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Elettrotecnica

 

Modificare il valore di tensione e corrente

Il trasformatore - costituito da un circuito magnetico, un avvolgimento primario e uno secondario - è capace di modificare il valore di tensione e corrente mantenendone inalterato il loro prodotto ovvero la potenza, separando galvanicamente il circuito a monte da quello a valle.

Macchina elettrica semplice e affidabile, consente di portare, con rendimenti elevati, la tensione dai 6 kV tipici della produzione ai 380 e più kV che minimizzano le perdite di trasmissione o dai 230 V, usuali nella distribuzione in ambito residenziale/ terziario, a quelli molto bassi, esempio 24 V, per massimizzare sicurezza e continuità di servizio.

In questo articolo trascureremo l’autotrasformatore, che pure modifica tensione e corrente del circuito primario e secondario senza separazione galvanica. Nell’autotrasformatore parte della potenza viene trasferita per via elettromagnetica e parte attraverso il collegamento tra primario e secondario; in questo modo si risparmia, rispetto a un trasformatore classico, tanto più rame e ferro quanto più i due valori di tensione - primaria e secondaria - sono prossimi, ma si perde il vantaggio della separazione tra i 2 circuiti.

I trasformatori ausiliari e di potenza, che rappresentano più del 5% del fatturato della distribuzione di materiale elettrico in Italia, sono realizzati da più di un centinaio di costruttori spesso di piccole dimensioni e con copertura regionale.
Le esecuzioni in classe II, trasformatore d’isolamento a doppio isolamento, sono in crescita poiché - con un costo confrontabile con quello di una esecuzione normale - consentono maggiore continuità di servizio potendo effettuare, entro certi limiti, la protezione contro i contatti indiretti senza intervento automatico delle protezioni.
L’esecuzione in classe III, trasformatore di sicurezza a doppio isolamento, oltre a quanto descritto al punto precedente, semplifica la protezione contro i contatti diretti del circuito secondario ed è utilizzata per alimentare avvisatori acustici (campanelli o ronzatori), lampade alogene Bts, citofoni, video citofoni, tvcc, allarmi tecnici, sistemi antintrusione, circuiti domotici (bus), telefoni cordless, segreterie telefoniche, idropulsori, spazzolini elettrici, rasoi...

L’impiego di nuclei in lamierini a grani orientati (G.O. M3), un tempo limitato a esecuzioni di potenza, consente di ottenere ingombri ridotti che agevolano l’installazione di nuove funzioni senza opere murarie per sostituire il quadro d’appartamento.
Un esempio di trasformatore di sicurezza molto compatto, 8 VA in un solo modulo Din, è rappresentato in figura 1.

I centralini d’appartamento dei 30 milioni di abitazioni italiane - in genere 6, massimo 12 moduli - sono in grado di alloggiare nuovi dispositivi quali relè di priorità, scaricatori di tensione eccetera, solo sostituendo dispositivi di protezione differenziali a 4 moduli con quelli a 2 e trasformatori per campanelli da 2 o più moduli con quelli compatti del tipo prima descritto.

In ambito industriale non sono ancora molto diffusi, benché da tempo disponibili, trasformatori caratterizzati da:
- doppio isolamento;
- pluri tensione primaria e secondaria;
- attacco a scatto rapido capaci di ridurre il numero degli articoli gestiti e facilitare il compito del costruttore di quadri.

Economie di scala e progetto accurato offrono il doppio isolamento con costi e prestazioni/ dimensioni equivalenti a quelli di una soluzione in classe I (figura 2).

Il punto 2 consente di standardizzare il quadro elettrico di macchine operatrici, utensili e da imballaggio, di cui l’Italia è significativo produttore, equipaggiandolo con un trasformatore che si adatta alle tensioni europee (concatenate o di fase) e, nei limiti del possibile, a quelle extraeuropee.
In tale modo il cliente finale dovrà solo scegliere la presa adatta.
Un esempio è riportato in figura 3 che rappresenta una esecuzione con tensioni primarie di 110, 230, 400 con prese supplementari

 + e -15 V per adattarlo a linee sovra o sotto alimentate.
Le tensioni complessivamente disponibili sono 95, 110, 125, 215, 230, 245, 385, 400, 415 V.
Analogamente ripartendo il secondario su 2 avvolgimenti e collegandoli come esemplificato in figura 4, si possono ottenere le combinazioni riportate in tabella 1, che contribuiscono a diminuire il numero di codici gestiti.

Tabella 2 - Protezione del primario di un trasformatore monofase



Tabella 3 - Protezione del secondario di un trasformatore

L’impiego di dispositivi per il montaggio a scatto su quadri modulari normalizzati con rotaia Din velocizza il compito del costruttore di quadri, che può inoltre impiegare quadri elettrici standardizzati e certificati.

Di seguito si prendono in esame le regole di protezione contro il sovraccarico e corto circuito e contro i contatti diretti e indiretti.

La protezione contro i sovraccarichi, che può essere posizionata a monte o a valle del circuito, è obbligatoria solo se il circuito è suscettibile di essere sovraccaricato.

