Mazzi & Segantini - Trasformatori di Potenza e di
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TRASFORMATORI <strong>di</strong> POTENZA e <strong>di</strong> MISURA<br />
“Continuità del Servizio Elettrico ed Efficienza<br />
Energetica in Utenze Critiche”<br />
factor K<br />
Relatori: Ing. Stefano SEGANTINI<br />
Ing. Marco MAZZI
LA NOSTRA STORIA<br />
Tesar è stata fondata nel 1979 come società del gruppo ENI portando per prima in Italia la tecnica<br />
dell’inglobamento in resina dei trasformatori <strong>di</strong> potenza.<br />
La nostra trentennale esperienza, la collaborazione con enti e università, gli oltre 50.000 trasformatori<br />
installati presso i più importanti siti del mondo fanno del nome Tesar un leader a livello mon<strong>di</strong>ale per<br />
qualità affidabilità e flessibilità per la costruzione dei trasformatori in resina.<br />
Tesar con i 3 stabilimenti Italiani <strong>di</strong>: CHIASSA SUPERIORE - CHIAVERETTO - CASTELNUOVO e gli<br />
stabilimenti ubicati in Europa, America e Me<strong>di</strong>o Oriente rappresenta un punto <strong>di</strong> riferimento nella<br />
realizzazione <strong>di</strong> trasformatori in resina con potenze fino a 20MVA.<br />
1979<br />
2000<br />
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2009<br />
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INTRODUZIONE<br />
Negli ultimi anni l’inquinamento armonico, dovuto all’inserzione <strong>di</strong> swithing (PC,<br />
elettronica <strong>di</strong> potenza, filtri attivi, UPS, lampade a scarica,…), è notevolmente<br />
aumentato. Questo fenomeno causa sui trasformatori <strong>di</strong> <strong>di</strong>stribuzione fenomeni <strong>di</strong><br />
rumore, aumento delle per<strong>di</strong>te a carico e a vuoto, nonché temperature anomale sugli<br />
avvolgimenti e incremento dei campi magnetici <strong>di</strong>spersi (EMC).<br />
Cosa succede al trasformatore in presenza <strong>di</strong> un considerevole THD?<br />
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EFFETTI SUL TRASFORMATORE CON THD>5%<br />
Cosa succede quando un trasformatore è progettato secondo la norma<br />
<strong>di</strong> riferimento “base”, CEI EN 60076-11 e viene utilizzato in un sistema<br />
elettrico dove è presente un elevato contenuto armonico?<br />
•Incremento per<strong>di</strong>te a carico (per<strong>di</strong>te ad<strong>di</strong>zionali)<br />
•Incremento per<strong>di</strong>te a vuoto (isteresi e correnti parassite)<br />
•Surriscaldamenti anomali degli avvolgimenti e del nucleo, <strong>di</strong><br />
conseguenza riduzione della vita me<strong>di</strong>a<br />
•Aumento del livello <strong>di</strong> rumore<br />
•Campi magnetici <strong>di</strong>storti (ve<strong>di</strong> IEC 61000-2-4)<br />
•Aumento delle scariche parziali<br />
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NORME DI RIFERIMENTO CEI EN 60076‐11<br />
La norma <strong>di</strong> riferimento per i trasformatori in resina è la IEC 60076-11:2004-05 norma internazionale<br />
approvata in tutte le sue parti e pubblicata anche a livello Europeo e Italiano come CEI EN 60076-<br />
11:2006-02.<br />
La vecchia CEI 14-8, così come la IEC 726, EN 60726:2003 ed i relativi<br />
documenti <strong>di</strong> armonizzazione CENELEC HD 464 non sono più vali<strong>di</strong>.<br />
La norma in vigore al paragrafo 4.2.4 “Forma d’onda della tensione<br />
d’alimentazione” definisce:<br />
“Una tensione d’alimentazione con una forma d’onda<br />
approssimativamente sinusoidale.<br />
NOTA Questo requisito non è normalmente critico nei sistemi <strong>di</strong><br />
d’alimentazione pubblica, ma può <strong>di</strong>venire degno <strong>di</strong> considerazione in<br />
impianti con considerevoli carichi <strong>di</strong> convertitori. In questi casi esiste<br />
