Cos'è l'avvolgimento di un trasformatore: progettazione e classificazione degli avvolgimenti

L'avvolgimento del trasformatore è la parte fondamentale del dispositivo attraverso cui scorre la corrente elettrica, creando il campo magnetico necessario per la trasformazione dell'energia. È costituito da molte spire, che possono essere realizzate con fili di rame o di alluminio. L'avvolgimento è l'elemento principale attraverso il quale l'energia viene trasferita da una bobina all'altra, creando una tensione elettrica nel circuito corrispondente. Un trasformatore può avere diversi avvolgimenti: primario (ingresso) e secondario (uscita), disposti su un nucleo magnetico. Gli avvolgimenti forniscono la variazione di tensione e corrente necessaria per il funzionamento efficiente dei sistemi elettrici.

Progettazione dell'avvolgimento del trasformatore

La progettazione degli avvolgimenti dei trasformatori coinvolge diversi aspetti importanti, come la disposizione dei conduttori, il numero di spire, il metodo di posa e il tipo di isolamento. Il primo passo è la scelta del conduttore, che può essere rotondo o piatto, a seconda del progetto del trasformatore. L'avvolgimento deve essere progettato per massimizzare il raffreddamento, la stabilità e l'affidabilità.

Le caratteristiche principali dell'avvolgimento:

• Numero di giri: determina la tensione da indurre nell'avvolgimento.
• Tipo di conduttore: può essere di rame o di alluminio, il che influisce sulla conduttività e sul costo.
• Metodo di avvolgimento: L'avvolgimento può essere a più strati o a strato singolo, a seconda del tipo di trasformatore e della sua capacità.
• Isolamento: viene utilizzato per evitare cortocircuiti tra le bobine e per garantire la sicurezza.

Anche l'avvolgimento del trasformatore deve essere progettato per ridurre al minimo le perdite di energia e ottimizzare i processi di raffreddamento. È importante considerare la resistenza meccanica dei materiali, in modo che possano sopportare carichi diversi e prevenire danni durante il funzionamento del dispositivo.

Classificazione degli avvolgimenti dei trasformatori

Esistono diversi tipi di avvolgimenti, classificati in base al design e allo scopo:

1. Avvolgimento cilindrico singolo e multistrato

   • Vantaggi: Facile da produrre e con una buona dissipazione del calore.
   • Svantaggi: Bassa resistenza meccanica.

2. Avvolgimento cilindrico multistrato con filo piatto

   • Vantaggi: Facile processo di produzione, buona riempibilità del nucleo magnetico.
   • Svantaggi: Area di dissipazione del calore ridotta rispetto agli avvolgimenti con canali di raffreddamento radiali.

3. Avvolgimento cilindrico multistrato con filo tondo

   • Vantaggi: Facilità di produzione.
   • Svantaggi: La resistenza meccanica si deteriora con l'aumentare della potenza e le proprietà di trasferimento del calore si riducono.

4. Avvolgimenti a filo piatto (bifilari e multifilari)

   • Vantaggi: Elevata resistenza meccanica, buon raffreddamento e isolamento affidabile.
   • Svantaggi: Costo più elevato rispetto agli avvolgimenti cilindrici.

5. Avvolgimento continuo con filo piatto

   • Vantaggi: Elevata resistenza meccanica ed elettrica, buon trasferimento di calore.
   • Svantaggi: Richiede una regolazione quando si avvolge mezza bobina.

6. Avvolgimenti con foglio di alluminio

   • Vantaggi: Buon riempimento del nucleo magnetico, elevata resistenza meccanica.
   • Svantaggi: Processo di produzione complesso per gli avvolgimenti ad alta tensione.

Pertanto, la scelta del tipo di avvolgimento dipende da molti fattori, tra cui i requisiti di potenza del trasformatore, il tipo di raffreddamento, l'uso previsto e il costo.

