Transformatorul Monofazat

TRANSFORMATORUL ELECTRIC

Este o masina electrica statica (fara parti in miscare) prin care se asigura modificarea parametrilor

energiei electrice de curent alternativ (tensiune, curent, numar de faze) pastrand constants frecventa.

i in cazul transformatorului isi pastreaza va-labilitatea principiul reversibilitatii: un transfor-mator poate fi ridicator de tensiune sau coborator de tensiune dupa cum raportul tensiunilor din primar si secundar este subunitar, respectiv supraunitar. De aici rezulta posibilitatea de a alege cea mai convenabila valoare pentru tensiunea sub care energia electrica, este produsa (5000 ... 24000 V), transportata (220, 380, 750 kV), distribuita (63 sau 150 kV si 5,5 sau 20 kV) si in final, utilizata (220 V sau 380 V).

1.1. Parti componente. Rol functional_

In orice transformator, curentul alternativ primar genereaza intr-un circuit magnetic un flux alternativ care, la randul sau, induce in bobinajul secundar o tensiune electromotoare cu aceeasi variatie (alternativa sinusoidala) si aceeasi perioada ca si curentul primar (fig. 3.1.).

Un transformator indeplineste trei categorii de functii, si anume:

1. crearea unui flux alternativ (funcjie asigurata de infasurarea primara)

2. asigurarea circuitului magnetic pentru inchiderea liniilor de camp (functie asigurata de miezul magnetic)

1. generarea curentului indus (functie asigurata de infasurarea secundara)

2. receptarea curentului primar si trimiterea celui secundar in circuitul exterior (functie asigurata de borne si treceri izolante)

3. reglarea tensiunii (funcfie asigurata de regulatorul de tensiune)

1. sustinerea si protejarea elementelor componente (functie asigurata de cuva si capacul acesteia) Functii | 2. racirea (naturaia sau fottata, in aer sau in ulet)

mecanice 3. fixarea si manipularea (functie asigurata de schela si de inelele de prindere)

4. supravegherea functionarii si intretinerea (functie asigurata de termometre, nivelmetre pentru ulei, dispozitive de golire si umplere pentru ulei etc.)

in plus fata de problemele generale privind constructia masinilor electrice rotative, la transfor-matoare extsta cfiteva aspecte particulare, si anume:

A. Reducerea pierderilor

intr-un transformator, pierderile sunt magnctice (in fier - prin histerezis si prin curenti turbionari) si electrice (in cuprul infasurarilor - prin efect Joule). Pierderile din prima categorie sunt diminuate prin realizarea miezului dm tole subtiri cu pierderi specifice foarte mici. Pierderile prin efect Joule se micsoreaza prin adoptarea unei densitati de curent modefate in infasurari. Cu toate acestea, incirfzirea ramane destul de puternica si impune masuri pentru racire.

Functii magnetice

Functii electrice

B. Izolarea infasurarilor intre ele si fata de masa se impune a fi realizata cu grija.

C. Rezistenta la eforturi electrodinamice: conductoarele apropiate si paralele pot fi supuse unor eforturi considerabile (de atractie sau de respingere) care trebuie prevazute si anulate.

D. Rezistenta infasurarilor la socurile provocate de supratensiuni.

E. Reducerea gabaritului si a greutatii (prin alegerea unor tole cu permeabilitate magnetica ridicata).

Circuitul magnetic al transformatorului asigura inchiderea liniilor de camp magnetic si serveste drept suport pentru infasurarile primara si secundara.La realizarea sa se utilizeaza tole laminate la cald, groase de 0,35 mm si izolate cu lac (pentru transformatoare de putere mica) ori tole laminate la rece (numite si "cu cristale orientate"), avand aceeasi grosime, insa izolate prin tratamente termochimice -carlit de grosime neglijabila (pentru restul transformatoarelor).

Miezurile magnetice pot fi in manta si cu coloane cu sectiunea patrata, dreptunghiulara sau in trepte.

Miezuirile magnetice pot fi realizate prin doua procedee:

- prin suprapunere (figura 1.2.a);

- prin intretesere (figura 1.2.b).