La protezione contro i cortocircuiti, sempre richiesta, deve essere posizionata a monte del circuito ed avere potere di interruzione superiore alla massima corrente di corto circuito.

a) al primario
La protezione del primario tiene conto del fatto che:  
1. il trasformatore è un apparecchio che non può, singolarmente, generare sovraccarichi;
2. durante la messa in tensione di un trasformatore, si produce una corrente transitoria dell’ordine di 25 In;

b) al secondario
È necessario effettuare la protezione contro i sovraccarichi e i cortocircuiti.
Per il corto circuito occorre verificare che nel punto più lontano del circuito, un guasto ad impedenza nulla (Icc min) provochi l’intervento del dispositivo di protezione in meno di 5 secondi.
Per i sovraccarichi occorre verificare che la protezione scelta sia inferiore o uguale alla corrente al secondario del trasformatore.

Nel caso in cui il trasformatore alimenti un solo circuito, i calcoli mostrino perfetta compatibilità tra protezione primaria e secondaria (i calibri stanno nel rapporto V1/V2) la protezione sul secondario può essere omessa ed un solo dispositivo di protezione assicura le due funzioni.
Nel caso in cui il trasformatore alimenti più circuiti, i calcoli di sovraccarico e cortocircuito devono essere realizzati individualmente.

Un valore approssimato della corrente di cortocircuito minimo (Icc min) nel punto più lontano dell’impianto può essere ottenuto tramite formula.

Iccmin = (0,8 U° x S)/(1,5 ρ L 2)

dove:
L = lunghezza della linea in metri;
S = sezione del conduttore in mm2;
ρ = resistività del rame 0,0175 Ω mm2/m;
= tensione di fase 230 V.

In alternativa si può utilizzare la tabella 4 nell’ipotesi di un guasto ad impedenza nulla tra fase e neutro, cavi con conduttori in rame, sezione di fase uguale a quella del neutro.


Scegliere la corrente nominale della protezione in modo che il tempo di intervento non superi i 5 sec, ovvero:
- fusibile gG: In ≤ lcc min/4
- interruttore automatico con curva C: In ≤ lcc min/8.

Fig. 4 - Ripartendo il secondario su 2 avvolgimenti e collegandoli si semplifica la gestione

Il calcolo Icc min è omesso effettuando la protezione tramite interruttore differenziale o adottando la protezione contro i contatti indiretti senza intervento automatico delle protezioni, tramite separazione elettrica; in quest’ultimo caso sono richiesti trasformatori d’isolamento o di sicurezza e componenti in classe II.
La protezione sul secondario può essere omessa se si impiegano trasformatori resistenti al corto circuito.

Nei sistemi con tensione non superiore a 50 V AC e 120 DC non ondulata

Per determinare la potenza richiesta si considerano i valori medi seguenti:
- non contemporaneità di due spunti diversi;
- cos fi = 0,45;
- 70% degli apparecchi in funzionamento
70%;

P = 0,8 (ΣPm + ΣPv + Pa).


Dove:
ΣPm = Somma di tutte le potenze di mantenimento
dei contattori;
ΣPv = Somma di tutte le potenze delle lampade
di segnalazione (spie);
Pa = Potenza allo spunto del contattore di
potenza maggiore.

Il trasformatore, quando eroghi costantemente una potenza inferiore alla nominale,può essere sovraccaricato temporaneamente secondo i dati riportati nella tabella 5.

La potenza nominale indica la potenza prelevabile al secondario senza superare i limiti di sovratemperatura prescritti dalle norme, in ambiente con temperatura massima di 35 °C, a 1000 m di altitudine sul livello del mare.
Quando si superino i limiti di sovratemperatura ha luogo una riduzione della potenza disponibile che può essere calcolata con la formula che segue o con la tabella 6:

P = (1 - 0,14 (T-35)) x P1

dove:
T= temperatura ambiente;
P1= potenza nominale a 35 °C.

Di seguito si riportano, in funzione della potenza nominale:
- cadute di tensione e potenza istantanea al variare del fattore di potenza;
- tensione di corto circuito. 

La caduta di tensione in funzione della potenza nominale dipende dalla potenza richiesta, ed è calcolabile in base ai dati di tabella 7, ricordando che:

 - è calcolata ai morsetti secondari del trafo
= linea in uscita di lunghezza uguale a 0;
- se P ½ = c.d.t. ½.

Tale riduzione può essere non compatibile con il buon funzionamento degli utilizzatori allacciati; ad esempio una tensione inferiore del 10% del valore nominale può causare il malfunzionamento di un contattore.
È dunque importante, per un dato cos fi, conoscere preventivamente la tensione che si renderà disponibile.

Calcolo della corrente di corto circuito in un certo punto della conduttura in relazione alla corrente di corto circuito presunta ai morsetti del trasformatore (all’estremità del circuito da proteggere).
Nella tabella 8 è riportato l’esempio di corrente di corto circuito a monte pari a 10 kA, cavo di sezione S pari a 6 mm2, alla fine della tratta di 25 metri la Icc si è ridotta a 2 kA.

Tabella 8 - Un esempio di corto a monte

Fig. 5 - Impiego di dispositivi per il montaggio a scatto su involucri con rotaia DIN velocizza il compito dell'incorporatore