Autotrasformatore contro trasformatore di isolamento: una guida alla scelta per progetti a 480 V e 600 V

 

Autotrasformatore contro trasformatore di isolamento: la domanda alla base della metà delle nostre email relative alle dimensioni

Un'officina elettrica del Texas ci ha inviato lo scorso aprile uno schema unifilare accompagnato da una sola riga di testo sovrastante: «Alimentazione a 600 V, carico motore a 480 V, potenza approssimativa di 400 hp. Abbiamo davvero bisogno di un trasformatore da 500 kVA, oppure basta un trasformatore rialzatore/abbassatore?». Quell'email riassume l'intera questione autotrasformatore contro trasformatore di isolamento in due frasi. La risposta dipendeva da due fattori, nessuno dei quali era il rapporto di tensione: la capacità effettiva degli avvolgimenti per la quale il cliente stava pagando e se l'impianto richiedesse un nuovo sistema con messa a terra.

Entrambi i prodotti provengono dalla stessa linea di produzione nel nostro stabilimento e, quando vengono realizzati per il mercato nordamericano, escono entrambi con il marchio UL. Svolgono compiti completamente diversi. Un autotrasformatore condivide un unico avvolgimento tra circuito primario e circuito secondario, quindi la corrente di carico fluisce attraverso una sezione comune di rame. Un trasformatore isolante a due avvolgimenti mantiene i due circuiti elettricamente separati, accoppiandoli unicamente tramite il circuito magnetico. Tutte le conseguenze derivanti da questa differenza — dai costi e dal peso alle perdite, al collegamento a terra, al comportamento armonico e alla corrente di cortocircuito — ne discendono direttamente.

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura: la scelta riguarda raramente la semplice variazione della tensione. Quasi ogni dispositivo è in grado di variare la tensione. Si tratta invece di capire quali altre funzioni il trasformatore deve svolgere all’interno del proprio sistema elettrico.

 

Il calcolo kVA che determina la maggior parte delle specifiche per gli autotrasformatori

La regola per la valutazione è semplice e spiega perché queste unità sono molto più piccole dell’alternativa a due avvolgimenti. L’avvolgimento deve trasportare soltanto la porzione trasformata del carico: kVA trasformati = kVA del carico × (1 − Vsecondaria ∕ Vprimaria).

Applichiamo questa regola alla richiesta del Texas. Ridurre la tensione da 600 V a 480 V dà 1 − (480 ∕ 600) = 0,20; pertanto, un carico di 500 kVA richiede solo circa 100 kVA di avvolgimento autotrasformatore. Il cliente sta confrontando un autotrasformatore da 100 kVA con un’unità a due avvolgimenti da 500 kVA: un quinto del rame, circa un terzo del peso nelle nostre normali configurazioni a nucleo aperto e un nucleo molto più piccolo, dove risiede la maggior parte delle perdite a vuoto.

 

 

Due conseguenze ingegneristiche accompagnano tale risparmio. Primo, l’impedenza efficace vista da un guasto è inferiore, quindi la corrente di cortocircuito disponibile sul bus a 480 V è maggiore rispetto a quella che si avrebbe con un trasformatore a due avvolgimenti di potenza nominale simile in kVA. Il dispositivo di protezione a monte e il potere di interruzione del quadro a valle devono essere verificati rispetto al nuovo valore, non a quello precedente. Secondo, non vi è alcuna separazione galvanica: qualsiasi rumore, sovratensione transitoria o corrente armonica presente sul lato primario è presente anche sul lato secondario.

 

Quando un trasformatore di isolamento cessa di essere opzionale

Esistono quattro situazioni in cui non si discute più affatto dell’opzione autotrasformatore, ed è generalmente evidente già dalla prima pagina del set di disegni.

• Derivazione di un nuovo sistema con messa a terra. Se l’ambito di applicazione richiede un nuovo neutro oppure una sorgente 480Y/277 V che alimenti un quadro 208Y/120 V, il trasformatore deve costituire un sistema derivato separatamente. Un autotrasformatore non può esserlo.
• Corrente armonica di sequenza zero e multipla di tre. Un avvolgimento primario a triangolo in un trasformatore a due avvolgimenti offre un percorso chiuso per la circolazione delle correnti armoniche terza, nona e quindicesima. Un autotrasformatore non presenta tale barriera e le invia direttamente alla sorgente.
• Carichi di azionamento e raddrizzamento. A monte degli inverter di frequenza (VFD), la specifica normale è un trasformatore trifase personalizzato realizzato come unità a due avvolgimenti con primario a triangolo e uno schermo elettrostatico, che intercetta il rumore in modo comune, cosa che un autotrasformatore non può fare.
• Rilevamento di guasto a terra. Gli schemi con trasformatori di corrente (CT) di sequenza zero richiedono una separazione galvanica tra primario e secondario. Un autotrasformatore non la fornisce, pertanto la protezione residua e di sequenza zero deve essere riprogettata.

