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PREFAZIONE

      Questo manuale è rivolto ai progettisti e agli utilizzatori di trasformatori elettrici. Nello scriverlo mi sono prefisso questi obiettivi:

 Dopo una panoramica sul principio di funzionamento è introdotto in modo semplice ed originale il legame tra caratteristiche costruttive da una parte e potenza nominale e prestazioni dall’altra.

Partendo da semplici principi di elettrotecnica e costruzioni elettromeccaniche il libro illustra come ricavare le tabelle di calcolo e successivamente affronta con un approccio pratico e ricco di esempi il dimensionamento di trasformatori e induttanze monofasi e trifasi.

 Sono ampiamente trattati il progetto, il calcolo di verifica, il collaudo, gli aspetti normativi e di sicurezza. Ben 3 capitoli sono dedicati ai materiali ( conduttori, magnetici, isolanti ) con numerose tabelle e rimando a cataloghi.

Sono anche introdotti metodi di progettazione avanzata facenti uso di programmi di calcolo agli elementi finiti. Il manuale è completato da un CD contenente articoli tecnici, cataloghi di fornitori, programmi di calcolo in versione dimostrativa e/o completa, modelli di bollettini di collaudo e fogli di Excel comprendenti tabelle di calcolo per automatizzare progettazione e collaudi.

Con questo manuale di 290 interamente dedicato al trasformatore mi auguro di colmare il vuoto in materia e di offrire a costruttori e utilizzatori di trasformatori un aiuto alla progettazione e all’utilizzo di questa importante macchina elettrica.


 

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Indice

1 - TEORIA DEL TRASFORMATORE

1.1 Definizione del trasformatore

1.2 Un po' di storia

1.3 Il trasformatore ideale

1.3.1 Il trasformatore ideale a carico

1.3.2 Rete equivalente: riporto di impedenze da secondario a primario e viceversa.

1.4 Il trasformatore reale

Resistenza degli avvolgimenti

Reattanze di dispersione

Perdite nel nucleo

Effetto della non linearita del nucleo

1.4.1 Rete equivalente del trasformatore reale.

2 - MATERIALI CONDUTTORI ..

2.1 RAME

2.1.1 Tipi di rame

2.1.2 Altre caratteristiche del rame

2.1.3 Leghe di rame

2.1.4 Caratteristiche tecnologiche del rame

2.2 ALLUMINIO E SUE LEGHE

2.2.1 Caratteristiche principali:

2.2.2 Principali leghe dell’alluminio

2.2.3 Impieghi dell’alluminio

2.3 Confronto tra rame e alluminio

2.4 Tabelle fili per avvolgimenti

2.4.1 Conversione tra diametri in mm e scala AWG

2.5 Effetto pelle

2.5.1 Fili di Litz

2.5.2 Trasposizioni

3 - MATERIALI MAGNETICI E NUCLEI

3.1 Classificazione e comportamento dei materiali magnetici

3.2 Grafico di prima magnetizzazione e permeabilita

Isteresi magnetica

3.2 Lamierini di acciaio al silicio a cristalli non orientati

3.3 Lamierini di acciaio al silicio a cristalli orientati

3.4 Leghe ferro-nickel laminate

3.5 Lamierini amorfi e nanocristallini

3.6 Ferriti

3.7 Polveri magnetiche pressate

3.8 Nuclei monofasi di piccola potenza

3.8.1 Nuclei EI standard

3.8.2 Nuclei EI ‘LOW WASTE’ (basso spreco di materiale)

3.8.3 Lamierini EI per stabilizzatori

3.8.4 Lamierini EI con traferro

3.8.5 Lamierini EI con colonna allungata.

3.9 Nuclei di media/grande potenza

3.10 Nuclei toroidali

3.11 Nuclei a C

4 - MATERIALI ISOLANTI

4.1 Proprieta elettriche degli isolanti

4.1.1 Resistivita di massa

4.1.2 Rigidita dielettrica

4.1.3 Costante dielettrica relativa

4.1.4 Resistenza alla traccia

4.1.5 Comportamento dei materiali alla fiamma.

4.2 Degradazione degli isolanti

4.3 Isolanti utilizzati nei trasformatori

Poliammidi( Nylon )

Policarbonato

ABS - polimeri acrilonitrile - butadiene – stirene

PVC

PE - polietilene (poliolefine)

PP - polipropilene (poliolefine)

Gomma butilica

Nomex

Smalti per fili e piattine.

5 - PROGETTO

5.1 Legame tra parametri costruttivi e potenza erogabile

5.2 - Similitudine tra trasformatori

Potenza

Peso e costo

Perdite

Corrente a vuoto

Rendimento

Riscaldamento .

Considerazioni finali sulla similitudine .

5.4 - Criteri base di progettazione: la sovratemperatura

Conduzione .

Convezione

Irraggiamento .

5.4.1 Calcolo delle superfici e dei coefficienti di scambio termico

5.5 Criteri base di progettazione: la variazione di tensione

5.6 Tabelle di calcolo

5.6.1 Utilizzo pratico delle tabelle

5.6.2 Esempio di calcolo di un trasformatore monofase con l’utilizzo delle tabelle

5.7 Trasformatori monofase a colonne

5.7.1 Avvolgimenti nei trasformatori a colonna.

Avvolgimenti con prese intermedie

a) Prese di regolazione di modesta entita

b) Prese a tensioni notevolmente diverse

Considerazioni finali

5.8 Autotrasformatori

6 - TRASFORMATORI TRIFASI

6.1 Collegamento degli avvolgimenti.

Triangolo

Stella

Zig-Zag .

