Le armoniche rappresentano un problema significativo nei sistemi di alimentazione elettrica e il loro impatto sui trasformatori di potenza a secco è un argomento che richiede attenzione. In qualità di fornitore diTrasformatore di potenza a secco, ho assistito in prima persona alle sfide e alle implicazioni che le armoniche possono comportare per questi componenti essenziali dell’infrastruttura elettrica.
Comprendere le armoniche
Le armoniche sono tensioni o correnti sinusoidali che hanno frequenze che sono multipli interi della frequenza fondamentale (solitamente 50 o 60 Hz). In un sistema di alimentazione ideale, le forme d'onda di tensione e corrente sono onde sinusoidali pure alla frequenza fondamentale. Tuttavia, il crescente utilizzo di carichi non lineari come azionamenti a frequenza variabile, computer e reattori elettronici ha portato all’introduzione di armoniche nel sistema di alimentazione.
I carichi non lineari assorbono la corrente in brevi impulsi anziché in una forma d'onda sinusoidale uniforme. Queste forme d'onda di corrente non sinusoidali contengono componenti armoniche. Ad esempio, una corrente di terza armonica ha una frequenza tre volte quella della frequenza fondamentale, una corrente di quinta armonica ha una frequenza cinque volte quella fondamentale e così via.
Impatto sui trasformatori di potenza a secco
1. Aumento del riscaldamento
Uno degli impatti più significativi delle armoniche sui trasformatori di potenza a secco è l'aumento del riscaldamento. I trasformatori sono progettati per funzionare con forme d'onda sinusoidali alla frequenza fondamentale. Quando sono presenti armoniche, le correnti armoniche aggiuntive che fluiscono attraverso gli avvolgimenti del trasformatore causano perdite aggiuntive.
Le perdite in un trasformatore possono essere suddivise in due tipologie principali: perdite nel rame e perdite nel nucleo. Le perdite nel rame sono proporzionali al quadrato della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti. Poiché le correnti armoniche si aggiungono alla corrente totale, le perdite nel rame aumentano in modo significativo. Ad esempio, se nel sistema è presente la corrente di terza armonica, la corrente totale nell'avvolgimento è la somma vettoriale della corrente fondamentale e della corrente di terza armonica. L'aumento della corrente porta ad un aumento delle perdite $I^{2}R$, dove $I$ è la corrente e $R$ è la resistenza dell'avvolgimento.
Anche le perdite del nucleo aumentano a causa delle armoniche. L'isteresi e le perdite di correnti parassite nel nucleo del trasformatore dipendono dalla frequenza. Le armoniche a frequenza più elevata causano cambiamenti più rapidi nel campo magnetico all'interno del nucleo, con conseguente aumento delle perdite per isteresi. Le perdite per correnti parassite sono proporzionali al quadrato della frequenza, quindi la presenza di armoniche ad alta frequenza può causare un aumento sostanziale delle perdite per correnti parassite.
Questo aumento del riscaldamento può avere diverse conseguenze negative. Può ridurre la durata dell'isolamento del trasformatore. I materiali isolanti nei trasformatori di tipo secco, come la resina epossidica inTrasformatore a secco in resina epossidica, sono progettati per funzionare entro un determinato intervallo di temperature. Un riscaldamento eccessivo può causare un deterioramento più rapido dell'isolamento, con conseguente rottura dell'isolamento e potenziale guasto del trasformatore.
2. Declassamento dei trasformatori
A causa del maggiore riscaldamento causato dalle armoniche, potrebbe essere necessario declassare i trasformatori di potenza di tipo a secco. Declassare significa ridurre la capacità nominale del trasformatore per garantire che possa funzionare in sicurezza in condizioni ricche di armoniche.
L'entità del declassamento richiesto dipende dall'entità e dalla frequenza delle armoniche presenti nel sistema. Ad esempio, se la distorsione armonica totale (THD) della corrente è relativamente bassa, diciamo inferiore al 10%, il declassamento potrebbe essere minimo. Tuttavia, se il THD è elevato, ad esempio il 30% o più, potrebbe essere necessario declassare il trasformatore in misura significativa, forse il 20-30% della sua capacità nominale.
Il declassamento di un trasformatore può essere una soluzione costosa. Potrebbe richiedere l'installazione di un trasformatore di capacità maggiore di quella necessaria in un ambiente non armonico. Ciò aumenta il costo dell'investimento iniziale e occupa anche più spazio nell'impianto elettrico.
3. Distorsione di tensione
Le armoniche possono anche causare distorsioni di tensione nel sistema di alimentazione. Quando le correnti armoniche fluiscono attraverso l'impedenza del trasformatore e della rete elettrica associata, creano cadute di tensione alle frequenze armoniche. Queste cadute di tensione distorcono la forma d'onda della tensione ai terminali del trasformatore.