Fig. 1.2. Modalitati de imbinare a miezurilor magnetice:

a - prin suprapunere; b - prin Intretesere

Varianta a presupune stanjarea unor tole U", respectiv ,,I Fiecare din aceste tipuri de tole se impacheteaza separat, dupa care cele doua miezuri magnetice astfel realizate se asambleaza.

Principalul dezavantaj al acestei variante este intrefierul mare din zona de imbinare, intrefier care poate conduce la aparitia unor zgomote si vibratii importante. Din aceasta cauza, in foarte multe cazuri practice se apeleaza la miezuri realizate prin intretesere.

In acest caz tolele "I" se plaseaza pe pozitii diferite in functie de stratul din care fac parte. Pentru exemplificare, in figura 1.2 sunt prezentate pozitiile acestor tole corespunzatoare la doua straturi succesive.

Strangerea pachetului de tole se face cu ajutorul unor buloane izolate fata de miez.

In cazul utilizarii tolelor laminate la rece se are in vedere ca directia liniilor de camp sa coincida, pe cat posibil, cu directia de laminare. Pentru ca in zona de imbinare a coloanelor cu jugurile abaterea liniilor de camp de la directia de laminare sa fie cat mai mica, tolele se imbina sub unghiuri de 45 sau 30/60.

Rigidizarea unui astfel de miez se face cu banda sau cu lacuri speciale.

In ceea ce priveste dispunerea infasurariIor transformatorului se poate adopta una din urmatoarele trei modalitati:

A. infasurari concentrice simple (fig. 1.3.a) utilizate cel mai frecvent: infasurarea de joasa tensiune langa miez si cea de inalta tensiune la exterior;

B. infasurari biconcentrice (fig. 1.3.b) utilizate la transformatoare mari: infasurarea de inalta tensiune este plasata intre doua bobine de joasa tensiune;

C. Infasurari alternate (fig. 1.3.c): infasurarile sunt realizate din galeti montati alternativ (galet = parte components a infasurarii unui transformator, avand forma unui inel cu sectiunea dreptunghiulara si alcatuita din mai multe straturi de spire).

Fig. 1.3. Bobinajul transformatoarelor

a - concentric; b - biconcentric; c - alternat

Pentru bobinaj se utilizeaza, aproape exclusiv, cuprul: conductor rotund (pentru curenti pana la 40 -50 A), conductor profilat de sectiune dreptunghiunlara (pentru curenti mari). Izolatia intre spire se realizeaza cu email la curenti mici si cu hartie electroizolanta la curenti mari. La infasurarile de inalta tensiune se utilizeaza izolatie din bumbac.

Infasurarile transformatorului necesita o consolidare puternica pentru a rezista fortelor electrodinamice radiale si axiale care se exercita intre conductoarele paralele ale bobinelor. Daca fortele radiale nu pot fi evitate si pentru a nu se deforma bobinele, acestea se caleaza pe miez, pentru fortele axiale se pot lua masuri constructive de reducere: acestea constau in realizarea unor bobine cu inaltimea egala cu inaltimea coloanelor miezului, astfel incat jugurile (superior si inferior) sa le fixeze cat mai bine.

Rezistenta infasurarilor la socurile provocate de supratensiunile atmosferice se asigura prin masuri constructive care vizeaza repartitia uniforma a potentialelor pe conductoarele bobinelor (altfel, prima spira - cea care primeste supratensiunea - capata un potential mult mai mare decat celelalte si apare riscul strapungerii izolatiei si amorsarii unui arc electric - avarie grava). Primele spire au izolatia dimensionata mai larg si egalizarea potentiator se realizeaza printr-un inel de garda plasat deasupra intrarii bobinajului (rolul sau este similar unui paratrasnet).

Pentru izolarea bobinelor se utilizeaza materiale electroizolante (lac, hartie bumbac), ecrane electroizolante (intre infasurarea de inalta tensiune si cea de joasa tensiune), impregnare si imersare in ulei (uleiul constituie si mediu de racire).

La puteri mari, incalzirea este puternica (si pierderile sunt mari) si de aceea cuva este prevazuta cu radiatoare (sau cu tevi) pentru cresterea suprafetei de racire.

