13
Trasformatore trifase
Il trasformatore trifase viene realizzato in generale disponendo su di un
nucleo apposito tre coppie di bobine, destinate a realizzare gli avvolgimenti
primario e secondario di ciascuna fase.
La struttura del nucleo risponde quindi a questa esigenza, rendendo disponibili tre colonne uguali sulle quali collocare le bobine (FIGURA 1).
La disposizione dell’avvolgimento è, per piccole macchine, del tipo a bobine sovrapposte, con l’avvolgimento di alta tensione generalmente nella
posizione interna (quella più vicina al nucleo), in modo da favorire il raffreddamento dell’avvolgimento di bassa tensione, dove circola la corrente
più elevata. Quest’ultimo inoltre è montato all’esterno per ottenere un migliore contatto con il fluido raffreddante (aria o olio minerale).
FIGURA 1 Trasformato-
re trifase con nucleo a
colonne.
Per macchine ad alta tensione si preferisce la soluzione opposta (l’avvolgimento a minor tensione viene quindi a trovarsi più vicino al nucleo), per
ridurre i problemi di isolamento verso massa.
La FIGURA 2 riporta due esempi di configurazione dei lamierini per nuclei
trifase.
nucleo a tre colonne
giogo
superiore
colonna
finestra
nucleo a cinque colonne (corazzato)
colonna
centrale
colonna
laterale
giogo
inferiore
FIGURA 2 Esempio di nuclei per trasformatori trifase.
Il primo caso di FIGURA 2 è quello più comunemente usato per macchine di
piccola e media potenza, generalmente con raffreddamento in aria libera
o forzata; lo si preferisce soprattutto per motivi di economicità, anche se
presenta due difetti principali.
1)I flussi dispersi (e quindi le relative reattanze di dispersione), pur mode-
sti, sono presenti nelle colonne laterali dove il nucleo non li può raccogliere convenientemente.
2)Le correnti di magnetizzazione non sono uguali per le colonne laterali
Questo file costituisce un approfondimento online dei corsi di elettrotecnica ed elettronica
di Stefano Mirandola - © 2012 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6126]
1
rispetto a quella centrale, con l’effetto di una dissimmetria dei flussi attivi e delle correnti a vuoto.
Il secondo caso di FIGURA 2 riduce questi problemi, a fronte di un maggiore
ingombro e di un costo sensibilmente superiore; trova applicazione solo
in quei casi in cui un piccolo guadagno di rendimento si misura in elevati guadagni in termini di energia non perduta ma fornita all’utenza. In
pratica si usano solo nelle centrali di distribuzione e trasformazione con
potenze superiori a 500 MVA.
Le colonne laterali e i gioghi hanno una larghezza minore di quelle centrali, dove si ha la composizione dei flussi di due colonne contigue, e questo
consente un certo risparmio di materiale e una riduzione dell’ingombro
verticale della macchina.
Come osservato in precedenza, le bobine si realizzano prevalentemente
ad avvolgimenti sovrapposti, secondo il modello di FIGURA 3, oppure, per
macchine di grande potenza, ad avvolgimenti alternati. Questa soluzione si
ottiene suddividendo ogni avvolgimento in bobine di dimensione ridotta
e impilando queste ultime nella colonna, secondo lo schema di FIGURA 4.
avvolgimento interno
FIGURA 3 Bobina
strato isolante
avvolgimento esterno
ad avvolgimenti
sovrapposti.
rocchetto di supporto
FIGURA 4 Avvolgimento
a bobine alternate
avvolgimento
alta tensione
avvolgimento
bassa tensione
rocchetto di supporto
13.1
Collegamenti delle fasi
La principale differenza tra il trifase e il monofase è ovviamente il fatto che
nella macchina trifase occorre effettuare il collegamento delle fasi primarie
e secondarie secondo i modelli noti dall’elettrotecnica per i circuiti trifase.
Indicheremo con:
•N1 il numero delle spire di ogni bobina dell’avvolgimento primario;
•N2 il numero delle spire di ogni bobina dell’avvolgimento secondario;
Questo file costituisce un approfondimento online dei corsi di elettrotecnica ed elettronica
di Stefano Mirandola - © 2012 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6126]
2
•Y la tipologia di collegamento delle fasi a stella;
•D (oppure Δ) la tipologia di collegamento delle fasi a triangolo.
A seconda del tipo di collegamento possiamo avere varie combinazioni relative al rapporto di trasformazione, inteso come rapporto tra la tensione di
linea in entrata e quella di linea in uscita:
k=
V10
V20
(7.43)
Collegamento stella-stella (Y/y 0) (FIGURA 5)
C
A V B
10
A
E1
E1
O
centro stella
primario
A' V B'
20
A
O
E3
C'
V10
E2
C
B
A'
E1'
E3'
O'
centro stella
secondario
V10
C'
E1'
V
O' 20
B'
E 2'
B
α=0
A'
V20
B'
FIGURA 5 Collegamento
stella-stella.
