Aspetti costruttivi – guasti nei trasformatori

Aspetti costruttivi – guasti nei trasformatori

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Le parti fondamentali di cui è costituito il trasformatore sono il nucleo e gli avvolgimenti.

Per quanto riguarda il nucleo, dal punto di vista costruttivo, si cerca di scegliere la forma più adatta ad impedire dispersioni di flusso, cioè di ottenere circuiti a minima riluttanza magnetica evitando nello stesso tempo i nuclei compatti che offrirebbero facile cammino alle correnti parassite. Per tale motivo il nucleo magnetico viene realizzato con sottili lamierini di ferro legato con piccole percentuali di silicio (si ricordi quanto detto sui materiali magnetici). Essi vengono isolati fra loro e raccolti in pacchetti per costituire la sezione determinata precedentemente a “tavolino”. Questi pacchi sono poi raggruppati tra loro per mezzo di viti o bulloni isolati.

I nuclei magnetici, devono costituire un circuito magnetico chiuso, sono sostituiti da colonne e gioghi. Le colonne sono le parti su cui vengono impostati gli avvolgimenti. I gioghi, invece, collegano tra loro le colonne, per chiudere il circuito magnetico.

I lamierini delle colonne e dei gioghi si possono collegare tra loro in due modi: con giunti affacciati e con giunti incastrati. Nei nuclei a giunti affacciati i due pacchi della colonna e del giogo vengono messi in contatto e premuti per mezzo di tiranti esterni a staffe. Poiché i lamierini delle colonne possono essere messi in corto circuito dai lamierini del giogo si interpone sul giunto un sottile foglio di carta isolante (Figura 1).

Nei nuclei a giunti incastrati, la disposizione dei lamierini porta alla formazione di diversi strati alternati, pari e dispari, che sovrapposti permettono di ottenere degli “incastri” tra i lamierini delle colonne e dei gioghi (Figura 2).

Con questo tipo di giunti si ottiene una minore riluttanza del circuito magnetico rispetto a quello a giunti affacciati.

Per tale motivo è questa la soluzione costruttiva più adottata, anche se i giunti affacciati permettono una grande facilità di montaggio, utile quando bisogna procedere a riparazioni.

Per quanto riguarda la forma dei nuclei si distinguono nuclei a colonna e nuclei a mantello o corazzati. Il primo tipo comporta due nuclei formanti, con l’aggiunta dei due gioghi, un circuito magnetico chiuso. Ciascun nucleo porta una parte degli avvolgimenti primari e secondari per diminuire la dispersione magnetica. I nuclei a colonna per trasformatori trifase portano su ciascuna colonna l’avvolgimento primario e secondario di una fase (Figura 3).

Il tipo a mantello, molto usato per trasformatori monofase, possiede tre nuclei dei quali uno solo, quello centrale, di sezione doppia, porta i due avvolgimenti (Figura 4).

Poiché i trasformatori di piccole potenze hanno una grande diffusione, sono state memorizzate diverse sezioni di lamierini, le più utilizzate delle quali sono riportate in Figura 5.

Oltre a questo tipo di composizione dei nuclei (composti da singoli lamierini) c’è anche la possibilità di utilizzare pacchetti di lamierini già incollati.

Questo tipo di nucleo offre la possibilità di creare determinati traferri mediante una vite di regolazione.

Gli avvolgimenti dei trasformatori vengono disposti in modo da venire incontro nel migliore dei modi alle due esigenze, tra loro contrastanti, dell’isolamento e della minore dispersione di flusso. La prima sarebbe soddisfatta se i due avvolgimenti di alta e bassa tensione fossero i più lontani possibile; la seconda invece, se il primario fosse il più vicino possibile al secondario. Una soluzione pratica del problema porta alla determinazione dei due tipi fondamentali di avvolgimenti; quello concentrico e quello alternato.

Nel tipo concentrico ciascuno dei due avvolgimenti è distribuito lungo tutta la colonna: l’avvolgimento a bassa tensione è disposto all’interno (perché pub essere isolato più facilmente dal nucleo) mentre quello di alta tensione è all’esterno, separato da quello di bassa tensione da un cilindro isolante di carta bachelizzata di spessore dipendente dal valore dell’alta tensione (Figura 6).