A seconda dello scopo e dell'applicazione, i trasformatori possono utilizzare diversi tipi di avvolgimento, ottimizzati per condizioni operative specifiche. In Russia si producono diversi tipi di trasformatori, ciascuno con requisiti di avvolgimento unici a seconda dello scopo, della capacità e della classe di tensione. Vediamo alcuni tipi di trasformatori e i relativi avvolgimenti:

1. Trasformatori di potenza (bassa, media e alta tensione)

Trasformatori di potenza sono ampiamente utilizzati nei sistemi di alimentazione per convertire l'alta tensione in bassa tensione e viceversa. Questi trasformatori sono caratterizzati da avvolgimenti che possono essere realizzati con conduttori piatti o rotondi, a seconda del tipo di trasformatore.

• Avvolgimenti per trasformatori di potenza: avvolgimenti cilindrici multistrato con filo piatto o tondo. Devono avere buone proprietà di scambio termico, elevata resistenza meccanica e isolamento affidabile.

• Capacità e tensioniDa 10 kVA a 500 MVA, con tensioni di esercizio da 6 kV a 220 kV.

2. Trasformatori di distribuzione

Trasformatori di distribuzione sono utilizzati per trasmettere e distribuire l'elettricità all'interno di complessi industriali e residenziali. Questi dispositivi funzionano generalmente a tensioni più basse e hanno una capacità inferiore rispetto ai trasformatori di potenza.

• Avvolgimenti per trasformatori di distribuzioneAvvolgimenti cilindrici singoli e multistrato con conduttori piatti. Questi trasformatori utilizzano anche avvolgimenti piatti con conduttori diritti, che contribuiscono a raffreddare l'unità in modo efficiente.

• Capacità e tensionida 10 a 1600 kVA, con tensioni di esercizio da 6 (10) kV a 35 kV.

3. Trasformatori per ferrovie (trasformatori ferroviari)

I trasformatori ferroviari sono essenziali per l'alimentazione delle linee e delle sottostazioni ferroviarie. Devono essere altamente affidabili e resistenti alle influenze esterne.

• Avvolgimenti per trasformatori ferroviariIn genere, vengono utilizzati avvolgimenti multistrato con fili piatti e un elevato livello di resistenza meccanica, in quanto operano in condizioni estreme.

• Capacità e tensioniDa 25 kVA a 1000 kVA, con tensioni di esercizio fino a 35 kV.

4. Trasformatori per scopi speciali (ad es. progetti solari e ittici)

Questi trasformatori sono utilizzati in progetti specifici come le centrali solari e i progetti di integrazione dei pannelli solari con l'acquacoltura (ad esempio, per la fornitura di elettricità sostenibile).

• Avvolgimenti per trasformatori specializzati: possono essere realizzati utilizzando avvolgimenti cilindrici multistrato con fogli di alluminio per migliorare il trasferimento di calore e la resistenza meccanica.

• Capacità e tensioniI valori di potenza variano a seconda dell'applicazione e possono variare da 10 kVA a 5000 kVA, con tensioni di esercizio da 6 kV a 220 kV.

5. Trasformatori per linee e sottostazioni ad alta tensione

Trasformatori ad alta tensioneche vengono utilizzati per la trasmissione e la distribuzione di energia elettrica su lunghe distanze, richiedono progetti di avvolgimenti molto precisi e affidabili per funzionare ad alte tensioni.

• Avvolgimenti per trasformatori ad alta tensione: avvolgimenti cilindrici multistrato con lamina, che garantiscono un buon riempimento del nucleo magnetico e una maggiore resistenza meccanica.

• Capacità e tensionida 100 kVA a 5000 kVA, con tensioni di funzionamento da 110 kV a 220 kV.

Conclusione

In Russia vengono utilizzati molti tipi diversi di trasformatori, ognuno dei quali richiede un design specifico degli avvolgimenti a seconda delle condizioni operative e dello scopo. Gli avvolgimenti utilizzati possono essere realizzati con diversi conduttori, come fili di rame e alluminio, e possono essere realizzati in configurazioni singole o multistrato. È inoltre importante considerare le proprietà meccaniche ed elettriche degli avvolgimenti per garantire l'affidabilità e la durata del trasformatore in diverse condizioni.