L'errore che riscontriamo più spesso non è un errore di valutazione, ma un errore di ipotesi: utilizzare un autotrasformatore buck-boost per generare 120 V per l'alimentazione di controllo o le prese da un sistema a 480 V non collegato a terra o con un angolo collegato a terra. La tensione appare sul misuratore, quindi l'installazione sembra corretta, ma non esiste un percorso di ritorno per eliminare un guasto a terra né un conduttore collegato a terra da cui prendere riferimento. Questa configurazione rappresenta un problema di sicurezza per la vita umana, e nessun risparmio su un'unità da 15 kVA ne giustifica il rischio. Rifiutiamo tali ordini e proponiamo invece un trasformatore con due avvolgimenti.

 

Collegamento a terra del trasformatore di isolamento e norme della normativa alle quali i clienti chiedono chiarimenti

La domanda sul collegamento a terra collegamento a terra del trasformatore di isolamento le decisioni vengono effettivamente prese. Secondo il NEC, tutti i trasformatori, ad eccezione degli autotrasformatori, sono sistemi derivati separatamente, poiché i conduttori del circuito primario non presentano alcun collegamento diretto con i conduttori secondari. Il secondario richiede quindi un proprio jumper di collegamento del sistema, un proprio conduttore di messa a terra e un proprio elettrodo di messa a terra, come stabilito dall’articolo 250.30. Poiché un autotrasformatore condivide un avvolgimento tra i due circuiti, non costituisce affatto un sistema derivato separatamente: non è necessario installare alcun nuovo conduttore di messa a terra, e il percorso di collegamento equipotenziale dell’apparecchiatura verso la sorgente deve rimanere integro e continuo. La regola e le sue conseguenze sono illustrate in dettaglio in questo Manuale EC&M sul grounding e sul bonding dei sistemi derivati separatamente .

La protezione contro le sovracorrenti è la seconda regola di cui chiedono gli acquirenti. Gli autotrasformatori richiedono una protezione individuale contro le sovracorrenti in serie con ogni conduttore di ingresso non collegato a terra, come stabilito dal NEC 450.4, un criterio diverso rispetto alle regole per i trasformatori a due avvolgimenti, con le quali i progettisti elettrici lavorano quotidianamente. Vale la pena verificare tale disposizione sul disegno tecnico prima che le unità vengano rilasciate per la produzione, poiché modificare successivamente la protezione dopo la costruzione dell’apparato di commutazione comporta costi elevati. Il testo di riferimento è pubblicato da NFPA 70, National Electrical Code .

L’ambito di certificazione è il terzo elemento ed è il punto in cui un Fornitore di trasformatori certificato UL dovrebbe essere in grado di rispondere senza dover verificare. La norma ANSI/UL 1561 riguarda i trasformatori generali e di potenza di tipo a secco, nelle configurazioni elevatore, abbassatore, isolante e autotrasformatore; il suo campo di applicazione termina per valori nominali primari o secondari superiori a 600 V. Ne derivano due conseguenze pratiche. Qualsiasi autotrasformatore acquistato per un sistema a 480 V o 600 V dovrebbe essere certificato secondo UL 1561, mentre un fornitore che descrive un’unità da 13,8 kV come certificata UL 1561 presenta un problema documentale. Chiedere il numero della norma e la classe di tensione, non soltanto un logo. Il campo di applicazione è pubblicato sul Negozio UL Standards and Engagement .