Nel tipo alternato i due avvolgimenti sono suddivisi ognuno in un certo numero di bobine disposte sulle colonne in modo alternato; generalmente le bobine estreme appartengono all’avvolgimento di bassa tensione e sono formate da metà spire di quelle delle altre bobine dello stesso avvolgimento (Figura 7).

Un avvolgimento può essere avvolto sulla colonna procedendo in senso destrorso o sinistrorso, e in funzione del senso utilizzato, la corrente circolante produce un flusso magnetico di determinato verso. Di ciò si deve tener conto effettuando i collegamenti per non avere opposizioni di flusso e f.e.m. Per esempio nei trasformatori monofase a due colonne il flusso è diretto in senso opposto sulle due linee, quindi il collegamento in serie delle bobine e in parallelo dovrà essere fatto adeguatamente. Nei trasformatori trifase a tre colonne, poiché i flussi hanno tutti la stessa direzione lungo le colonne, i collegamenti tra le fasi risultano corretti tutte le volte che i capi ire alto sono tutti e tre principio o fine delle fasi.

Senza addentrarci in altri particolari costruttivi, ricordiamo brevemente quanto importante sia il problema del raffreddamento dei trasformatori (e di tutte le macchine in genere). Notiamo che la funzione dell’olio minerale non è solo di raffreddamento, ma anche di isolamento, dato il suo alto valore di rigidità dielettrica.

Vediamo adesso alcune cause di funzionamento anormale all’interno dei trasformatori.

Le cause che possono dar luogo a riscaldamento generale o localizzato sono:

1. sovraccarico – può essere rilevato dai valori delle correnti di linea e da un abbassamento della tensione ai morsetti secondari;
2. alimentazione con tensione maggiore della nominale – in tale situazione aumentano le perdite nel ferro ed anche quelle nel rame, a causa dell’alto valore della corrente magnetizzante;
3. corto circuito tra spire – si ha un forte riscaldamento localizzato nella zona interessata dal corto circuito. Esso si manifesta con la grande corrente assorbita a vuoto, dal cambiamento di colore della bobina che anticipa la bruciatura completa dell’isolante. Può essere provocato da un decadimento degli isolanti per umidità o per un lungo sovraccarico, o per sovratensioni di origine atmosferica, oltre che da una difettosa esecuzione degli avvolgimenti.

Una tensione secondaria inferiore alla normale può essere dovuta a:

1. sovraccarico;
2. diminuzione della tensione primaria;
3. corto circuito fra spire dell’avvolgimento secondario.

Le cause di una tensione secondaria superiore alla normale possono essere:

1. aumento di tensione ai morsetti del primario;
2. corto circuito di spire nell’avvolgimento primario. In tal caso il rapporto:

diminuisce perché risulta minore il numero di spire utili al primario; a tutto ciò si accompagna un forte riscaldamento localizzato.

La mancanza di tensione in una o più fasi del secondario può essere determinata da:

1. interruzione di una o più fasi del secondario a stella;
2. interruzione di due fasi del secondario a triangolo;
3. interruzione di una o più fasi del primario a stella (con nucleo a colonne);
4. interruzione di una o più fasi del primario a triangolo (nuclei a colonne).

I contatti fra primario e secondario o fra questi e il nucleo è un inconveniente piuttosto grave che può essere dovuto a:

1. scariche causate dalla diminuzione della rigidità dielettrica degli isolanti. Può essere causato dalla presenza di umidità nei trasformatori in aria e in quelli in olio oltre che da una pessima qualità dell’olio oppure dal suo invecchiamento;
2. scariche dovute a sovratensioni di origine atmosferiche. Queste sono più pericolose per le bobine poste vicino ai morsetti, per tale motivo queste vengono costruite con isolamento rinforzato rispetto alle altre;
3. scariche dovute a deterioramento degli isolanti per surriscaldamento prolungato.

Un funzionamento insolitamente rumoroso, può essere fatto risalire a numerose cause:

1. notevole sovraccarico del trasformatore;
2. funzionamento con forte squilibrio di carico nei trasformatori trifase;
3. presenza di corto circuiti;
4. aumento notevole dell’induzione per l’aumento della tensione primaria;
5. allentamento dei tiranti nel caso di trasformatore con nucleo a giunti affacciati;
6. diminuzione del serraggio delle traverse di compressione nel caso .di trasformatore a giunti incastrati.

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