Avvolgimento trasformatori: Rame vs Alluminio

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!