6.1.1 Primario a stella con neutro –secondario a stella con neutro

6.1.2 Corrente magnetizzante e armoniche

6.1.3 Primario a stella SENZA neutro –secondario a stella CON neutro.

6.1.4 Primario a triangolo –secondario a stella con neutro

6.1.5 Primario a stella secondario a zig-zag

6.2 Gruppo orario

6.3 Dimensionamento trasformatori trifasi

7 – CALCOLO DI VERIFICA DEI TRASFORMATORI

7.1 Calcolo delle perdite nel ferro

7.2 Calcolo della corrente a vuoto

7.2.1 Componente reattiva della corrente a vuoto e reattanza equivalente Xμ

7.2.2 Componente attiva della corrente a vuoto e resistenza R0

7.3 Metodo alternativo per ricavare la corrente a vuoto in assenza di curve caratteristiche del lamierino

7.4 Calcolo delle perdite nel rame

7.5 Calcolo delle reattanze di dispersione

7.5.1 Bobine affiancate

7.6 Calcolo delle sovratemperature

7.6.1 Formula basata sulla resistenza termica

7.6.2 Formula di Baljajan

7.6.3 Servizio intermittente / durata limitata

Costante di tempo termica

7.6.4 Calcolo della variazione di temperatura nel tempo

Considerazioni importanti sul servizio intermittente

7.6.5 Calcolo trasformatore per servizio intermittente 150VA per 15 minuti

7.7 Calcolo di verifica nei trasformatori trifasi

7.7.1 Calcolo delle perdite nel ferro

7.7.2 Calcolo della corrente a vuoto e dei parametri trasversali R0 e Xμ in un trasformatore trifase

7.7.3 Calcolo delle perdite nel rame e della resistenza equivalente ridotta a secondario R2cc

7.7.4 Calcolo delle reattanze di dispersione

Considerazioni finali sul calcolo di verifica

8 - NORME APPLICABILI AI TRASFORMATORI.

8.1 Le direttive CEE 73/23 e 93/68

DIRETTIVA CEE 93/68

Allegato 3 - Marcatura ce di conformita' e dichiarazione ce di conformita'

8.2 Norme applicabili ai trasformatori

8.3 Segni grafici dei trasformatori

9 - COLLAUDO

Introduzione

9.1 Misura resistenza avvolgimenti trasformatore monofase

9.2 Prova a vuoto trasformatore monofase

9.3 Misura del rapporto di trasformazione

9.4 Prova di cortocircuito trasformatore monofase

9.5 Calcolo parametri equivalenti trasformatore monofase – variazione di tensione e rendimento

9.6 Prove di tipo su trasformatori trifasi

Misura della resistenza degli avvolgimenti (trasformatore trifase)

Prova a vuoto (trasformatore trifase)

9.7 PROVE DI ROUTINE

9.7.1 Controlli da eseguirsi sulle bobine avvolte prima dell'impaccaggio

9.7.2) Controlli da eseguirsi sul trasformatore finito , completo di targa prima dell'impregnazione

9.7.2b Prova di rigidita’ dielettrica ( o tensione applicata )

Valutazione della prova

9.7.2c) Verifica delle corrente assorbita a vuoto e delle tensioni secondarie a vuoto

Valutazione della prova

9.8 PROVA DI RISCALDAMENTO

9.8.1 Prova di riscaldamento sui trasformatori monofasi di piccola potenza

Trasformatori conformi alla CEI EN 61558 228

Casi particolari

9.8.2 Prova di riscaldamento sui trasformatori di potenza

9.8.2a Primo metodo a circolazione di energia per trasformatori monofasi.

9.9 Metodo per calcolare la sovratemperatura al variare della densita di corrente

9.10 MISURA DELLA CORRENTE DI INSERZIONE

9.11 Misura della resistenza di isolamento

9.12 Bollettini di collaudo

9.13 Quadro per prove a carico su trasformatori monofasi o trifasi di potenza limitata

CARATTERISTICHE TRASFORMATORE PER QUADRO PROVA

9.14 COMMUTATORE PER CONNESSIONE RAPIDA AL MILLIOHMMETRO

9.15 ATTREZZATURA NECESSARIA PER SALA PROVE

Alimentazione elettrica  - Portate

10 – TRASFORMATORI SPECIALI E OTTIMIZZAZIONE

10.1 Trasformatori di comando

Criteri di progetto dei trasformatori di comando

10.2 Trasformatori per ambienti ad uso medicale

10.2.1 Esempio di calcolo di un trasformatore ad uso elettromedicale.

10.3 Trasformatori a flusso disperso

11 - INDUTTANZE MONOFASI

11.1 Definizione di induttanza

11.2 Corrente di saturazione

11.3 Procedimento di calcolo induttanze monofasi a mantello

11.4 Calcolo delle perdite.

11.5 Calcolo induttanze monofasi a colonna

11.5.1 Procedimento di calcolo induttanze a colonna .

11.6 Calcolo induttanza con il metodo degli elementi finiti.

11.7 Calcolo del traferro: confronto tra le formule pratiche e il metodo degli elementi finiti.

12 - REATTANZE TRIFASI

12.2 PROCEDIMENTO DI CALCOLO

12.3 Calcolo reattanze avviamento motore

12.3.1 Calcolo di verifica reattanze avviamento motore

12.3.2 Esempio di calcolo reattanza avviamento motore

13 TECNOLOGIE DI COSTRUZIONE

13.1 Introduzione

13.2 Avvolgimenti

13.2.1 Avvolgimenti per correnti elevate

13.3 Rocchetti

13.4 Morsetti