L'anno scorso ho aiutato una fabbrica a sostituire un trasformatore. Il responsabile ha detto con sicurezza: "Il nostro carico non è grande, 200kVA sono sufficienti". Due mesi dopo, nei giorni più caldi dell'estate, la custodia del trasformatore era troppo calda per essere toccata e l'indicatore della temperatura dell'olio superava la linea di allarme di 85 gradi. Abbiamo controllato: nel corso degli anni avevano aggiunto apparecchiature in silenzio e il carico effettivo era già ben superiore alla potenza nominale del trasformatore. Acquistarne una più grande significava che la vecchia fondazione non avrebbe funzionato e che i lavori civili sarebbero costati un sacco di soldi.
Dimensionare un trasformatore sembra semplice, ma non lo è. La maggior parte delle persone guarda solo alla capacità e ignora la tensione, le perdite, il tipo di installazione e l'alimentatore ausiliario corrispondente. Ecco alcune cose che ho imparato trascorrendo del tempo sul posto.
La capacità nominale non è "più grande è meglio", ma troppo piccola è un disastro. La capacità del trasformatore è in kVA, non in kW. Molte persone confondono potenza attiva e reattiva. Un trasformatore da 1000kVA con fattore di potenza 0,9 può fornire 900kW; con fattore di potenza 0,8, solo 800 kW. Prima di scegliere una capacità, calcola il carico reale, quindi aggiungi il margine. In genere si mira a un carico compreso tra il 65% e il 75%. Al di sotto del 50% per un lungo periodo, le perdite a vuoto consumano troppa energia; superiore all'85% per lunghi periodi, il margine di sovraccarico è sottile e il caldo estivo può ucciderlo. Per gli impianti industriali, aggiungere dal 20% al 30% per la futura espansione nei prossimi tre-cinque anni.
La classe di tensione dipende dalla rete di alimentazione e dal lato carico. Le tensioni primarie comuni sono 10kV, 35kV, 110kV; il secondario è solitamente 0,4 kV (380 V/220 V). I progetti stranieri a volte utilizzano 13,8 kV, 24 kV, 33 kV. Confermare sempre la tensione e la frequenza nominali della rete locale. La Cina usa 50Hz; alcuni paesi utilizzano 60 Hz: un trasformatore non può gestirli entrambi. Controllare anche l'intervallo di maschiatura. I commutatori a vuoto sono generalmente ±2×2,5%; i commutatori sotto carico offrono una gamma più ampia. Se la tensione oscilla molto, scegliere la commutazione della presa sotto carico.
Le perdite sono perdite a vuoto e perdite a carico: è qui che si registrano i costi a lungo termine. Un trasformatore economico potrebbe bruciare in cinque anni molta più elettricità della differenza di prezzo. La perdita a vuoto (perdita del nucleo) dipende dal materiale e dal design del nucleo. I nuclei in metallo amorfo riducono le perdite a vuoto di circa il 70% rispetto all'acciaio al silicio, ma costano di più. La perdita di carico (perdita di rame) dipende dalla resistenza dell'avvolgimento. Gli avvolgimenti in rame danno perdite inferiori rispetto all'alluminio, ma sono più pesanti. Gli standard nazionali ora spingono i trasformatori di efficienza Tier-1 e Tier-2. Costano di più in anticipo, ma il risparmio energetico di solito viene ripagato in tre anni. Se il trasformatore funziona per la maggior parte del tempo con carichi pesanti, dare priorità alla perdita di carico. Se il carico è leggero per la maggior parte del tempo, dai priorità alla perdita a vuoto.
Il tipo di installazione e l'ambiente determinano la costruzione. I trasformatori immersi in olio (S11, S13, S20, ecc.) sono più economici, disperdono bene il calore e hanno una buona capacità di sovraccarico, ma necessitano di protezione antincendio e sono adatti per sottostazioni esterne. I trasformatori a secco (SCB10, SCB12, SCB14, ecc.) sono ignifughi e possono essere installati all'interno di officine o cabine elettriche, ma costano di più e sono più rumorosi. Nelle zone costiere o negli impianti chimici soggetti a forte corrosione, scegli custodie in acciaio inossidabile o rivestimenti speciali. Ad altitudini elevate (sopra i 1.000 m), declassare il trasformatore di circa l'1‑2% per ogni 1.000 m in più, oppure scegliere un'unità di tipo "altopiano".
