Cosa sono le barre di distribuzione elettriche?

Una barra di distribuzione elettrica è una barra, una striscia, un'asta o un tubo metallico che conduce la corrente da un luogo all'altro in modo sicuro con perdite di energia minime. Vengono comunemente utilizzate al posto di fili o cavi per la distribuzione dell'energia ad alta potenza, in apparecchiature ad alta tensione e in applicazioni con batterie a bassa tensione. La maggior parte delle configurazioni delle barre di distribuzione non è isolata per migliorare il raffreddamento convettivo e consentire un facile accesso ai nuovi collegamenti. Poiché la maggior parte delle barre di distribuzione funziona con un'alimentazione trifase ad alta tensione, molti sistemi di barre di distribuzione elettriche includono tre conduttori separati progettati per lavorare insieme in modo sicuro ed efficiente. 

Gli ingegneri che progettano le barre di distribuzione per applicazioni di alimentazione elettrica devono bilanciare spazio, costo, sicurezza, resistenza, capacità e induttanza tra i rami o i materiali conduttori vicini, opzioni di montaggio e raffreddamento. Questi requisiti spesso contrastanti rendono la simulazione elettrica, magnetica, termica e strutturale cruciale per il processo di progettazione. 

Le barre di distribuzione vengono installate nei sistemi elettrici in quanto offrono vantaggi di progettazione rispetto a fili o cablaggi. Alcune delle applicazioni più comuni sono:

Quadro di alimentazione elettrico

Il quadro elettrico viene utilizzato nei sistemi di alimentazione elettrica come interruttori, fusibili e interruttori automatici che proteggono, controllano e isolano elettricamente le apparecchiature elettriche, spesso in un impianto di generazione di energia o in sottostazioni. Le barre di distribuzione collegano componenti come trasformatori, fusibili e macchinari industriali. Possono anche distribuire l'alimentazione all'interno di un dispositivo.

Condotti di distribuzione o linee di distribuzione

I condotti di distribuzione sono contenitori lunghi che contengono barre di distribuzione o cavi utilizzati come connettori di alimentazione da una posizione all'altra. Le linee di distribuzione sono costituite da condotti metallici o strutture in resina colata che contengono le barre di distribuzione. Nelle applicazioni per l'energia elettrica, sono spesso costruiti con condotti incorporati nel calcestruzzo.

Schede di distribuzione dell'alimentazione 

Le schede di distribuzione dell'alimentazione sono utilizzate negli edifici per la distribuzione dell'energia elettrica, dividendo gli alimentatori di energia in entrata in circuiti separati. Le schede orizzontali o verticali sono posizionate strategicamente e i circuiti sono collegati tramite attacchi. Il sistema è collocato in un armadio con messa a terra o in una posizione elevata. 

Distribuzione della potenza della batteria

La rigidità e la geometria sottile rendono le barre di distribuzione la soluzione ideale per connettere i pacchi batterie nei veicoli elettrici e nelle applicazioni di immagazzinamento dell'energia. A differenza della maggior parte delle applicazioni, i sistemi a batteria EV talvolta utilizzano barre di distribuzione isolate realizzate in alluminio anziché barre di distribuzione in rame non isolate in quanto hanno un peso ridotto. 

Sistemi di energia rinnovabile

L'efficienza è fondamentale per i sistemi a energia solare, eolica, idroelettrica e per altri tipi di energia rinnovabile. Le barre di distribuzione offrono un metodo efficiente, affidabile e robusto per il trasferimento e l'erogazione di potenza all'interno dei dispositivi utilizzati nelle applicazioni di energia rinnovabile con maggiore efficienza e flessibilità. 

Macchinari industriali

Le attrezzature industriali traggono la potenza dalle schede di distribuzione dell'alimentazione della barra di distribuzione e utilizzano barre di distribuzione interne per la distribuzione della potenza dall'alimentatore di potenza agli alimentatori che conducono ai componenti alimentati all'interno del sistema. 

Dispositivi elettronici

Sebbene solitamente le barre di distribuzione vengano utilizzate per la trasmissione di energia e in apparecchiature ad alta potenza, i progettisti le utilizzano per gli stessi motivi all'interno dei dispositivi elettronici, specialmente nell'elettronica di potenza. Il fattore di forma sottile e il peso ridotto li rendono una buona scelta per risolvere i problemi di packaging o per gestire la distribuzione termica. 

I fornitori hanno sviluppato un'ampia varietà di tipi di barre di distribuzione per soddisfare le esigenze di un numero crescente di applicazioni. Le barre di distribuzione possono essere raggruppate in base alle caratteristiche seguenti:

Materiale

I fornitori producono barre di distribuzione con qualsiasi materiale conduttore, ma la maggior parte utilizza rame o alluminio. Il rame metallico è secondo per conduttività, dopo l'argento. L'alluminio è il quarto metallo più conduttivo, ma è più leggero e meno costoso del rame. Le barre in alluminio così come quelle in rame sono generalmente elettroplaccate con rivestimenti di stagno, nichel o argento per ridurre la corrosione e migliorare le prestazioni complessive. 

Forma

La forma delle barre di distribuzione influisce sulla loro conduttività a causa dell'effetto pelle e del trasferimento di calore dalla barra. Nella maggior parte dei casi, l'obiettivo è avere un elevato rapporto tra area della superficie e area della sezione trasversale. 