 

Autotrasformatore contro trasformatore isolante: confronto diretto

Punto decisionale	AUTOTRASFORMATORE	Isolamento (due avvolgimenti)
KVA trasformati, carico da 500 kVA, da 600 V a 480 V	Circa 100 kVA	500 KVA
Peso installato e ingombro a terra	Bassa	Alto
Perdita a Carico Zero	Inferiore (nucleo più piccolo)	Superiore
Sistema derivato separato ai sensi della NEC 250.30	No	Sì
Percorso armoniche tripli / sequenza zero	Passa attraverso	Bloccato da un primario a delta
Attenuazione del rumore in modo comune	Nessuno	Sì, con uno schermo elettrostatico
Limitazione della corrente di guasto	Minimale	Impostata dalla percentuale specificata di Z
Utilizzo tipico	600/480 V o 208/240 V con abbinamento su un sistema con terra	Nuova distribuzione, carichi azionati, carichi armonici, derivazione del neutro

La nostra regola pratica è breve. Se la risposta alla domanda «questo carico necessita di un nuovo sistema con terra oppure di una barriera contro le correnti armoniche e in modo comune?» è no e il rapporto di tensione è modesto, l’autotrasformatore risulta generalmente più conveniente in termini di costo totale installato. Se una delle due risposte è sì, l’unità a due avvolgimenti è l’unica scelta conforme e la questione autotrasformatore contro trasformatore di isolamento comparazione termina qui.

 

Cosa controlliamo prima che una costruzione venga spedita

I test di routine sono identici per entrambe le costruzioni ed è in questa fase che un ordine diventa o un trasformatore o un rifiuto: rapporto e polarità, resistenza degli avvolgimenti, tensione applicata e potenziale indotto, perdite a vuoto e a carico misurate rispetto ai valori calcolati, e innalzamento di temperatura su base campionaria. Per le unità in resina colata aggiungiamo una misura di scarica parziale e manteniamo il risultato al di sotto del limite concordato in fase d’ordine, poiché una lettura pulita in fabbrica evita discussioni sulla garanzia nel terzo anno.

Ryan Electric produce entrambi i tipi in uno stabilimento di 120 000 metri quadrati dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo e di 37 brevetti del gruppo, con certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Dal 2023 operiamo inoltre come partner ufficiale di joint venture di Eaton, motivo per cui la documentazione dei test di routine ha lo stesso formato sia per un’unità buck-boost da 15 kVA sia per un’unità ad immersione in olio da 5 MVA. Come Fornitore di trasformatori certificato UL per progetti nordamericani destinati a utility, data center e industrie, forniamo unità montate su basamento, a secco e ad immersione in olio, con i marchi che l’ispettore locale si aspetta di trovare sulla targhetta, sia che l’ordine riguardi un’unità standard per distribuzione oppure una trasformatore trifase personalizzato realizzata con un rapporto insolito.

Un dettaglio relativo al lavoro in Texas merita di essere segnalato. L’autotrasformatore da noi proposto era da 100 kVA, ma l’involucro richiedeva comunque ingressi cavi di classe 480 V e una barra neutra per i circuiti di alimentazione del quadro. Un’unità che appare la più economica nella voce del preventivo non è necessariamente la più economica da installare, finché il dettaglio delle connessioni non viene disegnato correttamente; si tratta quindi di una questione di disegno tecnico, non di prezzo.

 

Inviateci lo schema unifilare e dimensioneremo entrambe le opzioni

Rispondiamo alle email relative alle dimensioni con un confronto anziché con un singolo prezzo. Inviaci lo schema in una riga con la tensione di alimentazione e la configurazione di messa a terra, la potenza nominale del carico in kVA e la potenza del motore in cavalli vapore, eventuali carichi da azionamento o raddrizzatore, la corrente di cortocircuito disponibile presso il punto di consegna e la temperatura ambiente del sito. Vi forniremo sia l'opzione con trasformatore autotrasformatore sia quella con trasformatore a due avvolgimenti, indicando per ciascuna la potenza degli avvolgimenti in kVA, l'impedenza percentuale (%Z), la classe di involucro e lo standard di certificazione sotto il quale verrà omologato.

Se il progetto è un trasformatore trifase personalizzato con un rapporto insolito, un involucro non standard o un ambito specifico di prove, i nostri ingegneri confermano la configurazione degli avvolgimenti prima della rilascio del disegno. Richiedi un preventivo o invia lo schema al nostro ufficio vendite tecnico: ti indicheremo quale delle due costruzioni è effettivamente necessaria per la tua installazione.

Informazioni sull'Autore: Questa guida è stata preparata dal team di ingegneria vendite di Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., che ha progettato, sottoposto a prove di tipo e spedito trasformatori in resina, immersi nell’olio e montati su basamento per progetti di data center, utility e industriali in Nord America, Medio Oriente e Sud-Est asiatico. Per assistenza nella selezione di trasformatori autotrasformatori e di isolamento, o per far revisionare uno schema unifilare, contattare il nostro ufficio tecnico tramite il modulo di richiesta sul sito.