Lo sviluppo degli avvolgimenti in alluminio

Storicamente, il rame è stato il conduttore preferito per le trasmissioni e le macchine elettriche perché era un materiale facilmente reperibile, semplice da lavorare e, soprattutto, un eccezionale conduttore di elettricità.

Durante la Seconda Guerra Mondiale, la domanda dell'industria degli armamenti portò a una forte carenza di rame per altri usi. I produttori di attrezzatura elettrica avevano bisogno di un materiale alternativo e l'alluminio era una scelta ovvia, soprattutto perché era (ed è tuttora) uno dei metalli più abbondanti del pianeta e ha un'eccellente conducibilità termica ed elettrica.

Nelle prime fasi, la lavorazione dell'alluminio si è rivelata più difficile di quella del rame. Tuttavia, i moderni processi produttivi e metallurgici sono migliorati notevolmente.

I progressi nella tecnologia di giunzione hanno reso l'alluminio più adatto come conduttore di avvolgimento. Negli ultimi 50 anni si è diffuso l'uso dell'alluminio come conduttore di avvolgimento nei trasformatori.

I prezzi più bassi e stabili (rispetto al rame) lo rendono oggi il materiale preferito dai produttori di trasformatori in cast resin.

Rame o alluminio?

Tutti i principali produttori producono da molti anni trasformatori che utilizzano conduttori di avvolgimento sia in alluminio che in rame. La scelta del materiale dipende principalmente dalle specifiche tecniche del progetto o dalle preferenze del cliente.

I produttori esperti hanno una conoscenza e un'esperienza adeguata dei "pro e contro" tecnici di entrambi i materiali conduttori e possono consigliare la soluzione tecnica migliore per ogni progetto specifico. Entrambi i materiali di avvolgimento forniscono trasformatori a bassa perdita e altamente affidabili, con prestazioni tecniche identiche. Tuttavia, l'utilizzo dell'alluminio presenta diversi vantaggi sia dal punto di vista tecnico che economico.

Trasformatori: ingombro e massa

  • Per la stessa capacità di trasporto di corrente, un conduttore in alluminio dovrebbe avere una sezione trasversale più grande di circa il 63% rispetto al conduttore equivalente in rame.
  • Tuttavia, la densità dell'alluminio rispetto al rame fa sì che la massa dell'avvolgimento in alluminio sia comunque inferiore del 50% rispetto all'equivalente in rame.
  • Il maggior volume del conduttore in alluminio aumenta le dimensioni del nucleo magnetico, con un conseguente aumento della massa del nucleo di circa il 10-15 %.
  • Nel complesso, il trasformatore in alluminio ha un volume leggermente superiore ma una massa inferiore (circa il 10-12% in meno) rispetto al trasformatore in rame equivalente.

FATTO: I trasformatori in alluminio hanno un volume maggiore ma una massa inferiore rispetto a quelli in rame.

Conduttore di avvolgimento per trasformatori in cast resin

  • I trasformatori in cast resin hanno avvolgimenti HV (e occasionalmente anche LV) incapsulati (fusi) in resina epossidica.
  • È importante che l'espansione termica della resina epossidica corrisponda all'espansione termica del conduttore.
  • La corrispondenza di queste caratteristiche permette di evitare le sollecitazioni meccaniche interne e la potenziale fessurazione della resina.
  • Il coefficiente di espansione dell'alluminio è più simile a quello delle resine epossidiche di fusione maggiormente disponibili in commercio che al coefficiente di espansione del rame.
  • Ciò è particolarmente importante se il trasformatore è soggetto a rapidi cambiamenti di carico durante il ciclo di lavoro o a sovraccarichi significativi.

FATTO: Il coefficiente di espansione dell'alluminio è più simile a quello della resina epossidica che a quello del rame.

Sovratemperature in caso di sovraccarichi di breve durata o cortocircuiti del sistema

  • L'aumento della temperatura dell'avvolgimento in queste condizioni dipende da:

1. La capacità termica specifica del materiale conduttore.

2. La massa del materiale conduttore.

  • La capacità termica specifica dell'alluminio è significativamente più alta (x 2,4) di quella del rame.
  • La massa dell'avvolgimento in alluminio è inferiore di circa il 50% rispetto a quella dell'avvolgimento in rame.
  • L'aumento di temperatura in condizioni di sovraccarico dell'avvolgimento in alluminio è pari a circa il 75% di quello dell'avvolgimento in rame equivalente.
  • Il miglioramento della costante di tempo termica si traduce in una migliore capacità di sovraccarico a breve termine e in un conseguente aumento della durata del sistema di isolamento dell'avvolgimento.

