Trasformatori di potenza e distribuzione
Mentre la tecnologia di alimentazione a commutazione rappresenta una percentuale crescente dei dispositivi di conversione di potenza, la trasmissione di energia su larga scala continua a basarsi quasi esclusivamente su trasformatori di potenza e trasformatori di distribuzione.
Funzionano secondo il principio dell’induzione elettromagnetica e, sebbene le esigenze specifiche di questi due tipi di trasformatori differiscano per motivi che non è necessario discutere qui, entrambi rappresentano una sfida per la strumentazione di misura con cui devono essere testati.
Misurazione dell'efficienza e delle perdite
Date le dimensioni dei trasformatori di distribuzione di potenza, l’importanza di ridurre al minimo le perdite diventa particolarmente importante. Solo una piccola perdita percentuale rappresenta un grande valore di potenza assoluta, e questo rappresenta un problema più grande della semplice perdita di efficienza nella distribuzione dell’energia. Un’ulteriore sfida consiste nel massimizzare l’affidabilità e la durata dei trasformatori di potenza in una rete che dovrebbe fornire energia senza interruzioni. Quindi, dato che l’affidabilità dei componenti elettrici è direttamente correlata alla temperatura di esercizio, ne consegue che i progetti dei trasformatori devono prestare molta attenzione a qualsiasi fonte di calore attraverso le perdite.
Due particolari sfide di misurazione sono l’accuratezza di fase, in cui l’induttanza quasi perfetta significa che un piccolo errore di fase si tradurrà in un grande errore di potenza, e la distorsione armonica, in cui i materiali magnetici non lineari provocano forme d’onda non sinusoidali che potrebbero non soddisfare i criteri di distorsione e aumentare le perdite del nucleo.
Fattore di potenza e Cos Phi
Fattore di potenza dovuto all’angolo di fase mostrato come grafico temporale e vettore. Nell’elettronica di potenza, il fattore di potenza è definito come il rapporto tra la potenza “reale” o “utile” misurata in Watt e la potenza “apparente”, VA, il prodotto di Volt RMS e corrente RMS. In un perfetto sistema AC sinusoidale con un carico resistivo, i Watt sarebbero uguali al VA, quindi il fattore di potenza sarebbe ‘1’. Tuttavia, in un sistema reale, lo sfasamento, la distorsione armonica o entrambi, ridurranno il fattore di potenza verso ‘0’.
Il termine Cos Phi, abbreviazione di coseno dell’angolo di fase tra tensione e corrente, è spesso usato in modo intercambiabile con fattore di potenza, poiché risulta nello stesso numero in un sistema di alimentazione CA senza distorsione armonica. In realtà, tuttavia, è improbabile che un trasformatore di potenza abbia lo stesso fattore di potenza e Cos Phi, perché i trasformatori di potenza di solito utilizzano un nucleo in acciaio laminato con una curva B-H non lineare associata, che si traduce in una corrente non sinusoidale. È per questo motivo che i protocolli di misura nelle grandi aziende produttrici di trasformatori di potenza continuano ad applicare fattori di conversione e termini speciali come il fattore “K”, che spiegano la limitazione degli strumenti di misura convenzionali rispetto alle forme d’onda armonicamente distorte.
SFRA (analisi della risposta in frequenza di scansione)
Mentre il principio generale dei trasformatori di potenza è relativamente facile da capire, il design e la struttura meccanica sono complessi. Il materiale del nucleo, l’assemblaggio e il posizionamento dell’avvolgimento, la qualità dell’interconnessione, le proprietà e lo spessore dell’isolamento, la purezza dell’olio di raffreddamento e molti altri elementi di un gruppo trasformatore influenzeranno la sua funzionalità quando viene costruito per la prima volta, poi quando viene spedito a destinazione e nel tempo, quando l’ambiente, la manutenzione e l’invecchiamento dei materiali cambieranno il comportamento del trasformatore.
La Sweep Frequency Response Analysis è una tecnica di misura che caratterizza il comportamento di uno specifico trasformatore risultante dalle sue particolari e uniche caratteristiche meccaniche, per produrre quello che viene comunemente chiamato “fingerprint plot”, chiamato così perché è unico per il trasformatore a cui si applica. Questi grafici vengono utilizzati dal produttore per convalidare il corretto assemblaggio del trasformatore, dai tecnici della messa in servizio per confermare che non si siano verificati danni durante il trasporto e dai tecnici dell’assistenza, per la manutenzione predittiva continua.