Gruppo vettoriale del trasformatore spiegato: Dyn1, Dyn11 e Yyn0, e perché il numero orario determina il vostro progetto

I due trasformatori erano identici sulla carta: ciascuno da 1.250 kVA, da 13,8 kV a 480Y/277 V, con impedenza differente di meno di mezzo punto percentuale. Tuttavia non potevano essere messi in parallelo. La causa era una sola riga sulla targhetta — la gruppo vettoriale del trasformatore — dove l’unità installata riporta Dyn11 e quella di riserva che ci era stato chiesto di abbinare riporta Dyn1. Nel lavoro trifase quel numero orario stabilisce se due unità sono gemelle o estranee, ed è la riga più frequentemente lasciata vuota nella richiesta di offerta.

Cosa vi rivela realmente il gruppo vettoriale di un trasformatore

Le lettere descrivono i collegamenti degli avvolgimenti e il numero indica lo spostamento di fase. Le lettere maiuscole si riferiscono all’avvolgimento ad alta tensione (HV), quelle minuscole a quello a bassa tensione (LV): D e d indicano un collegamento a triangolo, Y e y un collegamento a stella, Z e z un collegamento a zigzag, mentre una piccola n significa che il punto neutro è portato fuori e terminato. Quindi una gruppo vettoriale del trasformatore scritta come Dyn11 è un avvolgimento HV a triangolo, un avvolgimento LV a stella con il neutro portato fuori e uno spostamento di fase di 11 × 30 = 330 gradi.

La convenzione dell’orologio è definita con i simboli di collegamento in IEC 60076-1 (https://webstore.iec.ch/en/publication/588/). Immagina il fasore ad alta tensione (HV) orientato verso le dodici; il fasore a bassa tensione (LV) si trova all’ora indicata dal numero. Le undici corrispondono a 330 gradi, ovvero il LV anticipa l’HV di 30 gradi. L’una corrisponde a 30 gradi nella direzione opposta, quindi in un trasformatore Dyn1 il LV ritarda rispetto all’HV di 30 gradi. Entrambe le configurazioni sono legittime e molto diffuse. Inoltre, differiscono tra loro di 60 gradi, non di 0 gradi: questo particolare è spesso causa di errore.

Nessuno di questi parametri è modificabile in fase di messa in servizio. Il gruppo vettoriale deriva dalle connessioni fisiche dei avvolgimenti all’interno del serbatoio e dal modo in cui i conduttori sono collegati ai morsetti; pertanto è fissato in fase di progettazione, riportato sulla targhetta e verificato mediante prova di fabbrica. In un ordine misto potrai inoltre incontrare il gruppo YNd11 (stella HV con neutro, triangolo LV) per applicazioni di innalzamento di tensione, il gruppo Yzn11 per secondari a zigzag e il gruppo Dd0 per unità industriali triangolo-triangolo.

 

Gruppi vettoriali che incontrerai nei progetti reali

Sei gruppi coprono quasi tutto ciò che attraversa il nostro banco di prova. La tabella seguente è la versione pratica che inviamo agli ingegneri di progetto quando chiedono quale gruppo indicare nelle specifiche.

Gruppo Vettoriale	Sfasamento di fase (LV rispetto a HV)	Dove lo Si Trova	Motivo della scelta
Yyn0	0 gradi, in fase	Piccole unità di distribuzione e reti a bassa tensione che devono rimanere in fase con l’alimentazione ad alta tensione	Alimentazione semplice a quattro fili, ma senza avvolgimento a triangolo per assorbire le armoniche tripli
Dyn1	La bassa tensione ritarda di 30 gradi rispetto all’alta tensione	Distribuzione trifase e unità su supporto a terra costruite secondo la prassi nordamericana	La consueta disposizione di distribuzione ANSI e CSA; il triangolo intrappola le armoniche tripli
Dyn11	La bassa tensione anticipa di 30 gradi rispetto all’alta tensione	Reti di distribuzione europee e conformi alla prassi IEC, e la maggior parte dei progetti per l’esportazione	Gruppo di distribuzione IEC predefinito, con lo stesso beneficio armonico del Dyn1
YNd11	La bassa tensione anticipa di 30 gradi rispetto all’alta tensione	Trasformatori di innalzamento per generatori e trasformatori di trasmissione, stella ad alta tensione con neutro collegato a terra	Fornisce un neutro ad alta tensione collegato a terra per il sistema, con avvolgimento secondario a triangolo
Yzn11 / Dz0	Basso voltaggio in anticipo di 30 gradi / in fase	Unità che alimentano carichi basso voltaggio fortemente squilibrati su quattro fili	Avvolgimento secondario a zigzag che trasporta corrente di sequenza zero senza surriscaldarsi
Dd0 + Dy11	30 gradi tra i due secondari	Trasformatori per raddrizzatori e azionamenti a dodici impulsi	I 30 gradi tra i secondari annullano le armoniche quinta e settima

