Tensione di cortocircuito di un trasformatore.

[Alfa220780A]

Un saluto cordialissimo a tutti.
Vorrei sottoporre due domande alle quali ho difficoltà a trovare una risposta giusta.
Se già esiste qualcosa nel forum, mi scuso molto per non averla trovata e ringrazio anticipatamente quanti avranno la pazienza di indicarmelo oltre a quanti avranno la stessa pazienza per aiutarmi a rispondere alle seguenti domande.

1. Quali sono le caratteristiche costruttive che distinguono un trasformatore con una tensione di cortocircuito del 6% da quelle di un trasformatore con una tensione costruttiva dell'8%?
In particolare quando si ordina un trasformatore con una tensione di cortocircuito dell'8%, su cosa interviene il Costruttore rispetto ad una macchina con le stesse caratteristiche ma con tensione del 6%

2. In passato, presso un'Azienda che costruisce anche trasformatori, notai che alimentando una nuova macchina con tensione nominale, la tensione secondaria a vuoto risultava maggiore del suo valore nominale. Il titolare dell'Azienda mi disse che era una cosa normale perché la maggiorazione misurata corrispondeva al valore della tensione di cortocircuito della macchina. Cioè, semplificando al massimo: U2=U20+Ucc%.
Perdonate la mia ignoranza ma ancora oggi non riesco a spiegarmi questa risposta. Potreste fornirmi qualche spiegazione più precisa? (Ovviamente ammesso che la risposta che mi fu data all'epoca fosse corretta)

Grazie ancora anticipatamente a quanti dedicheranno un poco del loro tempo prezioso ai miei quesiti.
Saluti

[MarcoD]

Ho solo vecchi ricordi scolastici, li enuncio anche per chiederne conferma.
Secondo me la tensione di cortocircuito è la tensione applicata al primario tale che nel secondario cortocircuitato circola la corrente nominale di progetto del trasformatore.
In un trasformatore ideale detta tensione è zero.
In uno reale è il 5 - 8 % della tensione nominale di alimentazione e corrisponde alle perdite nel rame degli avvolgimenti per effetto delle correnti circolanti.

Nel progetto del trasformatore, dovendo dimensionare il rapporto spire per una tensione al secondario in corrispondenza della corrente del carico nominale, si sceglie un rapporto spire maggiore del 5-8 % per compensare la caduta nel rame (quindi la tensione al secondario a vuoto sarà maggiore del 5-8 % di quella prevista con la corrente di carico nominale).

Sarà giusto?

[Alfa220780A]

Buongiorno,
ringrazio MarcoD per il suo contributo e confermo che la Vcc% a cui faccio riferimento è proprio quella da lui citata.

Provo a fornire un aggiornamento solo di tipo qualitativo che rappresenta ciò a cui sono giunto riaprendo i vecchi testi di studio.
Mi scuso moltissimo per le eventuali imprecisioni e ringrazio chiunque le correggerà all'unico scopo di comprendere a pieno la questione.

1. La Vcc% dipende dall'impedenza interna del trasformatore, pertanto i due trasformatori differiscono in base ad essa. In particolare, per realizzare una macchina all'8%, il Costruttore realizzerà avvolgimenti con impedenza maggiore (sia per resistenza che per reattanza) ma mantenendo sempre stabile la potenza nominale del trasformatore. Il Costruttore potrà, quindi scegliere i materiali, regolare la sezione dei conduttori ed il loro posizionamento (quest'ultimo per variare il flusso disperso) garantendo, al contempo, le tensioni nominali, la potenza nominale della macchina (cioè garantendo il fatto che gli avvolgimenti sopportino le correnti nominali previste in base alla potenza della macchina), il gruppo vettoriale, ecc.... Inoltre progetterà il trasformatore con un diverso valore dell'induzione e quindi del flusso nel nucleo per variare la reattanza degli avvolgimenti (perdonate le imprecisioni e le inesattezze).