Cuva transformatorului este prevazuta cu un capac pe care se afla:

izolatorii de trecere, care asigura legarea infasurarilor la reteaua de alimentare;

conservatorul (vas cilindric care preia variabile de volum ale uleiului datorate incalzirii si izoleaza uleiul din cuva fata de aer, apa ori impuritati care ii pot altera proprietatile izolante).

1.2. Principiul de functionare. Ecuatiile transformatorului

Principiul de functionare

Functionarea se bazeaza pe fenomenul de inductie electromagnetica care are loc intre doua sau mai multe infasurari aflate in prezenta si parcurse de curenti alternative

Pentru marirea cuplajului dintre acestea, ele se plaseaza pe un miez magnetic (fig. 1.4).

In figura anterioara, pentru simplificare, a fost considerat un transformator monofazat dotat cu doua infa-furari, ale caror numere de spire sunt nb respectiv N2.

Prima dintre acestea, alimentata la o retea de curent alternativ de tensiune ut poarta numele de

infasurare primara, in timp ce cea de-a doua, la bornele careia se stabileste, prin inductie electromagnetica, tensiunea (la mersul in gol), se numeste infasurare secundara.

Datorita alimentarii infasurarii primare, in miezul magnetic va lua nastere un camp magnetic fascicular ce va induce, in cele doua infasurari, tensiunile electromotoare:

si

Fig. 1.4. Schema de principiu a unui transformator monofazat

In regim permanent sinusoidal raportul valorilor efective ale acestora, si , este egal cu raportul numerelor de spire:

unde k: poarta numele de raport de transformare.

Daca se neglijeaza rezistentele infasurarilor si campul care nu inlantuie infasurarea secundara (dispersiile) se pot face aproximarilesi . Prin urmare se poate scrie:

Din aceasta relatie rezulta ca, printr-o alegere corespunzatoare a numerelor de spire, se poate obtine valoarea dorita a tensiunii secundare necesare alimentarii unui consumator.

1.3. Ecuatiile transformatorului

Se considera un transformator monofazat cu doua infasurari (fig. 1.5): infasurarea primara, cu spire si rezistenta la o retea de tensiune alternativa si parcursa de curentul respectiv infasurarea secundara, cu spire si rezistenta , tensiunea u2 si curentul i2, conectata pe un consumator de tip R, L, C.

Se presupune, de asemenea, ca nu se ia in considerare fenomenul de saturatie a miezului magnetic.

Fig. 1.5. Schema transformatorului monofazat

Fig. 1.6. Reguli de asociere a sensurilor tensiunilor si curentilor pentru receptoare si surse

Fluxul de dispersie al infasurarii primare, la randul sau, se calculeaza cu relajia:

L/afiind inductivitatea de dispersie corespunzatoare.

Prin urmare, Jinand cont de relatiile si se poate scrie. Se aplica acum, in mod similar, teorema a doua a lui Kirchhoff pe conturul Marimile utilizate pentru scrierea acestor e"cua{ii au semnificatii isemanatoare cu cele prezentate anterior.

Fig. 3.8. Explicativa privind modul de alegere a conturului r2.

R2i2 + u2

dVi dV,

dt dt

Intre fluxurile principale Clh, ) ?i fluxul fascicular principal 4>u

dt ' e2 dt ensiunile electromotoare induse in cele doua infasurari.

Inlocuind,se obtin ecuape de tensiuni, in valori instantanee, ale celor doua infasurari: Pentru scrierea acestor ecuatii s-a {inut cont de faptul ca inductivitatile de dispersie sunt constante atorita faptului ca liniile fluxurilor de dispersie corespunzatoare, i ^Vja, se inchid, in cea mai mare arte, prin aer, nefiind astfel influence de saturatia miezului.

Din definitia raportului de transformare se poate scrie:

N2Uel " Nlue2

Considerand ca transformatorul lucreaza in regim de permanent sinusoidal, ecua^iile se pot scrie, in complex simpiificat, sub forma urmatoare: r

Hi =R1Li+j