Il collegamento che causa maggiori problemi è di tipo regionale. Nella prassi nordamericana per la distribuzione si adotta il collegamento Dyn1, in cui il lato BT ritarda di 30 gradi rispetto al lato AT; la prassi IEC ed europea invece adotta il collegamento Dyn11, in cui il lato BT anticipa. Entrambi sono corretti, e spesso un diagramma monofiliare riporta soltanto le lettere dei avvolgimenti, senza il numero orario. Se una specifica indica semplicemente «delta-stella» e nulla più, il fornitore realizzerà il trasformatore secondo la convenzione locale, e una unità di ricambio ordinata da un altro paese potrebbe arrivare con uno sfasamento di 60 gradi rispetto all’unità che dovrebbe sostituire.

Pertanto, indicare sempre il simbolo completo: Dyn11, non «delta-stella». Specificare anche il requisito relativo al neutro, poiché Dd o Dy senza la lettera «n» significano l’assenza totale di morsettiera per il neutro, il che modifica il modo in cui il sistema BT viene messo a terra e come viene rilevata la protezione. I sei caratteri aggiuntivi sul disegno non comportano alcun costo nella fase di preventivazione e non possono essere corretti successivamente senza una riconnessione in fabbrica e una nuova prova.

 

Perché il numero dell’orologio determina se due unità possono funzionare in parallelo

Prima che due trasformatori possano condividere un bus, devono essere soddisfatte quattro condizioni: devono avere lo stesso spostamento di fase, lo stesso rapporto di tensione, impedenze strettamente accoppiate e posizioni identiche dei prelievi. Solo la prima è assoluta. Le indicazioni per il funzionamento in parallelo contenute nella norma IEC 60076-8 (https://webstore.iec.ch/en/publication/606/) affrontano la questione esattamente in quest’ordine: il gruppo di collegamento deve coincidere, il rapporto deve coincidere entro una frazione di percentuale e le impedenze devono essere sufficientemente simili affinché nessuna delle due unità superi la propria potenza nominale.

Ecco cosa comporta effettivamente una discrepanza. Prendiamo due unità da 1 000 kVA con una tensione secondaria nominale di 480 V e un’impedenza del 5,5%. Se i loro gruppi differiscono di 30 gradi, le due tensioni secondarie si trovano a differenti angoli di fase e la tensione tra le fasi corrispondenti delle due macchine è pari a 2 × 480 × sin 15°, ovvero circa il 52% della tensione nominale. Dividendo tale valore per la somma delle due impedenze, la corrente di circolazione risulta approssimativamente 4,7 volte la corrente nominale — ancor prima che venga collegato qualsiasi carico. Se i due numeri orari differiscono di 60 gradi — ad esempio un trasformatore Dyn1 affiancato a un Trasformatore Dyn11 — le due tensioni risultano sfasate di un’intera tensione nominale e la corrente di circolazione si avvicina a nove volte la corrente nominale. Chiudere il dispositivo di parallelo in tale condizione non è semplicemente un inconveniente durante la messa in servizio; equivale a un cortocircuito con un interruttore inserito.

Le differenze di rapporto e di impedenza sono più silenziose, ma costose. Una differenza di rapporto dell’1% tra due unità altrimenti identiche genera una corrente circolante pari a circa il 9% della corrente nominale con un’impedenza del 5,5%, che si manifesta come ulteriore perdita a vuoto e come riscaldamento del trasformatore anche in assenza di carico. Una differenza di impedenza non impedisce affatto il funzionamento in parallelo delle unità: determina semplicemente quale unità lavora di più. Con rapporti identici, la ripartizione del carico avviene in proporzione inversa all’impedenza; pertanto l’unità a impedenza minore raggiunge il carico pieno mentre l’altra ne supporta ancora meno. È così che un trasformatore può andare in sovraccarico su un sito in cui tutte le targhette riportano valori apparentemente corretti.

