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Schema dei componenti principali del trasformatore

Processo di fabbricazione del trasformatore

Nucleo del trasformatore

Il contenuto principale dell'introduzione al nucleo del trasformatore riguarda il taglio, l'impilamento, il fissaggio del nucleo del trasformatore e le più recenti tecnologie di impilamento per ridurre le perdite a vuoto.

2. Nucleo del trasformatore

Il nucleo è il componente base del trasformatore. È costituito da un conduttore magnetico e da un dispositivo di serraggio. Svolge due funzioni: in linea di principio, il conduttore magnetico del nucleo di ferro costituisce il circuito magnetico del trasformatore, che converte l'energia elettrica del circuito primario in energia magnetica, e dalla propria energia magnetica in energia elettrica per il circuito secondario, che funge da mezzo di conversione energetica. Strutturalmente, il nucleo di ferro supporta tutti i componenti interni del trasformatore, come il corpo e i conduttori.

Il nucleo di ferro del trasformatore è una struttura chiusa a forma di telaio. La parte che avvolge l'avvolgimento è chiamata colonna del nucleo. La parte che non avvolge l'avvolgimento e che ha il solo scopo di chiudere il circuito magnetico è chiamata gigante di ferro.

Tipi di nuclei di ferro

In base alla posizione relativa dell'avvolgimento e del nucleo di ferro, quest'ultimo può essere suddiviso in due categorie: a nucleo e a guscio. Per il momento, in questa sede viene presentato solo il nucleo di ferro a cuore. Per i trasformatori monofase, il nucleo di ferro presenta diverse configurazioni strutturali, come ad esempio a due colonne e due colonne, a colonna singola e quattro colonne, e a doppia colonna e quattro colonne.

Per i trasformatori trifase, il nucleo di ferro presenta diverse configurazioni strutturali, come ad esempio a due colonne e due colonne (trifase a tre colonne), a tre colonne e quattro colonne (trifase a cinque colonne). La scelta della struttura del nucleo è determinata da una serie di fattori quali la disposizione ottimale dei vari avvolgimenti, il risparmio di materiale e il rispetto dell'altezza di trasporto. Il bypass consente di ridurre la quinta e la settima onda nel flusso di dispersione e nella corrente di magnetizzazione.

Nastro di acciaio elettrico (lamiera di acciaio al silicio):

Il materiale utilizzato per il conduttore magnetico del nucleo di ferro è una striscia di acciaio elettrico ad alto contenuto di silicio, nota anche come lamiera di acciaio al silicio.

Esistono due tipi di lamiere di acciaio al silicio: laminazione a freddo e laminazione a caldo, di cui le lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo sono suddivise in due tipi: non orientate e orientate-

Le lamiere di acciaio al silicio laminate a caldo presentano scarse proprietà magnetiche: la densità di flusso magnetico può raggiungere solo 1,5 T e le perdite per unità di energia sono troppo elevate, pertanto non vengono più utilizzate. Le lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo a grani orientati, invece, possiedono una direzionalità ben definita, un'elevata densità di flusso magnetico di saturazione, basse perdite per unità di energia e una ridotta capacità di eccitazione per unità di energia, e sono attualmente ampiamente utilizzate.

Lo spessore delle lamiere di acciaio al silicio a grani orientati laminate a freddo presenta diverse specifiche, come 0,35 mm, 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm, ecc. Lo spessore più comunemente utilizzato è 0,3 mm, ma sta diventando sempre più piccolo, e il suo scopo principale è ridurre le perdite trasversali a vuoto.

Attualmente, le principali aree di produzione di lamiere di acciaio al silicio sono Giappone, Europa occidentale, Russia, Corea del Sud e la siderurgia di Wuhan, in Cina.

Le specifiche delle lamiere di acciaio al silicio a grani orientati laminate a freddo sono rappresentate principalmente dallo spessore e dalla perdita unitaria (W/kg) quando la densità di flusso magnetico a 50 Hz è di 1,7 T, ad esempio:

• Lamiera di acciaio al silicio di nuova concezione, realizzata mediante irradiazione laser e tecnologia di incisione meccanica

Tranciatura della lamiera di acciaio al silicio del nucleo del trasformatore:

Quando la lamiera di acciaio al silicio arriva in fabbrica, si presenta sotto forma di bobina con una larghezza di circa 1000 mm. Deve essere tagliata nella forma desiderata mediante apposite cesoie (come ad esempio le cesoie a filo Georger di fabbricazione tedesca). La bava di taglio di ogni lamiera non deve superare 0,02 mm.