I dispositivi di protezione devono essere scelti insieme al trasformatore. Sul lato primario sono necessari fusibili o un interruttore automatico. Il dimensionamento dei fusibili di caduta deve corrispondere alla capacità del trasformatore e alla corrente di cortocircuito. Per i trasformatori inferiori a 100 kVA, scegliere un fusibile con valore nominale pari a 2-3 volte la corrente a pieno carico; per 100 kVA e oltre, 1,5‑2 volte. Un valore nominale del fusibile troppo alto e un guasto secondario non farà bruciare il fusibile primario: il trasformatore può bruciarsi. Troppo basso e la corrente di spunto la farà saltare ogni volta che si energizza. Anche sul lato primario sono necessari scaricatori di sovratensione per la protezione contro i fulmini. Scegliere uno scaricatore all'ossido di metallo classificato per la tensione massima del sistema e assicurarsi che la resistenza di terra sia buona. Sul lato secondario sono tipici un interruttore automatico scatolato e un limitatore di sovratensione.
Il metodo di raffreddamento e la protezione dell'ingresso dipendono dal sito. Per il tipo a secco per interni, il raffreddamento ad aria forzata (AF) offre una maggiore capacità di sovraccarico a breve termine. Per gli ambienti esterni riempiti d'olio, l'olio naturale aria naturale (ONAN) è generalmente sufficiente; se il carico è pesante, utilizzare olio naturale ad aria forzata (ONAF). Protezione ingresso: IP54 per esterni (polvere e getti d'acqua), IP20 o IP30 per interni. L'ingresso/uscita dei cavi può essere superiore, inferiore o laterale. Conferma prima di ordinare, altrimenti riceverai un'unità che non si connette.
Un altro punto facile da trascurare: tensione di impedenza e capacità di resistenza al cortocircuito. La tensione di impedenza (Uk%) influisce sulla corrente di cortocircuito e sulla regolazione della tensione. Per i trasformatori di distribuzione, Uk% è solitamente del 4% o 6%. Se la capacità di cortocircuito del sistema è elevata, scegliere un trasformatore ad alta impedenza per limitare la corrente di guasto, altrimenti il quadro a valle potrebbe non essere in grado di interromperla. Prima della consegna, verificare che i valori nominali di resistenza dinamica e termica (corrente di tenuta di picco e corrente di tenuta di breve durata) soddisfino i requisiti del sistema.
Informazioni sulla targa e problemi di sostituzione. Quando si sostituisce un vecchio trasformatore, la cosa peggiore è acquistarne uno che non si adatta. Misurare la distanza da centro a centro dei bulloni della base, la posizione e l'altezza delle boccole primarie/secondarie e le dimensioni complessive. Invia tutti i numeri al produttore e verifica che si tratterà di una sostituzione diretta. Altrimenti modificherai le fondamenta a caro prezzo. Controlla anche i vecchi fusibili e gli scaricatori di sovratensione sul trasformatore: potrebbe essere necessario sostituirli allo stesso tempo. È meglio scegliere prodotti corrispondenti della stessa marca, in modo che le dimensioni siano allineate.
Quindi ecco la conclusione: dimensionare un trasformatore non significa solo scegliere un numero di kVA. Tensione, perdite, tipo di installazione e fusibili di caduta e scaricatori di sovratensione corrispondenti: se uno di questi è disattivato, seguiranno dei problemi. Raccogli i parametri di rete del sito, il profilo di carico, l'ambiente, il budget e la durata di servizio prevista, quindi consegna i dati a un produttore professionista per preventivi e confronti. È così che ottieni quello giusto.