FATTO: Gli avvolgimenti in alluminio hanno una migliore capacità di sovraccarico a breve termine rispetto al rame.

Temperature dei punti caldi dei trasformatori

  • Il punto di fusione dell'alluminio (660 °C) è notevolmente inferiore a quello del rame (1085 °C).
  • Tuttavia, la temperatura dell'avvolgimento, e in particolare la temperatura dei punti caldi, è limitata dalla classe termica del sistema di isolamento.
  • Per i sistemi in cast resin, si tratta solitamente della Classe F (155 °C) o, in alcuni casi, della Classe H (180 °C).
  • Le temperature dei punti caldi non sono diverse per i trasformatori in alluminio o in rame. A queste temperature di esercizio, le proprietà meccaniche degli avvolgimenti in alluminio non sono influenzate dalla temperatura del trasformatore.

FATTO: Gli avvolgimenti in alluminio presentano le stesse temperature dei punti caldi del rame.

Prestazioni dielettriche

  • La maggior parte dei trasformatori in cast resin utilizza la tecnologia degli avvolgimenti a lamina sugli avvolgimenti HV e LV.
  • Questo è tecnicamente molto significativo per l'avvolgimento HV.
  • La tecnologia di avvolgimento a lamina crea una bobina di avvolgimento con una capacità in serie molto elevata.
  • In questo modo si ottiene una distribuzione più uniforme di qualsiasi tensione transitoria (sovratensione di commutazione) sull'avvolgimento e una migliore resistenza alla tensione transitoria.
  • I trasformatori in cast resin di qualità utilizzano sempre la tecnologia di avvolgimento a lamina, che determina la rigidità dielettrica degli avvolgimenti e non la scelta del materiale conduttore.
  • Pertanto, le prestazioni dielettriche dell'alluminio e del rame avvolti in lamina possono essere considerate identiche.
  • In teoria, il maggior volume (superficie) del conduttore in alluminio determina una capacità in serie più elevata rispetto all'avvolgimento in rame equivalente – quindi l'avvolgimento in alluminio può essere considerato più resistente – ma in realtà la differenza è trascurabile.

FATTO: Le prestazioni dielettriche dell'alluminio e del rame devono essere considerate identiche.

Perdite ed efficienza

  • La massa di un avvolgimento in alluminio è inferiore di circa il 50% rispetto a quella di un avvolgimento in rame.
  • Il volume maggiore del conduttore in alluminio aumenta la massa del nucleo magnetico di circa il 10-15%.
  • Questo aumento del volume del conduttore aumenta potenzialmente sia la perdita di carico che l'impedenza percentuale.
  • L'aumento del volume del nucleo aumenta potenzialmente la perdita a vuoto.
  • Le differenze di progettazione tra alluminio e rame si basano strettamente sull'ottimizzazione della geometria dell'avvolgimento, delle perdite e delle prestazioni termiche, e sui costi relativi dei materiali attivi.
  • Da questo punto di vista, non c'è alcuna differenza in termini di efficienza tra un modello in alluminio e uno in rame: le perdite, l'impedenza e le prestazioni dielettriche possono essere esattamente equiparate per entrambi i materiali.
  • Tuttavia, poiché prosegue la tendenza verso trasformatori più efficienti (ECO design), sarà molto più facile da un punto di vista economico ottenere perdite di carico inferiori utilizzando l'alluminio.

FATTO: In termini di efficienza complessiva, la differenza tra un modello in rame e uno in alluminio è trascurabile.

Considerazioni economiche

  • London Metal Exchange (LME) (giugno 2021): rame a 9.900 dollari/ton e alluminio a 2.500 dollari/ton.
  • Rapporto di costo di 3,96:1.
  • Inoltre, un modello in alluminio ha il 50% di massa conduttrice in meno rispetto all'equivalente in rame.
  • Si può quindi notare che l'uso dell'alluminio comporta una riduzione molto significativa del costo del materiale di avvolgimento e quindi del costo del trasformatore finito.
  • I prezzi delle materie prime variano storicamente da un anno all'altro, ma un trasformatore in cast resin di rame sarà sempre significativamente più costoso dell'equivalente in alluminio.
  • È proprio per questo motivo che l'alluminio è il conduttore di avvolgimento scelto dalla stragrande maggioranza dei produttori di cast resin del mondo.

FATTO: Il trasformatore in rame sarà sempre significativamente più costoso dell'equivalente in alluminio, senza alcuna differenza tecnica in termini di prestazioni!