Ecco un elenco delle forme più comuni:

• Barra di distribuzione rigida (barra piatta): La forma più comunemente utilizzata è una barra lunga, sottile e rigida. Sono spesso modellate al momento della produzione per soddisfare esigenze specifiche. 
• Barre di distribuzione a sezione trasversale speciali: Alcune barre di distribuzione utilizzano sezioni trasversali a forma di "U", "T" o "L" per fornire una maggiore rigidità di piegatura, aumentare l'area della superficie e fornire più opzioni di collegamento. 
• Barre di distribuzione laminate o flessibili: Le barre di distribuzione flessibili sono create attraverso la laminazione di strisce o fogli metallici sottili. Ciò non solo rende le barre di distribuzione più flessibili, ma aumenta anche l'area della superficiale totale e, di conseguenza, la conduttività. 
• Barra di distribuzione rotonda: Le barre di distribuzione con sezione cilindrica piena o cava sono utilizzate per applicazioni ad alta corrente in cui sono necessarie maggiore rigidità, rotazione o flessibilità di installazione. 
• Isolamento: Un altro modo per distinguere un tipo di barra di distribuzione è attraverso il modo in cui è isolata dalla struttura circostante. In alcuni casi, è rivestita con un polimero isolante o può essere isolata e tenuta in posizione da supporti isolati o isolanti.

Capacità e tipo di trasporto di corrente

Una barra di distribuzione monofase ha due circuiti: uno sotto tensione e uno neutro. Le barre di distribuzione trifase utilizzano quattro conduttori, uno per ogni fase e l'altro come corsa neutra. Mentre i tipi monofase e trifase si occupano di applicazioni a corrente alternata (CA), alcune barre di distribuzione trasportano corrente continua (CC).

Gli ingegneri scelgono le barre di distribuzione per diversi motivi, in genere a causa di costi, prestazioni e sicurezza. Nella maggior parte dei casi, le caratteristiche seguenti determinano la scelta delle barre di distribuzione rispetto ad altre opzioni di distribuzione della potenza:

• Distribuzione dell'alimentazione semplificata: Le barre di distribuzione combinano molti collegamenti elettrici in un mozzo centrale. Ciò è più facile da progettare e gestire rispetto ai cablaggi complessi.
• Flessibilità geometrica: Le barre di distribuzione possono essere costruite in quasi tutte le forme e si adattano a quasi tutte le applicazioni. 
• Facilità di connessione: Le barre di distribuzione non hanno bisogno di connessioni elettriche complesse. Se è necessaria l'alimentazione, è sufficiente connettere un filo alla superficie.
• Fattore di forma: La topologia sottile delle barre di distribuzione aiuta a distribuire l'alimentazione in spazi ristretti, come si può vedere nei pacchi batterie, nei componenti elettronici o nei macchinari industriali. 
• Rigidità: La rigidità strutturale delle barre di distribuzione elimina la necessità di gestione di cavi. Possono contribuire alla resistenza complessiva della struttura e coprire distanze più lunghe. 
• Efficienza in termini di costi: Le barre di distribuzione possono costare meno delle opzioni di cablaggio. Inoltre, sono meno costose da installare, manutenere e riparare. 
• Sostenibilità: Poiché sono realizzate principalmente in rame massiccio o alluminio, le barre di distribuzione sono facili da riciclare. 

Come si può vedere dai diversi tipi di barre di distribuzione, gli ingegneri hanno a disposizione un'ampia scelta di materiali, configurazioni, rivestimenti e geometrie. Gli strumenti di simulazione multifisica sono un complemento perfetto al processo di progettazione perché forniscono un modo rapido e preciso per comprendere l'interazione dei campi elettromagnetici, la generazione di calore, il trasferimento di calore e la risposta strutturale. 

Gli ingegneri desiderano ottimizzare i progetti delle barre di distribuzione per ottenere la massima efficienza, operare in sicurezza e ridurre al minimo i costi. Una volta compreso il percorso del circuito, possono creare un modello elettromagnetico a bassa frequenza in un programma come il solutore di campo elettromagnetico avanzato Ansys Maxwell® per calcolare il campo elettromagnetico, la generazione di calore e le perdite dovute a resistenza, capacità e induttanza. Possono ottimizzare automaticamente la geometria o intraprendere studi teorici per determinare la forma migliore per ciascun modulo nella barra di distribuzione. 

Simulazione della densità di corrente su barre di distribuzione trifase utilizzando Ansys Maxwell

Se l'applicazione coinvolge più circuiti, come in un'applicazione trifase, gli ingegneri possono utilizzare il software di simulazione elettromagnetica di estrazione parassita Ansys Q3D Extractor® per modellare rapidamente l'intero sistema e calcolare i parametri parassiti per resistenza, induttanza, capacità e conduttanza dipendenti dalla frequenza (RLCG)

Viene quindi implementato uno strumento termico strutturale generico come il software di analisi strutturale a elementi finiti Ansys Mechanical™ per esaminare le sollecitazioni termiche, assicurarsi che nessuna delle frequenze naturali sia un multiplo della frequenza elettrica operativa e valutare la rigidità complessiva del sistema.

Risorse correlate