Test del fattore K dei trasformatori

Configurazione per la determinazione del fattore K del trasformatore

La determinazione e la verifica del fattore K non vengono solitamente effettuate durante i test in fabbrica, bensì durante il funzionamento, in condizioni di simulazione o di prove di carico con distorsione delle armoniche, oppure all’interno di una configurazione dedicata delle prove di carico delle armoniche che utilizza sorgenti di potenza programmabili.

Un analizzatore di potenza rileva lo spettro delle armoniche di corrente generato dai carichi non lineari che causano un surriscaldamento dei trasformatori. I parametri della formula del fattore K vengono misurati in un circuito elettrico esistente, pertanto rappresentano l'effettiva distorsione delle armoniche complessiva e per ciascun ordine di armoniche a cui è sottoposto il trasformatore. Un analizzatore di potenza moderno è in grado di calcolare automaticamente il fattore K sulla base di queste misure.

Interpretazione dei risultati di misura del fattore K di un trasformatore

La formula del fattore K pondera ciascuna armonica in base al quadrato del suo ordine. Le armoniche di ordine superiore generano un apporto di calore molto maggiore a causa delle ulteriori perdite per correnti parassite. Un trasformatore con un fattore K elevato non elimina le armoniche causate dai carichi non lineari assunti dal sistema. È tuttavia progettato per resistere all'aumento di temperatura determinato da tali armoniche. Il fattore K del trasformatore ci indica che è in grado di gestire gli effetti collaterali della distorsione di corrente delle armoniche.

I valori nominali standard del fattore K di un trasformatore possono aiutare a orientare la scelta di acquisto:

• I trasformatori con K-4 sono in grado di gestire carichi non lineari da leggeri a moderati, ad esempio negli uffici dotati di computer, apparecchiature elettroniche e illuminazione a LED.
• I trasformatori K-9 sono particolarmente indicati per impianti in cui fino al 50% del carico totale è di tipo non lineare, ad esempio in ospedali, scuole ed edifici commerciali.
• I trasformatori K-13 sono in grado di gestire carichi non lineari fino al 75%, ad esempio negli impianti di produzione e nelle infrastrutture di telecomunicazione quali sale server, hub di telecomunicazione e torri di comunicazione.
• I trasformatori K-20 sono in grado di gestire carichi non lineari fino al 100% e sono adatti ad applicazioni con armoniche elevate, ad esempio nei data center, nei sistemi UPS e nelle infrastrutture IT.
• Qualsiasi trasformatore con classe di classificazione superiore a K-30 viene realizzato su misura per resistere a correnti di armoniche molto elevate in casi altamente specifici in cui il 100% dei carichi è di tipo non lineare.

Il numero di dispositivi che assorbono carichi non lineari è aumentato rapidamente e continuerà a crescere nel prossimo futuro. Ciò provoca inquinamento elettrico nelle reti di alimentazione. I trasformatori di distribuzione sottoposti a correnti di armoniche subiscono un aumento delle perdite per correnti parassite negli avvolgimenti e delle perdite per dispersione nell'acciaio strutturale, generando calore residuo.

I trasformatori con fattori K elevati presentano:

• Nuclei più resistenti con densità di flusso ottimizzata e una migliore laminazione, realizzati con materiali per nuclei a basse perdite
• Avvolgimenti configurati per ridurre al minimo le perdite per correnti parassite e sagomati in modo da distribuire uniformemente il calore su tutta la superficie
• Conduttori neutri con capacità nominale del 200% per gestire una corrente pari al doppio di quella nominale
• Schermi elettrostatici per proteggere le bobine del trasformatore e i componenti elettronici

Le difficoltà nella determinazione del fattore K di un trasformatore

Per garantire un’installazione sicura ed efficiente, è fondamentale scegliere un trasformatore con un fattore K adeguato. Un trasformatore sovradimensionato è inutilmente costoso, mentre uno sottodimensionato rischia di surriscaldarsi e di guastarsi.

Per determinare il fattore K di un trasformatore non basta misurare la distorsione totale delle armoniche (THD). È fondamentale eseguire un'analisi delle armoniche accurata e dettagliata, poiché il fattore K viene calcolato dai valori RMS delle singole armoniche di corrente. Anche piccoli errori nelle armoniche di ordine superiore possono influire in modo evidente sul risultato.

Tra le sfide più comuni figurano:

• Profili di armoniche complessi e transitori: a differenza del profilo costante di un carico sinusoidale, gli ambienti con un elevato contenuto di armoniche generano carichi transitori e fluttuanti.
• Ampio spettro di armoniche e elevata gamma dinamica: i moderni carichi non lineari generano un contenuto di armoniche complesso che deve essere rilevato su un ampio intervallo di frequenze, con le piccole armoniche di ordine superiore misurate con precisione insieme alla corrente fondamentale, di ampiezza molto maggiore.
• Punti caldi di armoniche: la distribuzione non uniforme delle perdite richiede misure di temperatura più sensibili.
• Effetti dell'angolo di fase: per eseguire test accurati del fattore K è necessario tenere conto non solo dell'ampiezza delle armoniche, ma anche degli effetti dell'angolo di fase delle stesse.
• Armoniche multiple di 3: i multipli della terza armonica (ad esempio, la 3ª, la 9ª, la 15ª) aumentano le perdite negli avvolgimenti e quelle dovute alle correnti parassite, provocando un surriscaldamento esponenziale del trasformatore.
• Armoniche singole rispetto a THD: valori simili di THD possono determinare fattori K significativamente diversi, poiché l'effetto reale delle singole armoniche non si riflette necessariamente nel THD misurato o calcolato per l'intero sistema di alimentazione.
• Condizioni operative rappresentative: i risultati relativi al fattore K sono significativi solo quando le misure riflettono l'effettivo profilo di carico del trasformatore.
• Calcolo e reportistica automatici: il calcolo automatizzato del fattore K e l’esportazione standardizzata dei dati migliorano la ripetibilità, riducono il lavoro manuale e semplificano la documentazione.
• Approccio che guarda al futuro: qualsiasi calcolo basato su un’analisi delle armoniche dei carichi non lineari effettuato oggi dovrebbe tenere conto anche di un potenziale aumento futuro dei carichi non lineari.

Le nostre soluzioni per la determinazione del fattore K dei trasformatori

Un analizzatore di armoniche è lo strumento fondamentale per valutare il carico complessivo di armoniche e misurarne i singoli ordini. Per applicazioni più ampie e complesse che richiedono la determinazione esplicita del fattore K, un analizzatore di potenza offre un’analisi più approfondita sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. L'analizzatore di potenza di precisione LMG671, grazie alla sua capacità di analizzare le armoniche fino al 2000° ordine (ovvero fino a 150 kHz), offre uno spettro eccezionalmente ampio per la misura diretta delle armoniche di corrente tramite la trasformata di Fourier veloce (FFT) ad alta risoluzione.

Scoprite cosa l'analizzatore LMG671 può fare per voi:

• Misure accurate di tensione, corrente, frequenza e THD sia in termini di tensione che di corrente
• Calcolo e visualizzazione in tempo reale e sincronizzati con il ciclo del fattore K, grazie a un esclusivo editor di script integrato
• Analisi della qualità dell'alimentazione sia nel dominio del tempo che della frequenza
• Visualizzazione e quantificazione delle singole componenti di armoniche
• Comportamento non sinusoidale del carico visualizzato sotto forma di forme d'onda del segnale per un'analisi rapida
• Ampia gamma dinamica che assicura la massima precisione di misura delle piccole armoniche di ordine elevato in presenza di correnti fondamentali di grande entità