una regola convenzionale che la deformazione non debba superare<br />
né il 5% <strong>di</strong> contenuto totale <strong>di</strong> armoniche, né l’ 1% <strong>di</strong> contenuto <strong>di</strong><br />
armoniche <strong>di</strong>spari, vedere la IEC 61000-2-4. Notare anche<br />
l’importanza delle armoniche <strong>di</strong> corrente per le per<strong>di</strong>te a carico e la<br />
sovratemperatura; vedere la IEC 61378-1.”<br />
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NORME DI RIFERIMENTO IEC 61378<br />
Nel caso in cui il trasformatore alimenta un sistema che utilizza convertitori invece vale la norma IEC<br />
61378-1.<br />
In particolare la IEC 61378-3:2006-04 al paragrafo 11.8 enuncia le informazioni che il cliente o il<br />
progettista devono fornire al costruttore <strong>di</strong> trasformatore.<br />
•Le normative nazionali ed internazionali <strong>di</strong> riferimento<br />
•Variazione della tensione alternata<br />
•Variazione della frequenza<br />
•Informazioni sul tipo <strong>di</strong> convertitore utilizzato incluso il livello armonico e la componente continua<br />
della corrente<br />
“è importante specificare l’atteso valore della forma sinusoidale della corrente rettificata in<br />
termini <strong>di</strong> contenuti armonici ed eventuali componenti continue. Il contenuto armonico influenza<br />
le per<strong>di</strong>te del trasformatore in modo generale ma, più in particolare,per<strong>di</strong>te localizzate sugli<br />
avvolgimenti e quin<strong>di</strong> potenziali punti cal<strong>di</strong>. Con la conoscenza dello spettro armonico,<br />
l’avvolgimento può essere progettato per evitare inaccettabili sovratemperature usando le<br />
moderne tecniche <strong>di</strong> calcolo computazionale. […]<br />
La componente residua DC ed in certa misura, il contenuto armonico, influenzerà le per<strong>di</strong>te sul<br />
nucleo ed il livello <strong>di</strong> rumore.”<br />
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TEOREMA DI FUORIER<br />
Universalmente in una rete elettrica dove sono presenti <strong>di</strong>sturbi si può applicare il teorema <strong>di</strong> Fourier<br />
per capire la <strong>di</strong>storsione della forma d’onda.<br />
Il TEOREMA DI FOURIER afferma che qualunque forma d’onda (segnale), purché sia perio<strong>di</strong>ca, può<br />
essere sviluppata in una somma <strong>di</strong> segnali sinusoidali, chiamati armoniche, <strong>di</strong> opportuna ampiezza,<br />
opportuna frequenza ed opportuna fase. Lo sviluppo in serie <strong>di</strong> Fourier stabilisce quin<strong>di</strong> che una<br />
funzione perio<strong>di</strong>ca f(t) <strong>di</strong> periodo T si può scomporre nella somma <strong>di</strong> segnali sinusoidali (armoniche)<br />
<strong>di</strong> frequenza multipla <strong>di</strong> quella del segnale f(t).<br />
Lo SPETTRO DI FREQUENZA <strong>di</strong> un segnale rappresenta<br />
quin<strong>di</strong>, più precisamente, un grafico che lega le ampiezze delle<br />
armoniche che compongono il segnale in esame alla<br />
frequenza. Il teorema <strong>di</strong> Fourier ci è quin<strong>di</strong> utile per la<br />
determinazione dello spettro del segnale stesso.<br />
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TOTAL HARMONIC DISTORTION<br />
Nella maggior parte dei casi, la funzione <strong>di</strong> trasferimento <strong>di</strong> un sistema è lineare e tempo-invarianti<br />
(sinusoidale a 50 Hz). Quando un segnale passa attraverso un <strong>di</strong>spositivo non lineare, vengono<br />
sommate delle armoniche alla frequenze originali. Il THD, Total Harmonic Distortion, è una misura<br />
della portata <strong>di</strong> tale <strong>di</strong>storsione. Il THD è definito come:<br />
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NORME DI RIFERIMENTO CEI 14‐22<br />
