L’alimentazione di carichi elettrici non lineari può creare problemi termici e meccanici ai trasformatori di potenza. Le armoniche di corrente, infatti, sono causa di perdite aggiuntive negli avvolgimenti e vibrazioni. Queste problematiche possono portare a malfunzionamenti e/o ad una riduzione della durata di vita attesa del trasformatore.
Ad esempio, il funzionamento continuativo di un trasformatore a 10 °C al di sopra della sua classe di isolamento porta ad una riduzione della sua durata di vita di circa il 50%.
L’isolamento del trasformatore è infatti sensibile all’eccessiva temperatura, poiché può perdere le sue caratteristiche fisiche portando, nella peggiore delle ipotesi, al corto circuito tra le spire o verso massa e quindi al fuori servizio.
Per alimentare in tutta sicurezza un carico con una o più utenze non lineari, bisogna progettare iI trasformatore in modo opportuno: il fattore K è un indice utilizzato per definirne la capacità di alimentare un carico più o meno pesantemente non lineare, evitando un riscaldamento eccessivo e garantendo continuità di servizio.
Ecco la definizione per il fattore K fornita dal IEEE Std. C57.110-2008 (“IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capacity When Supplying Nonsinusoidal Load Currents”): “è una caratterizzazione applicata facoltativamente a un trasformatore da parte del suo costruttore, e ne indica l’idoneità all’uso con carichi che assorbono correnti non sinusoidali”.
Tanto più è elevato il fattore K di un trasformatore, tanto più quel trasformatore è robusto nei confronti dei carichi non lineari.
Nella letteratura tecnica esistono diverse formule per calcolare il fattore K partendo dallo spettro armonico di una corrente; qui ne proponiamo una semplificata:
Dove:
- I è la corrente efficace
- n è l’ordine di armonicità
- In è il valore efficace della corrente armonica di ordine n
Esempio di calcolo
Il carico da alimentare ha una corrente con valore efficace di 110A ed il seguente contenuto armonico:
- 100A a frequenza di rete
- 40A di 5° armonica
- 22A di 7° armonica
- 5A di 11° armonica
- 3A di 13a armonica
La formula ci dice che per determinare il fattore K di un trasformatore che deve alimentare un determinato carico bisogna conoscerne il contenuto armonico, e quindi si deve eseguire una misura con uno strumento in grado di offrire come risultato almeno il valore efficace della corrente ed il suo spettro armonico.
Gli analizzatori di rete più completi sono in grado di indicare direttamente a schermo il fattore K della corrente che si sta misurando, come si può vedere dalla seguente immagine:
A sinistra si vede una corrente con già calcolato fattore K di 8,2; a destra una corrente, quasi sinusoidale, con fattore K di 1,6.
Una volta noto il fattore K del carico che si deve alimentare, deve essere scelto un trasformatore con fattore K uguale o superiore a quello del carico.
È più economico e sicuro acquistare un trasformatore a fattore K che utilizzare un trasformatore “normale” sovradimensionato e opportunamente declassato (spesso il declassamento di un trasformatore standard viene fatto “approssimativamente” dal costruttore, con il rischio che la stima sia sbagliata).
I trasformatori “normali” adatti ad alimentare carichi perfettamente sinusoidali hanno, implicitamente, fattore K=1.
I valori del fattore K standardizzati dai costruttori di trasformatori sono: 4, 9, 13, 20, 30, 40 e 50.
In assenza di informazioni o misurazioni, è possibile utilizzare la seguente regola empirica in funzione della composizione della potenza totale del carico:
- 100% apparecchiature lineari : trafo standard (K-1)
- 75% apparecchiature lineari, 25% non lineari: trafo con K-4
- 50% apparecchiature lineari, 50% non lineari: trafo con K-9
- 25% apparecchiature lineari, 75% non lineari: trafo con K-13
- 100% apparecchiature non lineari: trafo con K-20
Nella letteratura tecnica esistono anche delle indicazioni per il fattore K da preferire in funzione della tipologia dell’applicazione, in assenza di misure o altri dati:
- K = 1 per forni a resistenza, motori, apparecchiature lineari
- K = 4 per saldatrici, forni ad induzione, ups
- K = 13 per applicazioni in ambito telecomunicazioni
- K = 20 per data center, azionamenti a velocità variabile
- K = 30/40/50 per applicazioni speciali, con carico armonico particolarmente pesante e con armoniche di rango elevato. In questo caso è consigliabile effettuare campagne di misura con strumenti particolarmente precisi e sensibili, e dialogare con il costruttore del trafo
Occorre ricordare che un trasformatore K non annulla le armoniche presenti nel sistema (fatte salve la terza e le sue multiple), ma è in grado di tollerarne gli effetti. Al fine di eliminare o ridurre il contenuto armonico, è necessario predisporre opportuni sistemi di filtraggio.
ORTEA SpA produce una gamma di trasformatori di isolamento bt/bt standard con fattore K fino a 20 (consultabile scaricando il catalogo dal nostro sito a questo link) ma è in grado di soddisfare qualsiasi esigenza specifica.
Funzionamento con classi di temperatura richiesta (H standard, B, F fino a classe 220°C), avvolgimenti multipli, prese di regolazione, gruppo vettoriale di collegamento, terminali di collegamento secondo richiesta, sono solo alcuni esempi di necessità che possono trovare risposta.
I trasformatori possono essere a giorno o alloggiati in cabina con grado di protezione standard IP21.
Altri gradi di protezione sono realizzabili su richiesta.
Su richiesta, i trasformatori possono essere completati con accessori quali:
- schermo multiplo per accentuare la protezione
- scaricatori di sovratensione per un’efficace dispersione a terra di picchi di tensione e fulmini
- interruttori automatici a protezione del carico
- controllori dell’isolamento
- termocoppie (PT100) e centralina di controllo della temperatura con e senza comunicazione.
La produzione di trasformatori prevede avvolgimenti in rame o alluminio (secondo la potenza nominale e l’ottimizzazione economica del progetto) e nucleo magnetico realizzato con lamierini di basso spessore per la riduzione delle perdite.
Il materiale isolante utilizzato per l’isolamento principale verso il nucleo e per l’isolamento all’interno degli avvolgimenti è scelto sulla base della classe di isolamento richiesta.
L’assieme, solidamente assemblato e bloccato tramite piastre e tiranti è impregnato in resina poliestere a basso impatto ambientale. Il procedimento di impregnazione sotto vuoto e la successiva polimerizzazione in forno consentono il consolidamento dell’assieme e il raggiungimento della classe di isolamento desiderata.
Per garantire la piena rispondenza ai requisiti del Cliente e alle normative di riferimento (EN 60076), il processo produttivo prevede frequenti controlli intermedi e il collaudo elettrico sulla totalità dei pezzi prodotti.