 

Armoniche, messa a terra e carico squilibrato: il secondo motivo per cui il gruppo è importante

La disposizione avvolta fa molto più che ruotare un fasore. In un’unità Dyn, l’avvolgimento ad alta tensione collegato a triangolo offre un percorso chiuso alle correnti di terza armonica e alle correnti di sequenza zero all’interno del trasformatore, in modo che la tensione secondaria rimanga prossima alla forma sinusoidale anche quando il nucleo è fortemente sollecitato. In un’unità Yyn, priva di avvolgimento a triangolo e di avvolgimento terziario, le stesse correnti non hanno alcun percorso di circolazione negli avvolgimenti e spostano invece il punto neutro, motivo per cui le configurazioni Yyn sono normalmente limitate a potenze inferiori per usi distributivi e si adattano male a un impianto pieno di azionamenti a frequenza variabile.

Il collegamento a triangolo fornisce anche il percorso per la componente omopolare, necessario al funzionamento della protezione contro i guasti a terra. In un trasformatore Dyn, un guasto a terra sul lato BT a valle genera una corrente rilevabile e quantificabile dalla protezione sul lato AT, poiché il collegamento a triangolo fornisce il percorso di ritorno. Scegliendo un gruppo di collegamento privo di tale percorso, la corrente di guasto deve invece trovare un percorso alternativo attraverso l’impianto di terra, il che comporta generalmente regolazioni della protezione più lente o meno sensibili. La presenza o meno del neutro portato all’esterno — indicata dalla lettera «n» in Dyn11 — determina se si ha un sistema BT a quattro fili, un morsetto neutro per un resistore di messa a terra oppure un carico a tre fili che deve essere messo a terra altrove.

Si presentano con sufficiente frequenza altri due casi da prevedere fin dalla fase di progettazione. Gli impianti con carichi monofase a bassa tensione particolarmente elevati — ad esempio un edificio commerciale con una forte domanda di illuminazione e prese su una sola fase — sono meglio serviti da gruppi a zigzag come Yzn11, progettati per trasportare in modo continuativo corrente di sequenza zero. Inoltre, un raddrizzatore a dodici impulsi o un grande azionamento in corrente continua è normalmente alimentato da un trasformatore a tre avvolgimenti, i cui due secondari sono sfasati di 30 gradi, poiché tale sfasamento elimina le armoniche quinta e settima prima che raggiungano la rete di alimentazione. Entrambe le scelte vengono definite nella fase di specifica; nessuna delle due è realizzabile come intervento successivo.

 

Cosa inserire nella specifica e come verificarla

Cinque informazioni nella richiesta eliminano quasi tutti i rischi. Primo, il simbolo completo di collegamento con il numero orario, ad esempio Dyn11, oltre al requisito relativo al neutro. Secondo, la gamma di regolazione del tap e se l’unità deve funzionare allo stesso tap di un trasformatore esistente: una unità di riserva che corrisponde in ogni aspetto tranne che nella posizione del tap non è comunque una riserva parallelabile. Terzo, l’impedenza richiesta con una tolleranza specificata, poiché una fascia compresa tra il 5,5% e il 6% costituisce un prodotto diverso rispetto a «circa il 6%». Quarto, il livello di cortocircuito che l’avvolgimento BT deve sopportare, dato che tale parametro interagisce con lo schema di messa a terra e di protezione. Quinto, la sequenza di fase e la convenzione di marcatura dei morsetti desiderata, poiché le designazioni dei morsetti nordamericane e quelle IEC non sono la stessa cosa.

La verifica è semplice ed è un test di routine, non un test speciale. La norma IEC 60076-1 prevede la misurazione del rapporto di tensione e la verifica dello spostamento di fase, mentre la norma IEEE C57.12.90 elenca i test sul rapporto e i test sulla polarità e sulla relazione di fase tra le misure effettuate su unità ad immersione in liquido. Richiedere il verbale di prova che indichi lo spostamento di fase effettivamente misurato sull’unità, non soltanto i valori del rapporto. Un foglio di prova che riporta tre rapporti ma nessun controllo della connessione non fornisce alcuna informazione sulla corrispondenza del gruppo con il disegno.