Nel caso <strong>di</strong> una <strong>di</strong>stribuzione normale <strong>di</strong> energia elettrica, dove il fattore <strong>di</strong> armoniche totale non<br />
supera il 5% ed il fattore <strong>di</strong> armoniche <strong>di</strong>spari della corrente <strong>di</strong> carico non supera l’1%, sia applica la<br />
CEI EN 60076-11.<br />
Altrimenti la norma CEI 14-22:1998-10 (recepimento HD 538.3 S1) determina la potenza nominale<br />
equivalente <strong>di</strong> un trasformatore avente corrente <strong>di</strong> carico non sinusoidale.<br />
“Con fattori <strong>di</strong> armoniche superiori si deve tenere conto che la per<strong>di</strong>ta dovuta al carico aumenta<br />
e <strong>di</strong> conseguenza le sovratemperature superano quelle corrispondente alle correnti sinusoidali<br />
aventi lo stesso valore efficace (r.m.s.)”<br />
“La potenza nominale equivalente (Sne) si riferisce alla corrente sinusoidale che provoca per<strong>di</strong>te<br />
che si verificano con la corrente non sinusoidale imposta.<br />
La potenza equivalente è uguale alla potenza basata sul valore efficace della corrente non<br />
sinusoidale moltiplicata per il fattore K. ( Sne = Sn * K )<br />
La potenza nominale del trasformatore da utilizzare deve essere uguale o superiore alla potenza<br />
equivalente.<br />
Nel caso in cui un trasformatore già in servizio sia successivamente caricato con correnti<br />
armoniche, si deve applicare alla potenza nominale un fattore <strong>di</strong> riduzione della potenza pari a<br />
1/K ( Sdrn = Sn / K )”<br />
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NORME DI RIFERIMENTO CEI 14‐22 K‐factor<br />
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e = per<strong>di</strong>te per correnti parassite dovuta alla corrente sinusoidale alla frequenza fondamentale<br />
(p.es. 50 Hz), <strong>di</strong>visa per la per<strong>di</strong>ta dovuta ad una corrente continua uguale al valore efficace della<br />
corrente sinusoidale, entrambe alla temperatura <strong>di</strong> riferimento<br />
n = or<strong>di</strong>ne dell’armonica<br />
q = - 1.7 per trasformatori con conduttore in filo o piattina in entrambi gli avvolgimenti<br />
- 1.5 per trasformatori aventi avvolgimenti a bassa tensione in lastra<br />
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CALCOLO POTENZA NOMINALE EQUIVALENTE<br />
Spettro armonico corrente<br />
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THDi= 28,9%<br />
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THDi= 28,9%<br />
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CALCOLO POTENZA NOMINALE EQUIVALENTE<br />
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Sn = 1000 kVA � Sne (THDi=28,9%) = Sn * K =1129 kVA<br />
<strong>Potenza</strong> nominale equivalente<br />
Sn = 1000 kVA � Sdrn (THDi=28,9%) = Sn / K =885 kVA<br />
De-rating potenza nominale equivalente<br />
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129<br />
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CONCLUSIONI<br />
•Il costruttore deve essere a conoscenza dello spettro armonico per poter<br />
<strong>di</strong>mensionare correttamente il trasformatore<br />
•La vita me<strong>di</strong>a del trasformatore può accorciarsi se lo stesso non è stato<br />
correttamente <strong>di</strong>mensionato a sopportate il contenuto armonico <strong>di</strong> linea a causa del<br />
degrado termico e <strong>di</strong>elettrico<br />
•“Nel caso in cui un trasformatore è specificatamente previsto per lavorare con un<br />
convertitore, la questione deve essere esaminata da costruttore ed acquirente” nota<br />
tratta da CEI 14-22 articolo 2<br />
•Non da confondere il factor K (CEI 14-22) con il K factor (ANSI/IEEE)<br />
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