Impilamento di nuclei di ferro:

●Poiché l'avvolgimento del trasformatore a nucleo cilindrico è circolare, anche la sezione della colonna del nucleo dovrebbe essere circolare, ma ciò risulta difficile da realizzare e antieconomico; pertanto, viene realizzata a gradini (tipo cilindrico graduato). Ogni gradino forma un rettangolo e il limite esterno si trova sulla stessa circonferenza circoscritta. Il numero di gradini ha un certo limite, che deve essere valutato attentamente in base ai benefici economici.

●Quando i nuclei di ferro vengono impilati, la colonna del nucleo e i pezzi del nucleo di ferro del giogo di ferro vengono sovrapposti alternativamente da uno o più pezzi, in modo che le giunzioni di testa degli strati superiore e inferiore di lamiere di acciaio al silicio siano sfalsate alternativamente e si coprano a vicenda. La corrente di eccitazione e le perdite a vuoto vengono ridotte, migliorando al contempo la resistenza.

Giunto a sovrapposizione del pezzo centrale in ferro:

Attualmente, il nucleo del trasformatore adotta la forma di giunzione completamente obliqua, ovvero la giunzione tra la colonna del nucleo e il giogo di ferro è a 45°. Questa forma di giunzione è perfettamente adatta alle caratteristiche della lamiera di acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità magnetica comunemente utilizzata al momento. Ciò consente di ottenere un circuito magnetico il più uniforme possibile.

·Per i nuclei dei trasformatori di grandi dimensioni con giunzioni a mitra complete, l'impilamento viene generalmente eseguito mediante giunzioni a due stadi. Al fine di migliorare ulteriormente le caratteristiche a vuoto del nucleo del trasformatore, si forma una giunzione multilivello del nucleo, ovvero il nucleo StepLap.

Nel nucleo laminato, le giunzioni delle lamiere di acciaio al silicio sono sfalsate. Quando il flusso magnetico di un determinato elemento incontra l'intercapedine d'aria in corrispondenza della giunzione, la resistenza magnetica dell'intercapedine d'aria è diverse migliaia di volte superiore a quella della lamiera di acciaio al silicio. La maggior parte del flusso passa attraverso le lamiere di acciaio al silicio adiacenti che collegano la giunzione. Il flusso magnetico originale delle lamiere in corrispondenza delle giunzioni di collegamento e i flussi magnetici di collegamento si sovrappongono. La densità può raggiungere la saturazione, per cui le perdite a vuoto e la corrente a vuoto nella zona della giunzione (ovvero, localmente) aumentano bruscamente, con conseguente aumento delle perdite a vuoto complessive.

La laminazione a gradini è una nuova tecnologia adottata quest'anno, in grado di migliorare la densità magnetica della lamiera di acciaio al silicio nella zona di giunzione, riducendo efficacemente le perdite a vuoto e la rumorosità della parte centrale.

Isolamento del nucleo:

L'isolamento del nucleo di ferro ha un impatto diretto sulla qualità del prodotto finale: il nucleo del trasformatore. L'isolamento del nucleo di ferro può essere suddiviso in due parti: l'isolamento tra le lamiere e l'isolamento tra le lamiere e le parti strutturali.

L'isolamento tra i chip si ottiene principalmente attraverso due aspetti: il primo è il rivestimento della superficie del foglio laminato, e il secondo è l'inserimento di uno strato di cartone isolante di un certo spessore in ogni pila durante il processo di impilamento, che funge anche da canale per l'olio di dissipazione del calore.

Nei trasformatori di grande potenza, per dissipare il calore generato nel nucleo di ferro tramite l'olio di trasformazione in circolazione, sono presenti dei condotti di raffreddamento nella colonna del nucleo di ferro e nel giogo. Questi condotti possono essere realizzati con lamiere di acciaio al silicio stampate in piastre ondulate oppure con barre d'acciaio saldate su lamiere di acciaio al silicio. Nei nuclei dei trasformatori con giunti completamente obliqui, per ridurre le perdite, si utilizzano lamelle in materiale non metallico per separare i canali dell'olio.

