgimento ad alta tensione (HV), tra le spire e la barra di giunzione, e tra la rampa HV e la barra di giunzione, come illustrato nella figura sottostante. L'avvolgimento a bassa tensione è posizionato più vicino al nucleo per ridurre i requisiti di isolamento, ottimizzando sia l'efficienza dei materiali che la sicurezza elettrica.

Costruzione del trasformatore a guscio

In un trasformatore a guscio, le singole lamine sono tagliate in lunghe strisce a forma di E e I (come mostrato nella figura sottostante), formando due circuiti magnetici con un nucleo a tre rampe. La rampa centrale, doppia della larghezza delle rampe esterne, trasporta il flusso magnetico totale, mentre ciascuna rampa esterna conduce metà del flusso, ottimizzando l'efficienza magnetica e minimizzando il flusso di fuga.

Progettazione del trasformatore a guscio e componenti del trasformatore

Struttura degli avvolgimenti e del nucleo del trasformatore a guscio

Il flusso di fuga nei trasformatori a guscio è minimizzato suddividendo gli avvolgimenti, riducendo la reattività. Gli avvolgimenti primario e secondario sono collocati sulla rampa centrale: l'avvolgimento a bassa tensione (LV) si trova adiacente al nucleo, con l'avvolgimento ad alta tensione (HV) avvolto intorno ad esso. Per ridurre i costi di laminazione, gli avvolgimenti sono preformati in forme cilindriche, con le lamine del nucleo inserite successivamente.

Circuito dielettrico

Il circuito dielettrico comprende materiali isolanti che separano le parti conduttive. Le lamine del nucleo (spesse 0,35-0,5 mm per i sistemi a 50 Hz) sono ricoperte di vernice o di uno strato di ossido per minimizzare le perdite per correnti di fuga e garantire l'isolamento elettrico tra i livelli.

Vasche e accessori

Serbatoio di conservazione

Un serbatoio cilindrico montato sul tetto della vasca principale del trasformatore, il serbatoio di conservazione agisce come riserva di olio isolante. Accoglie l'espansione dell'olio durante l'operazione a pieno carico, prevenendo l'aumento della pressione con le variazioni di temperatura.

Respiratore

Funzionando come il "cuore" del trasformatore, il respiratore regola l'ingresso d'aria durante l'espansione/contrazione dell'olio. Il gel di silice all'interno assorbe l'umidità dall'aria entrante, preservando la qualità dell'olio: il gel fresco blu diventa rosa quando si satura, con il gel asciutto in grado di abbassare i punti di rugiada dell'aria sotto i -40°C.

Valvola antiesplosiva

Un tubo sottile in alluminio installato su entrambi i lati del trasformatore, la valvola antiesplosiva allevia la pressione interna eccessiva causata da repentini aumenti di temperatura, proteggendo il trasformatore dai danni.

Radiatore

Unità radiatore staccabili raffreddano l'olio del trasformatore tramite convezione naturale: l'olio riscaldato sale nel radiatore, si raffredda e ritorna nella vasca attraverso valvole, mantenendo un ciclo di raffreddamento continuo.

Bocchette

Dispositivi isolanti che permettono ai conduttori elettrici di passare attraverso la vasca, le bocchette resistono ai campi ad alta tensione. I piccoli trasformatori utilizzano bocchette in porcellana solida, mentre le unità grandi impiegano bocchette a condensatore riempite d'olio. L'infiltrazione di umidità è la modalità di guasto principale, rilevabile tramite test del fattore di potenza (ad esempio, il test Doble Power Factor) che monitorano la degradazione dell'isolamento.