In questo primo caso si vede che il rapporto tra le tensioni di uscita V può
essere calcolato attraverso i valori delle E che si producono nelle bobine per
effetto del flusso ΦM:
V10 = E1 3
V20 = E' 3
Ma dato che:
E1 = 4,44 ⋅ f ⋅ ΦΜ ⋅ N1
E2 = 4,44 ⋅ f ⋅ ΦΜ ⋅ N 2
il rapporto di trasformazione diventa allora:
k=
N1
N2
Ig =
α
30
(7.44)
Nei trasformatori trifase esiste un altro parametro molto importante di cui
occorre tenere conto, l’indice di gruppo.
Il gruppo del TRS si definisce come il rapporto tra l’angolo di sfasamento
della tensione primaria e la corrispondente tensione secondaria diviso per 30:
(7.45)
Questo file costituisce un approfondimento online dei corsi di elettrotecnica ed elettronica
di Stefano Mirandola - © 2012 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6126]
3
Nel caso di collegamento stella-stella, lo sfasamento tra le V è nullo per cui
questo collegamento è di gruppo zero:
0
=0
30
Per cui, come indicato inizialmente, questo collegamento è denominato
Y/y 0 (stella-stella gruppo zero).
Ig =
Collegamento stella-stella contro avvolta (Y/y 6) (FIGURA 6)
C
A V B
10
A
FIGURA 6 Collegamento
B'
stella-stella contro avvolta.
V20
E1
E1
O
centro stella
primario
O
E3
V10
α = 180°
A'
A
E2
V10
C
O'
B
E1'
V20
E 2'
B'
E1'
A'
B'
C'
centro stella
secondario
V20
C'
B
O'
E3'
A'
L’unica differenza rispetto al caso precedente riguarda il gruppo: l’angolo
tra le tensioni V è ora di 180°, essendo le tensioni in direzione opposta,
come si vede dalla FIGURA 6; per cui:
180
Ig =
=6
30
Mentre il rapporto di trasformazione rimane quello del caso precedente:
k=
N1
N2
Collegamento stella-triangolo (Y/d 5) (FIGURA 7)
C
A V B
10
A
stella-triangolo.
V20
E1
E1
O
centro stella
primario
A' V B'
20
O'
E3
A'
A
V10
α = 150°
E2
V10
C'
C
B
E3'
E1'
FIGURA 7 Collegamento
B'
A'
O
C'
E1'
E 2'
V20
B
B'
Questo file costituisce un approfondimento online dei corsi di elettrotecnica ed elettronica
di Stefano Mirandola - © 2012 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6126]
4
Per calcolare il rapporto di trasformazione occorre tener conto del fatto
che le tensioni V si ottengono dalle corrispondenti E (indotte nelle bobine), per cui la tensione al primario è V = E ⋅ 3 , mentre ai morsetti del
secondario figura direttamente la tensione E’ indotta sulle bobine secondarie, con la quale si costruisce il triangolo delle tensioni di uscita.
Il rapporto di trasformazione tra le omologhe tensioni sarà allora:
k=
3 ⋅ (4,44 ⋅ f ⋅ ΦM ⋅ N1 )
N
= 3⋅ 1
4,44 ⋅ f ⋅ ΦM ⋅ N 2
N2
L’angolo di sfasamento tra V10 primaria e V10’ secondaria sarà allora, come
si vede dal diagramma, di 150°, a cui corrisponde il seguente indice di
gruppo:
150
Ig =
=5
30
Procedendo in modo analogo è possibile individuare sia i rapporti di trasformazione corrispondenti a ciascuna coppia di collegamenti realizzabili
sia il relativo gruppo di appartenenza.
La TABELLA 1 contiene i rapporti di trasformazione caratteristici e i relativi
gruppi di appartenenza per le configurazioni più importanti e di più frequente impiego. Esiste peraltro un ulteriore collegamento, denominato a
«zig-zag», di notevole interesse soprattutto nell’ambito dei grandi trasformatori di distribuzione per impianti di produzione dell’energia.
Vedremo in seguito che è possibile collegare in parallelo trasformatori trifase solo se appartenenti allo stesso gruppo, onde evitare sfasamenti tra le
tensioni secondarie destinate all’alimentazione dei carichi.
Tipo di collegamento
Rapporto di
trasformazione
stella-stella
(Yy 0)
K=
stella-stella contro avvolta
(Yy 6)
K=
triangolo-triangolo
(Dd 0)
K=
triangolo-triangolo contro avvolto
(Dd 6)
K=
triangolo-stella
(Dy 5)
K=
triangolo-stella contro avvolta
(Dy 11)
K=
Gruppo di
appartenenza
N1
0
N2
N1
6
N2
N1
0
N2
N1
6
N2
N1
√3 · N2
N1
√3 · N2
stella-triangolo
(Yd 5)
K = √3 ·
stella-triangolo contro avvolto
(Yd 11)
K = √3 ·
N1
N2
N1
N2
5
11
5
11
TABELLA 1 Rapporti di trasformazione e gruppi per trasformatori trifase.
Questo file costituisce un approfondimento online dei corsi di elettrotecnica ed elettronica
di Stefano Mirandola - © 2012 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6126]
5