Messa a terra del nucleo di ferro:

Durante il funzionamento del trasformatore, a causa della diversa posizione del nucleo di ferro e delle sue strutture metalliche nel campo elettrico, si generano potenziali differenti. Quando la differenza di potenziale tra i due punti raggiunge un certo valore, si verifica una scarica. A seguito della scarica, l'olio del trasformatore si decompone o l'isolamento solido si danneggia. Per evitare questo fenomeno, il nucleo di ferro e le sue parti strutturali metalliche devono essere efficacemente messi a terra.

Accessori per nucleo in ferro

Parte II. Avvolgimento del trasformatore

Il contenuto principale della sezione relativa all'avvolgimento del trasformatore è costituito dal filo e dal metodo di avvolgimento del trasformatore stesso.

L'avvolgimento costituisce il circuito elettrico di ingresso e uscita dell'energia elettrica del trasformatore ed è il componente fondamentale del trasformatore stesso. Gli avvolgimenti devono essere progettati per soddisfare i seguenti requisiti di base:

1. Forza elettrica

tensione di tenuta all'impulso di fulmine

Tensione di tenuta all'impulso di funzionamento

Tensione di tenuta alla frequenza di rete

2. resistenza al calore

Considerando il calore generato dalla corrente di esercizio prolungata, la durata utile dell'isolamento della bobina non deve essere inferiore a 20 anni.

Nelle condizioni operative del trasformatore, se si verifica un cortocircuito improvviso a una qualsiasi estremità della linea, l'avvolgimento deve essere in grado di resistere al calore generato dalla corrente di cortocircuito senza subire danni.

3. Resistenza meccanica

tipo di bobina;

La tipologia di bobina viene selezionata principalmente in base alla capacità di rilassamento, come ad esempio la tensione di bobina, e tiene conto anche della rigidità dielettrica, della resistenza meccanica, della dissipazione del calore e della fattibilità del processo produttivo. La scelta della struttura della bobina non è univoca e talvolta esistono diverse forme strutturali tra cui scegliere. Ciò è anche legato alle consuetudini tradizionali dei vari produttori di trasformatori.

Gli avvolgimenti dei trasformatori possono essere suddivisi approssimativamente in due tipi: a strati e a torta. Gli avvolgimenti a perno possono essere suddivisi in tipi strutturali a spirale, continui, aggrovigliati, continui aggrovigliati, continui con schermatura interna e sfalsati.

Filo della bobina:

Il filo per avvolgimenti può essere suddiviso in rame e alluminio a seconda del materiale conduttore, filo tondo e filo piatto a seconda della forma del conduttore, e filo di carta, vernice e vetro a seconda del materiale isolante. I trasformatori di potenza utilizzano solitamente fili piatti in acciaio avvolti in carta.

Il filo d'acciaio piatto rivestito di carta può essere suddiviso in filo rivestito di carta ordinario, filo combinato, filo trasposto e altri tipi. In base alla resistenza alla trazione del filo d'acciaio, può essere suddiviso in filo ordinario (00,≤120Mpa), filo di rame semiduro (120Mpa<00.2≤210Mpa). Tra questi, c'è anche un filo trasposto autoadesivo nel filo trasposto, cioè un singolo filo piatto nel filo trasposto è rivestito con uno strato di resina epossidica (lo spessore del film di vernice su entrambi i lati è

0,06 ± 0,02 mm), lo scopo è quello di unire tutti i piccoli fili dopo che la pellicola di vernice è stata polimerizzata termicamente, in modo da migliorare la resistenza al cortocircuito della bobina. Attualmente, è stato applicato il filo di trasposizione del pacchetto di rete più recente e sono state introdotte in Cina anche le relative linee di produzione per la lavorazione.

I fili per avvolgimenti possono essere suddivisi in rame e alluminio a seconda del materiale conduttore, fili rotondi e fili piatti a seconda della forma del conduttore e fili di carta, vernice e vetro a seconda del materiale isolante. I trasformatori di potenza utilizzano solitamente fili di rame piatti avvolti in carta.

Il filo di rame piatto rivestito di carta può essere suddiviso in filo rivestito di carta ordinario, filo combinato, filo trasposto e altri tipi. In base alla resistenza alla trazione del filo di rame, può essere suddiviso in filo ordinario (02≤120Mpa), filo di rame semiduro (120Mpa<00, ≤210Mpa). Tra questi, esiste anche il filo trasposto autoadesivo, ovvero un singolo filo piatto rivestito con uno strato di resina epossidica (lo spessore del film di vernice su entrambi i lati è di 0,06±0,02 mm), con lo scopo di riscaldare il film di vernice. Dopo la polimerizzazione, tutti i piccoli fili vengono incollati insieme per aumentare la resistenza al cortocircuito della bobina. Attualmente, in Cina è in uso il filo trasposto con involucro di rete di ultima generazione e sono state introdotte le relative linee di produzione per la lavorazione.