2. In via di principio, l'osservazione mi sembra corretta (la formula esposta è forse posta male sotto il mero profilo matematico ma questa risposta resta sul piano qualitativo).
Infatti, affinché in caso di cortocircuito sia possibile limitare la corrente di guasto in impianto (quello alimentato dal trasformatore), sovente si scelgono macchine con Vcc% più alta.
La limitazione maggiore della corrente di guasto è dovuta proprio al fatto che più alta è la Vcc% del trasformatore, maggiore sarà la sua impedenza interna (equivalente secondaria, quindi, intesa come impedenza complessiva del primario e del secondario vista dal secondario).
Questo aspetto, però, comporta un risvolto della medaglia che è spesso trascurato.
Proprio perché l'impedenza interna del trasformatore sarà più alta, la macchina introdurrà una caduta di tensione maggiore all'aumentare della corrente del carico.
Ciò si tradurrebbe in una riduzione della tensione ai morsetti del trasformatore all'aumentare della corrente del carico per riuscire ad avere una maggiore limitazione delle eventuali correnti di guasto.
Quando si sceglie un trasformatore e si ha l'esigenza di ridurre le correnti di guasto richiedendo una macchina con Vcc% maggiore, ad esempio, del 6%, occorrerebbe valutare gli effetti di una minore tensione di alimentazione del carico.
Sotto questo aspetto, occorre anche considerare che le regolazioni normalmente previste sul lato primario sono del +/- 2,5%+2,5% e non è detto che siano sufficienti a compensare la variazione di tensione dovuta alla maggiore Vcc% del trasformatore, soprattutto perché potrebbero risultare eccessive rispetto alla variazione introdotta dalla maggiore Vcc%.
Tuttavia, il trasformatore si progetta per fornire la tensione nominale voluta in presenza della corrente nominale del carico.
Ne consegue che tra due macchine con diversa Vcc%, quella con Vcc% minore presenterà una tensione a vuoto più prossima alla tensione nominale, mentre quella con Vcc% maggiore potrebbe avere una tensione nominale secondaria a vuoto maggiore di quella presente con carico nominale.
In altri termini, maggiore sarà la Vcc% del trasformatore, maggiore sarà la tensione secondaria a vuoto anche in presenza di tensione primaria al valore nominale.
Tale tensione secondaria, raggiungerà il valore nominale in prossimità della corrente nominale del trasformatore (sempre in presenza di tensione primaria nominale).
In tale fase suppongo che durante la prova a vuoto della macchina si verifichi che la tensione secondaria, benché più alta del valore nominale rientri entro adeguate tolleranze (ad esempio +/- 10% del valore nominale) ammesse dalla norma per il corretto funzionamento dei carichi da alimentare.
Ciò significa che quando si richiede un trasformatore con Vcc% più alta del consueto (ad esempio maggiore del 6%), tale macchina sarà progettata per aver una tensione secondaria a vuoto più alta di quella nominale e resterà tale fintantoché il carico sarà minore di quello nominale.
Ora non so se la "sovratensione" secondaria a vuoto corrisponda esattamente alla Vcc% e per questo attendo ulteriori contributi però quanto sopra è ciò che mi sembra di aver compreso e mi scuso se ho capito male, mi sono espresso male o ho scritto qualche castroneria.

Attendo Maggiori chiarimenti da quanti vorranno partecipare e che ringrazio anticipatamente.

[MarcoD]

Grazie Alfa220780A, per la spiegazione.
In effetti ci sono due esigenze contrastanti:

- avere un trasformatore con una limitata corrente in caso di cortocircuito del carico al secondario, tollerando una maggiore variazione di tensione al secondario fra vuoto e carico.

- avere un trasformatore con poche perdite (nel rame) e quindi un rendimento alto e meno potenza sprecata in calore (forse il trasformatore è più costoso).

La scelta dipenderà anche dall'utilizzo e dalla potenza del trasformatore.

[Alfa220780A]

Grazie Alfa220780A, per la spiegazione.
In effetti ci sono due esigenze contrastanti:

- avere un trasformatore con una limitata corrente in caso di cortocircuito del carico al secondario, tollerando una maggiore variazione di tensione al secondario fra vuoto e carico.

- avere un trasformatore con poche perdite (nel rame) e quindi un rendimento alto e meno potenza sprecata in calore (forse il trasformatore è più costoso).

La scelta dipenderà anche dall'utilizzo e dalla potenza del trasformatore.

Grazie a te MarcoD per la pazienza ed il tempo dedicato.

Confermo il fatto che un trasformatore all'8% costa più della stessa macchina al 6% e qui nascevano le mie perplessità, perché, spesso, si propone ad un cliente di acquistare una macchina più costosa pensando che aiuti a limitare le correnti di guasto ed invece, ancor più spesso, si trascurano gli effetti sulla tensione fino a quando non li si ritrovano nell'impianto e ci si accorge che non sempre si possono compensare con la sola regolazione di tensione al primario (prese predisposte dal Costruttore).

Occorre, quindi, eseguire una scelta oculata della tensione di cortocircuito del trasformatore e ricorrere a macchine con Vcc% più elevata solo in caso di effettiva necessità, quando, ad esempio, le condizioni impiantistiche rendono particolarmente elevate le correnti di guasto (più trasformatori in parallelo, trasformatori di potenza elevata, linee corte di grande sezione, ecc... ) ed i costi per l'acquisto di interruttori con elevati poteri di interruzione anche in termini di "Icu", norma CEI EN 60942-2 (CEI 121-9) e non solo in termini di "Icn", norma CEI EN 60898-1 - CEI 23-145, possano essere particolarmente ingenti o possano condurre a difficoltà di reperimento.

Anche la tua osservazione circa il rendimento dei trasformatori che mal si adatta a valori di Vcc% elevate, soprattutto nel caso degli impianti di produzione ad energia rinnovabile, in cui ogni kWh prodotto è prezioso, mi sembra un ottimo spunto di riflessione a cui, sinceramente, non avevo proprio pensato.

Benedetto confronto!!!

Nel complesso, quindi, tra due macchine con diversa Vcc%, quella con un valore maggiore avrà una tensione a vuoto superiore alla nominale che resterà tale fino alla corrente nominale (di progetto del trasformatore) per poi diminuire in misura maggiore superata la corrente nominale o, meglio, all'aumentare del carico.
In altre parole il trasformatore con Vcc% maggiore sarà più "instabile" alle variazioni del carico e ciò lo rende più adatto a quelle situazioni in cui il carico è più stabile.
Ho capito bene?

Se ciò che ho scritto è qualitativamente corretto, resta solo da capire se è plausibile che, a vuoto, la tensione sia maggiore proprio del valore della Vcc% rispetto al valore nominale.