La distorsione della tensione può avere un impatto negativo sulle prestazioni di altre apparecchiature elettriche collegate allo stesso sistema. Ad esempio, le apparecchiature elettroniche sensibili potrebbero non funzionare correttamente o avere un'affidabilità ridotta a causa della tensione distorta. Inoltre, la distorsione della tensione può causare ulteriori perdite in altri dispositivi elettrici, con conseguente aumento del consumo energetico.
4. Rumore udibile
La presenza di armoniche può aumentare il rumore udibile emesso dai trasformatori di potenza a secco. Le forze magnetiche all'interno del nucleo del trasformatore sono proporzionali al quadrato della densità del flusso magnetico. Poiché le armoniche causano cambiamenti nel campo magnetico, possono portare ad un aumento delle vibrazioni meccaniche nel nucleo e negli avvolgimenti.
Queste vibrazioni vengono trasmesse all'involucro del trasformatore e irradiate come onde sonore. Le armoniche ad alta frequenza possono produrre un lamento o un ronzio acuto, che può essere fastidioso nelle aree residenziali o commerciali in cui è situato il trasformatore.
Strategie di mitigazione
1. Filtri armonici
I filtri armonici sono uno dei metodi più comuni per mitigare l'impatto delle armoniche sui trasformatori di potenza a secco. Esistono due tipi principali di filtri armonici: filtri passivi e filtri attivi.
I filtri passivi sono costituiti da induttori, condensatori e resistori collegati in una configurazione specifica per fornire un percorso a bassa impedenza per le correnti armoniche. Sono relativamente semplici ed economici, ma sono progettati per filtrare frequenze armoniche specifiche. Ad esempio, un filtro passivo può essere progettato per filtrare la quinta e la settima armonica.
I filtri attivi, invece, sono più complessi e costosi. Usano l'elettronica di potenza per generare una corrente di compensazione uguale in grandezza e opposta in fase alla corrente armonica. I filtri attivi possono adattarsi ai cambiamenti nello spettro armonico e fornire una soluzione più completa per la mitigazione delle armoniche.
2. Selezionare il trasformatore giusto
Quando si progetta un sistema elettrico con armoniche, è importante selezionare il giusto trasformatore di potenza a secco. Alcuni trasformatori sono progettati specificatamente per gestire ambienti ricchi di armoniche. Ad esempio, i trasformatori con un fattore k più elevato sono più adatti per l'uso in sistemi con armoniche significative.
Il fattore k è una misura della capacità del trasformatore di gestire carichi non sinusoidali. Un trasformatore con un fattore k più elevato può dissipare il calore aggiuntivo generato dalle armoniche in modo più efficace. Quando si specifica un trasformatore per un'applicazione ricca di armoniche, si consiglia di scegliere un trasformatore con fattore ak appropriato per i livelli armonici previsti nel sistema.
Il nostro ruolo come fornitore di trasformatori di potenza a secco
In qualità di fornitore diTrasformatore di potenza a secco, comprendiamo le sfide poste dalle armoniche ai nostri clienti. Offriamo una gamma di soluzioni per aiutare i nostri clienti a mitigare l'impatto delle armoniche sui loro trasformatori.
Possiamo fornire trasformatori con diversi fattori K per adattarsi a vari ambienti armonici. NostroTrasformatore di potenza a secco ad alta tensione da 10 kvè progettato per soddisfare i requisiti delle applicazioni ad alta tensione, anche in presenza di armoniche.
Inoltre, possiamo offrire supporto tecnico ai nostri clienti. Il nostro team di esperti può analizzare il contenuto armonico dei loro sistemi di alimentazione e consigliare le strategie di mitigazione più appropriate. Che si tratti della scelta del trasformatore giusto, dell'installazione di filtri armonici o dell'implementazione di altre misure, ci impegniamo ad aiutare i nostri clienti a garantire il funzionamento affidabile ed efficiente dei loro sistemi elettrici.
Se stai affrontando sfide legate alle armoniche nel tuo sistema elettrico e hai bisogno di un trasformatore di potenza a secco affidabile, ti invitiamo a contattarci. Il nostro team di vendita esperto è pronto a discutere le vostre esigenze specifiche e fornirvi una soluzione personalizzata. Possiamo aiutarvi a selezionare il trasformatore giusto e offrire indicazioni sulle strategie di mitigazione delle armoniche per garantire prestazioni e affidabilità a lungo termine del vostro impianto elettrico.
Riferimenti
- Standard IEEE 519 - 2014, "Pratiche e requisiti raccomandati IEEE per il controllo delle armoniche nei sistemi di alimentazione elettrica".
- "Ingegneria dei trasformatori: progettazione, tecnologia e diagnostica" di JC Das.
- "Qualità dell'energia nei sistemi elettrici" di L. Gyugyi e ED Stacey.