Gli avvolgimenti si dividono generalmente in due tipi: a strati e a torta.

Le spire dell'avvolgimento sono disposte e avvolte in modo continuo lungo la direzione assiale, formando un avvolgimento a strati. Ogni strato è simile a un cilindro. Avvolgimento a barilotto.

Le spire dell'avvolgimento sono avvolte in modo continuo in direzione radiale per formare una forma a spicchio (o segmento), e l'avvolgimento composto da molti spezzoni disposti in direzione assiale è chiamato avvolgimento a spicchio. Sono inclusi gli avvolgimenti capacitivi continui, aggrovigliati e inseriti.

Forme di avvolgimento comuni:

Gli avvolgimenti più comuni sono cilindrici, a spirale, continui e aggrovigliati.

L'avvolgimento cilindrico è il tipo più semplice ed è generalmente costituito da uno o più avvolgimenti. Durante l'avvolgimento, si procede con un giro quasi parallelo all'asse del conduttore, in modo simile a una molla a spirale circolare avvolta strettamente. È caratterizzato da un avvolgimento semplice, una buona fattura, una buona dissipazione del calore attraverso i canali dell'olio tra gli strati, ma presenta superfici di appoggio terminali ridotte e una scarsa resistenza meccanica.

L'avvolgimento a spirale è realizzato con filo piatto e le spire non sono ravvicinate, ma separate da una certa distanza (canale dell'olio) con distanziatori isolanti, come una molla a spirale tesa. Il vantaggio è che il processo di avvolgimento è semplice e c'è un canale dell'olio per la dissipazione del calore, ma non è adatto per avvolgimenti con un elevato numero di spire.

Il tipo a spirale è costituito da più fili avvolti in parallelo su una camera d'aria rigida, che possono formare una singola elica, oppure una doppia o quadrupla elica quando il numero di fili paralleli è maggiore. Quando più fili sono collegati in parallelo, è necessario invertirne la direzione di avvolgimento, altrimenti si genererà una corrente circolante a causa della diversa lunghezza dei fili.

L'avvolgimento continuo è composto da uno o più fili piatti che vengono avvolti in modo continuo in una pluralità di segmenti di filo a forma di spicchio su un cilindro isolante o su supporti per fili mediante un processo speciale. I vantaggi sono l'elevata resistenza meccanica e le buone prestazioni di dissipazione del calore. Tuttavia, il processo di avvolgimento è più complesso.

Il collegamento tra il involucro di filo continuo e l'involucro di filo avviene alternativamente all'interno e all'esterno dell'avvolgimento, quindi, purché la lunghezza del filo sia sufficiente, è possibile avvolgerlo in un avvolgimento continuo senza giunzioni di saldatura.

L'avvolgimento capacitivo inserito è formato inserendo un filo (filo schermato) con una capacità longitudinale tra le spire all'interno del lato esterno del panetto di filo per avvolgimento continuo. Il panetto di filo inserito e il numero di spire inserite possono essere determinati in base alla capacità richiesta. Il filo schermato non ha una capacità di lavoro, quindi di solito si utilizzano fili molto sottili.

L'avvolgimento capacitivo inserito adotta un avvolgimento continuo, che può ridurre notevolmente il numero di punti di saldatura rispetto all'avvolgimento aggrovigliato, e il numero di spire del filo di schermatura inserito può essere regolato liberamente, in modo che la capacità longitudinale possa essere regolata secondo necessità. Attualmente, è ampiamente utilizzato negli avvolgimenti dei trasformatori di grandi dimensioni da 110 kV in su.

trasposizione del filo

Quando la corrente del trasformatore è elevata, le spire dell'avvolgimento sono composte da più fili paralleli. Se non si adottano accorgimenti, il filo vicino all'asse centrale risulta corto, mentre quello più lontano dall'asse centrale risulta lungo. A causa della diversa lunghezza e posizione dei fili nel campo magnetico, la resistenza e la reattanza induttiva dei fili si sbilanciano, causando una distribuzione non uniforme della corrente tra i conduttori. Per garantire una distribuzione uniforme della corrente lungo i conduttori e ridurre le perdite aggiuntive, è necessario invertire la posizione dei conduttori paralleli, operazione detta "trasposizione".