Perché il trasformatore si dimensiona sui carichi reali
In un edificio con cabina di trasformazione, il trasformatore MT/BT è l'elemento che alimenta l'intero impianto elettrico. La sua potenza determina la corrente disponibile a valle, il livello della corrente di cortocircuito e, indirettamente, il dimensionamento di tutta la catena di protezione.
Scegliere un trasformatore troppo piccolo significa rischiare sovraccarichi e invecchiamento precoce dell'isolante; sceglierlo troppo grande fa crescere le perdite a vuoto, gli ingombri e la corrente di cortocircuito, senza un beneficio reale. Il dimensionamento corretto nasce dalla stima dei carichi, non da un margine arbitrario.
Il procedimento parte dalle potenze installate, applica i coefficienti di contemporaneità e di utilizzazione, ricava la potenza apparente richiesta e la confronta con le taglie commerciali disponibili, tenendo conto delle condizioni di servizio previste.
Dai carichi alla potenza apparente
Il primo passo è l'inventario dei carichi: illuminazione, prese, climatizzazione, ascensori, pompe, macchine e servizi comuni. Per ciascun gruppo si conosce o si stima la potenza attiva, espressa in kilowatt.
Il trasformatore si dimensiona però sulla potenza apparente, espressa in kilovoltampere, perché è questa la grandezza che tiene conto del fattore di potenza dei carichi. Il rapporto tra potenza attiva e apparente è il fattore di potenza: più è basso, più la potenza apparente richiesta supera quella attiva.
La relazione di base è quindi S = P / cos φ, dove S è la potenza apparente, P la potenza attiva e cos φ il fattore di potenza. Un impianto con molti carichi induttivi, come motori e alimentatori, ha un fattore di potenza basso e richiede un trasformatore più grande a parità di potenza utile.
Fattori di contemporaneità e di utilizzazione
Sommare tutte le potenze installate porterebbe a un risultato molto superiore alla realtà: gli utilizzatori non funzionano tutti insieme e, quando funzionano, non assorbono sempre la potenza nominale. È qui che entrano in gioco i coefficienti di riduzione.
Il fattore di contemporaneità tiene conto della probabilità che più carichi assorbano energia nello stesso momento; il fattore di utilizzazione considera che un utilizzatore raramente lavora al massimo. Applicati separatamente o combinati, questi coefficienti riducono la potenza di calcolo.
La scelta dei coefficienti dipende dal tipo di edificio: in un'abitazione prevale l'uso non contemporaneo degli elettrodomestici, in un complesso uffici il contributo di climatizzazione e illuminazione è più continuo. Una stima ragionata dei coefficienti è più affidabile di un margine fisso aggiunto alla fine.
Taglie commerciali e grandezze caratteristiche
La potenza calcolata si confronta con le taglie commerciali normalizzate della serie di trasformatori, tipicamente 100, 160, 250, 400, 630, 800 e 1000 kVA e oltre. Si sceglie la taglia immediatamente superiore alla potenza richiesta, verificando che il carico non superi stabilmente la potenza nominale.
Oltre alla potenza, il trasformatore è caratterizzato dalla tensione di cortocircuito, in genere espressa in percentuale, che influenza la corrente di guasto a valle, e dal gruppo di collegamento tra avvolgimenti, spesso Dyn11 per le cabine MT/BT di distribuzione. Queste grandezze incidono sul coordinamento delle protezioni.
| Taglia | Impiego tipico | Nota |
|---|---|---|
| Fino a 250 kVA | Piccoli edifici, servizi singoli | Ingombri contenuti |
| 400–630 kVA | Edifici residenziali e uffici | Compromesso tra costi e perdite |
| Oltre 1000 kVA | Grandi complessi | Correnti di guasto elevate a valle |
La tensione di cortocircuito più alta limita la corrente di guasto e facilita il coordinamento delle protezioni a valle, ma comporta una maggiore caduta di tensione in servizio. Il dimensionamento tiene conto di entrambi gli effetti.
Condizioni di servizio e derating
La potenza di targa di un trasformatore vale in condizioni di riferimento definite dalla IEC 60076: temperatura ambiente, altitudine e tipo di raffreddamento. Quando le condizioni reali differiscono, la potenza utilizzabile diminuisce.
A temperature ambiente superiori a quelle di riferimento la capacità di smaltire calore si riduce e occorre ridurre il carico ammesso. Lo stesso vale in quota, dove l'aria meno densa raffredda peggio gli avvolgimenti. Il tipo di raffreddamento, naturale o forzato, incide sulla potenza disponibile a parità di costruzione.
Anche le perdite contano: le perdite a vuoto sono sempre presenti, anche senza carico, mentre le perdite a carico crescono con il quadrato della corrente. Per un impianto che funziona molte ore con carico basso, un livello contenuto di perdite a vuoto riduce i consumi lungo tutta la vita utile.
Perdite, rendimento e scelta costruttiva
Le perdite di un trasformatore si dividono in due gruppi. Le perdite a vuoto dipendono dal circuito magnetico e restano praticamente costanti qualunque sia il carico; le perdite a carico crescono con il quadrato della corrente e riguardano gli avvolgimenti.
Il rendimento è massimo quando le due componenti di perdita si equivalgono, cioè in corrispondenza di un carico intermedio. Per un impianto che lavora a carico ridotto per molte ore conviene una costruzione con perdite a vuoto contenute, anche se il costo iniziale è più alto.
La scelta tra raffreddamento naturale e forzato incide sulla potenza disponibile e sulla rumorosità. Il raffreddamento forzato aumenta la potenza erogabile a parità di dimensioni, ma introduce ventilazione e manutenzione aggiuntive, da valutare in base al profilo di carico reale dell'edificio.
Esempio pratico e conclusione
Consideriamo un edificio di uffici: la somma dei carichi installati è di 720 kW, il fattore di potenza medio è di circa 0,9 e i fattori di contemporaneità e utilizzazione riducono il carico di calcolo a circa 500 kW. La potenza apparente richiesta risulta quindi pari a circa 555 kVA.
Confrontando il valore con le taglie commerciali si sceglie un trasformatore da 630 kVA, che lascia un margine per uno sviluppo futuro e per le condizioni ambientali effettive. Si verifica poi la tensione di cortocircuito per il coordinamento delle protezioni a valle.
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Domande frequenti
Si dimensiona sulla potenza attiva o apparente?
Sulla potenza apparente, espressa in kVA, perché tiene conto del fattore di potenza dei carichi. Si ricava dividendo la potenza attiva per il fattore di potenza.
A che cosa servono i fattori di contemporaneità?
A ridurre la somma dei carichi installati, perché gli utilizzatori non funzionano tutti insieme né sempre al massimo. Rendono il dimensionamento aderente all'uso reale.
Perché la tensione di cortocircuito è importante?
Determina la corrente di guasto a valle del trasformatore. Un valore più alto limita la corrente e facilita il coordinamento delle protezioni, ma aumenta la caduta di tensione.
Quando occorre ridurre la potenza del trasformatore?
Quando le condizioni reali differiscono da quelle di riferimento: temperatura ambiente elevata, altitudine superiore ai valori di targa o raffreddamento diverso da quello previsto.