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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.

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 

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.

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.

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 

, 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).

 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.

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.

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.

London Metal Exchange (LME) (giugno 2021): rame a 9.900 dollari/ton e alluminio a 2.500 dollari/ton.

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!

Trasformatori in alluminio contro trasformatori in rame

TMC Transformers Group è un'azienda europea attiva in tutto il mondo, leader nella produzione di trasformatori e reattori a secco di media e bassa tensione in tecnologia cast resin e VPI. È un'impresa composta da quasi 200 persone, ha sede nel Nord Italia e possiede un quartier generale in Svizzera e alcune filiali nel Nord e nel Centro Italia.

L'azienda appartiene al Next Technology Group, che riunisce un gruppo accuratamente selezionato di ingegneri e tecnici con vasta esperienza nella progettazione e produzione di trasformatori speciali. Il Gruppo TMC comprende diverse aziende: TMC Transformers di Busto Arsizio, focalizzata su soluzioni speciali; TMC Low Voltage, per la produzione di trasformatori e reattori di bassa tensione; Marnate Trasformatori, dedicata ai trasformatori standard a secco; e l’ultima acquisizione, RITZ Power Transformers, una filiale dell'affermata azienda tedesca leader nei trasformatori per strumenti, nell’applicazione di cast resin e nei sistemi di sbarre e trasformatori di potenza isolati in cast resin.

Easy Engineering: Quali sono le principali aree di attività dell'azienda?

 I prodotti TMC Transformers sono realizzati per la distribuzione e le applicazioni speciali: due anime molto diverse riunite sotto un unico tetto, per offrire ai nostri clienti la tecnologia e il servizio più adeguati. L'azienda si occupa principalmente di trasformatori e reattori a secco per tutte le applicazioni a livello mondiale. Parliamo di industria, distribuzione semplice per edifici e infrastrutture, sottostazioni di trazione, nautica e offshore, petrolio e gas, energie rinnovabili, accumulo di batterie, industria mineraria, data center, centrali elettriche e mobilità elettrica.

Per le applicazioni nautiche e offshore, TMC fornisce trasformatori converter marini, trasformatori di distribuzione e reattori, applicati a navi militari, navi da crociera, navi portacontainer, navi offshore per l'estrazione di petrolio e gas fino a piccole navi da ricerca.

Per la generazione di energia, i prodotti sono progettati per soddisfare le esigenze di semplici sistemi di distribuzione o di eccitazione.

Nel contesto industriale, ogni specialità industriale ha bisogno di trasformatori e induttanze per gestire correttamente l'energia elettrica per alimentare, controllare e far funzionare i macchinari.

Nel settore del petrolio e del gas, TMC è in grado di soddisfare le esigenze di qualsiasi ambito, dalla perforazione, alla produzione onshore e offshore, al trasporto con navi o oleodotti, fino alla lavorazione finale in raffineria.

Negli ultimi due anni, abbiamo sviluppato soprattutto trasformatori per installazioni all'aperto (quindi per miniere, accumulatori di batterie, alcuni impianti industriali e impianti per la produzione di energia), ovvero trasformatori adatti, da IP34 a IP56 o addirittura IP68, ad andare sott'acqua. Sfidiamo il mercato dei trasformatori a secco proponendo l’impiego delle nostre soluzioni all'esterno, dove l'ambiente potrebbe essere piuttosto ostile.

 Nell'ultimo mese, in seguito all'acquisizione di RITZ Power Transformer, abbiamo acquisito una nuova tecnologia denominata GlasVac: una nuova tecnica di fusione con un livello più elevato di fibra di vetro, che utilizza il processo di fusione sotto vuoto. Questa tecnologia ha sia il vantaggio di utilizzare la fibra di vetro, rendendo i trasformatori più resistenti soprattutto dal punto di vista meccanico, sia quello di garantire, grazie al processo sottovuoto, bassi livelli di scarica parziale. Questa tecnologia sarà utilizzata come alternativa al calco tradizionale e sarà potenzialmente applicata a una serie di applicazioni in cui può essere efficacemente utilizzata per ottenere un vantaggio.