Quindi leggere la targhetta contro il foglio di prova prima che l’unità lasci lo stabilimento. Il simbolo di collegamento, il rapporto di trasformazione, l’impedenza, la tabella delle prese e il gruppo vettoriale devono tutti risalire allo stesso verbale di prova, e la targhetta deve riportare il marchio di certificazione richiesto dal progetto: un marchio cULus o CSA per installazioni in Canada o negli Stati Uniti, con la norma CSA C227.4 che definisce i requisiti per le unità di distribuzione trifase montate su basamento. È possibile eseguire tale verifica autonomamente tramite la UL Solutions ricerca di certificazioni su https://www.ul.com/, ed è consigliabile farlo prima di accettare una fotografia della targhetta come prova. Questo è anche il momento opportuno per scattare una foto della targhetta e archiviarla, poiché tale immagine diventerà il riferimento per il prossimo ricambio da ordinare.

 

Come costruiamo e testiamo unità personalizzate trifase

Ryan Electric produce trasformatori dal 2007 in uno stabilimento di 120 000 m² dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo e di 37 brevetti, operando nel rispetto dei requisiti UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Come Fornitore di trasformatori certificato UL , spediamo unità contrassegnate cULus e conformi CSA per i progetti nordamericani, e le gruppo vettoriale del trasformatore su ogni unità viene verificata nel reparto prima che il serbatoio venga verniciato. Su ogni unità trifase vengono eseguiti test di rapporto e di relazione di fase; lo spostamento misurato viene registrato sul foglio dei test di routine e la targhetta viene controllata confrontandola con tale foglio anziché con il disegno tecnico, dove solitamente si nascondono le incongruenze.

Gran parte del lavoro su misura che svolgiamo non è particolarmente complessa. Si tratta di un progetto che necessita di una Trasformatore Dyn11 per abbinare un quadro elettrico progettato in Europa, oppure un’unità Dyn1 da installare accanto a un trasformatore nordamericano montato su basamento nello stesso quadro, oppure un’unità di riserva costruita per corrispondere a un’unità già installata, la cui targhetta identificativa è l’unico documento sopravvissuto che ne descrive il collegamento. Dal 2023 operiamo inoltre come partner ufficiale di joint venture di Eaton, il che ha rilevanza principalmente per un motivo: la documentazione e i registri delle prove che un partner di joint venture è tenuto a conservare sono esattamente gli stessi documenti di cui un ingegnere di progetto ha bisogno quando, tre anni dopo la messa in servizio, sorge una domanda relativa al parallelo.

 

Il passo successivo

Inviateci due elementi e la risposta richiede generalmente un giorno: la fotografia della targhetta identificativa del trasformatore già in vostro possesso — comprensiva del simbolo di collegamento e della tabella dei prelievi — e lo schema unifilare del quadro al quale verrà collegata la nuova unità. Con tali informazioni, i nostri ingegneri confermeranno il gruppo di collegamento necessario e vi indicheranno se un modello standard Trasformatore Dyn11 o un costrutto Dyn1 è la scelta più adatta, e indicare per iscritto il rapporto, la tolleranza di impedenza e la gamma di prese che rendono possibile il funzionamento in parallelo.

Se state definendo le specifiche ex novo e non avete ancora stabilito il simbolo di collegamento, questo è il momento opportuno per affrontare l’argomento. Il gruppo vettoriale del trasformatore è determinato dal disegno e confermato mediante prova, quindi è possibile definirlo correttamente già nella fase di preventivo. Richiedete una revisione della specifica con annotazioni, oppure inviateci le caratteristiche tecniche su cui state lavorando e vi forniremo il gruppo, la fascia di impedenza e il piano di prova per il vostro progetto.

Sull'autore

Questa guida è stata redatta dal team di ingegneria applicativa di Ryan Electric, una Fornitore di trasformatori certificato UL che collabora con utility, industrie, centri dati e progetti nel settore delle energie rinnovabili in Nord America, Medio Oriente, Sud-Est asiatico e Africa. I nostri ingegneri hanno supervisionato i test di accettazione in fabbrica per unità immersi nell’olio e a secco, da 500 kVA a 200 MVA, inclusa la verifica del rapporto di trasformazione e della relazione di fase su costruzioni trifase. Inviare i disegni, il quadro motori e una fotografia della targhetta già esistente al nostro ufficio tecnico per una revisione prima dell’emissione dell’ordine d’acquisto.