Avvolgimenti del trasformatore e isolamento del trasformatore

Gli avvolgimenti del trasformatore sono i componenti del circuito di un trasformatore e sono le parti principali per la conversione dell'energia elettromagnetica. Sono costituiti da fili isolati (solitamente rame o alluminio) avvolti secondo uno schema specifico e trasmettono energia attraverso il principio dell'induzione elettromagnetica.

1. Funzioni principali

• Creazione di un campo magnetico: Quando l'avvolgimento primario è alimentato con corrente alternata, si crea un campo magnetico alternato.
• Induzione di forza elettromotrice: questo campo magnetico alternato passa attraverso l'avvolgimento secondario, inducendo una forza elettromotrice (tensione) nell'avvolgimento secondario.
• Modifica della tensione: regolando il rapporto spire degli avvolgimenti primario e secondario, la tensione può essere aumentata o diminuita.

2. Tipologie di avvolgimenti (classificati per livello di tensione e relativa posizione)

• Avvolgimento ad alta-tensione: avvolgimento che resiste a tensioni più elevate. Solitamente ha una sezione trasversale del filo-più piccola (poiché la corrente è relativamente piccola), ma richiede un isolamento elevato.
• Avvolgimento a bassa-tensione: avvolgimento che resiste a una tensione inferiore. Di solito ha una sezione trasversale del cavo-più grande (poiché la corrente è relativamente grande) e ha requisiti di isolamento relativamente inferiori.

Strutturalmente, in base alla loro disposizione sul nucleo, si dividono principalmente in due tipologie:

(1)Avvolgimento concentrico:

• Struttura: gli avvolgimenti di alta-tensione e di bassa-tensione sono avvolti in forme cilindriche di diverso diametro e posizionati concentricamente sull'arto del nucleo.
• Disposizione comune: per facilitare l'isolamento, l'avvolgimento a bassa-tensione è solitamente posizionato all'interno (più vicino al nucleo) e l'avvolgimento ad alta-tensione all'esterno. Questo perché l'isolamento tra l'avvolgimento a bassa-tensione e il nucleo (messo a terra) è più facile da gestire.
• Applicazione: la maggior parte dei trasformatori di potenza (soprattutto quelli con capacità maggiori) utilizzano questa struttura. Il processo di produzione è relativamente semplice e la struttura è robusta.

(2) Avvolgimento intercalato:

• Struttura: sia gli avvolgimenti ad alta-tensione che quelli a bassa-tensione sono realizzati a forma di disco e impilati alternativamente lungo l'altezza del lembo del nucleo.
• Vantaggi: flusso di dispersione ridotto tra gli avvolgimenti, elevata resistenza meccanica e forte resistenza al corto-circuito.
• Applicazione: utilizzato principalmente per trasformatori speciali, come trasformatori di forni elettrici e trasformatori di saldatura, che devono resistere a grandi forze elettromagnetiche.

3. Requisiti principali degli avvolgimenti
Prestazioni elettriche: deve resistere alla tensione operativa a lungo termine-e alle sovratensioni transitorie (come i fulmini).
Prestazioni meccaniche: la struttura deve essere sufficientemente robusta da resistere senza deformazioni alle enormi forze elettromagnetiche generate durante i cortocircuiti.
Prestazioni termiche: dovrebbe avere una buona dissipazione del calore per garantire che l'aumento della temperatura sotto carico a lungo-termine non superi il limite.
Prestazioni del processo: il processo di avvolgimento dovrebbe essere semplice, economico e affidabile.

È il sistema materiale che isola le diverse parti dell'avvolgimento le une dalle altre e separa l'avvolgimento dalle parti messe a terra (come il nucleo e il serbatoio dell'olio). È una parte non-circuitale del trasformatore ma determina la sicurezza e la durata del trasformatore.
1. Funzioni principali

• Isolamento potenziale: separa in modo affidabile le parti conduttrici con potenziali diversi (come avvolgimenti ad alta e bassa tensione e avvolgimento dal nucleo) per prevenire cortocircuiti.
• Canale di dissipazione del calore: i materiali isolanti (come l'olio del trasformatore) spesso fungono da mezzo di raffreddamento, trasferendo il calore generato dall'avvolgimento e dal nucleo.
• Supporto meccanico: anche i materiali isolanti (come il pannello isolante) aiutano a fissare e sostenere gli avvolgimenti.

2. Classificazione dell'isolamento (per posizione e funzione)
Il sistema di isolamento del trasformatore viene solitamente suddiviso in due categorie principali:

• Isolamento interno: Situato all'interno del serbatoio dell'olio del trasformatore, non a diretto contatto con l'aria esterna.
• Isolamento principale: si riferisce all'isolamento tra gli avvolgimenti e le parti messe a terra (come il nucleo e il serbatoio dell'olio) e tra gli avvolgimenti con diversi livelli di tensione (come tra gli avvolgimenti ad alta-tensione e a bassa-tensione). Questo è il nucleo del sistema di isolamento del trasformatore e determina il livello di tensione del trasformatore.
• Isolamento longitudinale: si riferisce all'isolamento all'interno dello stesso avvolgimento, come l'isolamento tra le spire (isolamento da svolta-a-spira), tra gli strati dell'avvolgimento (isolamento da strato-a-strato) e tra le sezioni dell'avvolgimento (isolamento da sezione-a-sezione).
• Isolamento esterno: si riferisce alle parti isolanti esposte all'aria all'esterno del trasformatore, principalmente l'isolamento nella parte superiore delle boccole (all'esterno del serbatoio dell'olio). La sua forza isolante dipende principalmente dalle condizioni dell'aria e dalla distanza superficiale.

3. Principali materiali isolanti
L'isolamento dei trasformatori (in particolare dei trasformatori- immersi in olio) è un sistema composito. I materiali comuni includono:
(1)Materiali isolanti liquidi:

• Olio minerale per trasformatori: il più comunemente usato. Le funzioni includono: isolamento (rigidità dielettrica molto più elevata rispetto all'aria), dissipazione del calore (rimuove il calore attraverso la convezione), protezione (isola l'ossigeno, ritarda l'invecchiamento del materiale).
• Olio isolante estere sintetico o naturale: come olio siliconico o olio isolante vegetale, comunemente usato in luoghi con elevati requisiti di resistenza al fuoco.

(2) Materiali isolanti solidi:

• Carta isolante, pannello isolante: utilizzato per l'isolamento delle spire, l'isolamento a strati, i separatori tra gli avvolgimenti e i cilindri isolanti. Il sistema di isolamento composito in carta olio- è il tipo più classico e affidabile di isolamento del trasformatore.
• Resina epossidica: ampiamente utilizzata nei trasformatori di tipo-a secco, formando un solido isolamento complessivo attraverso la fusione.
• Carta NOMEX®: carta poliammidica aromatica ad alte-prestazioni con elevata resistenza termica, comunemente utilizzata in trasformatori speciali-a secco o di tipo speciale.

Gli avvolgimenti del trasformatore sono i "canali del circuito" per ottenere la conversione dell'energia elettromagnetica, mentre l'isolamento del trasformatore è il "sistema di protezione" che separa in modo sicuro i componenti con potenziali diversi; l'isolamento funge da "armatura" per gli avvolgimenti, garantendo la sicurezza per il loro normale funzionamento e prevenendo incidenti da cortocircuito-. I due si completano a vicenda e insieme determinano le prestazioni del trasformatore, il livello di tensione e l'affidabilità operativa.