Lo sviluppo più innovativo riguarda i trasformatori da esterno, per i quali abbiamo introdotto nuove modalità di protezione e soluzioni innovative per il raffreddamento. Siamo in grado di fornire una soluzione adeguata per qualsiasi ambiente specifico, anche il più inquinato, umido o aggressivo. Come esempio di questa nuova innovazione, abbiamo recentemente realizzato, da un lato, un'installazione in una miniera nel mezzo del deserto e, dall'altro, un’installazione in una zona molto nevosa e fredda, vicino al circolo polare artico.

I nostri trasformatori coprono l'intera gamma di trasformatori a secco, dai piccoli trasformatori a bassa tensione a partire da 5 kVA, fino ai grandi trasformatori per applicazioni come petrolio e gas, che possono arrivare a 25 MVA con 52 kV di tensione di isolamento. Tutti i prodotti possono essere forniti con protezione a partire da IP00 fino a IP68.

E.E: In che fase si trova il mercato in cui operate attualmente?

Durante il Covid, abbiamo assistito a un forte rallentamento di tutte le attività e molte aziende hanno dovuto sospendere i progetti e rimandare le consegne, mentre nell'ultimo anno, con l'uscita del mondo dalla pandemia, il mercato ha iniziato a riprendersi. Molte attività stanno cercando un approccio più sostenibile, creando così nuove opportunità, e anche se l’ostacolo principale del nostro mercato durante la pandemia era la mancanza di materie prime, stiamo vivendo una buona ripresa del mercato, e questo sta sicuramente gettando le basi per una futura espansione del mercato.

E.E: Cosa potete dirci sulle tendenze del mercato?

 I trasformatori a secco stanno sicuramente vivendo un trend di mercato positivo, con nuove applicazioni che crescono e richiedono questa tecnologia. I trasformatori a secco sono una tecnologia ecologica, completamente compatibile con l'ambiente, non inquinante e riciclabile, e possono essere utilizzati anche in applicazioni all'aperto dove di solito si utilizzano soluzioni a olio. Inoltre, vediamo sempre più spesso, in diversi mercati, una crescente attenzione all'efficienza del prodotto, con basse perdite. Alta efficienza significa alto risparmio energetico che corrisponde a un risparmio di CO2, in linea con la transizione verde che si sta verificando negli ultimi anni e che la maggior parte delle persone sta cercando di compiere nel mondo.

E.E: Quali sono i prodotti più innovativi commercializzati?

Come già accennato, i trasformatori a secco iniziano a essere utilizzati anche in applicazioni esterne grazie alle continue innovazioni apportate a questi prodotti e ai materiali utilizzati. Grazie a questi progressi, sono state sviluppate certificazioni specifiche per garantire agli utenti un elevato livello di affidabilità del trasformatore. TMC Transformers ha certificato i suoi prodotti con uno dei più alti rating disponibili sul mercato, ottenuto grazie a una buona protezione del trasformatore e a un design particolare, che ha permesso di ottenere la certificazione E4 C5 F1. Questa certificazione implica che i nostri prodotti possono essere utilizzati in ambienti difficili, grazie all'elevata classe ambientale per aree altamente inquinate, nonché alla classe climatica, per il trasporto, lo stoccaggio e il funzionamento a temperature molto basse (fino a -50 ° per il funzionamento e -60 ° per lo stoccaggio e il trasporto), e alla resistenza al rischio di incendio.

E.E: Quali sono le vostre stime per il 2022?

 Per il prossimo anno, ci aspettiamo una crescita del mercato, quindi il piano di TMC è seguire questo percorso per crescere ulteriormente rispetto all'anno scorso. Vediamo un trend positivo e il nostro obiettivo è quello di consolidare la nostra posizione soprattutto in questo nuovo mercato delle applicazioni esterne, come l'industria mineraria, l'accumulo di batterie e le nuove applicazioni energetiche come la produzione di idrogeno, oltre a consolidare lo stabilimento appena aperto nel Centro Italia. Disponiamo già di un portafoglio versatile di prodotti per questa fabbrica che opera nel mercato dei trasformatori di bassa tensione, quindi il nostro obiettivo principale è migliorarlo e offrirlo al mercato, rendendo questi prodotti adatti alla maggior parte della nostra clientela e ampliando il nostro parco clienti.

TMC: il futuro del mondo dei trasformatori

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