Maini i acionri electrice2. TRANSFORMATORUL ELECTRIC2.1. DEFINIIE. CLASIFICRITransformatorul electric este o main electric static de curent alternativ, cu dou sau mai multe nfurri cuplate magnetic, care reali-zeaztransformareaenergieielectromagneticedeanumiiparametrii(U1, I1) n energie electromagnetic de ali parametrii (U2,I2), de regul frecvena rmnnd neschimbat.Exist o mare diversitate de tipuri de transformatoare electrice, astfel:a) Dup destinaie i puterile vehiculate distingem: transformatoare de putere; transformatoare speciale.Ceamai mareparteatransformatoarelordeputeresunt utilizaten transportul i distribuiaenergiei electrice, cunoscut fiindfaptul ceste mult mai economictransportul energiei electriceladistanemari subo tensiunect mai ridicati curent ct mai redusi inndseamai de necesitile consumatorilor. Exist ns i unele transformatoare de putere utilizate n scopuri speciale: alimentarea cuptoarelor electrice din metalurgie, a unor instalaii de redresare de putere, a unor instalaii pentru sudare electric etc.n categoria transformatoarelor speciale intr:- autotransformatoarele (monofazate sau trifazate) destinate alimentrii unor circuite cu tensiune reglabil;- transformatoaredemsur(reductoaredecurent i detensiune) destinate extinderii domeniilor de msurare ale sistemelor de msurare ale tensiunii i curentului;- transformatoare de sudur, pentru sudarea cu arc electric de curent alternativ;- transformatoaredencercri cuajutorul croraseobintensiuni nalte necesare ncercrii rezistenelor de izolaie;- transformatoaredeadaptarecarengeneral sunt transformatoare monofazate de puteri reduse utilizate n instalaiile de redresare.24Maini i acionri electriceTot n aceast categorie trebuiesc incluse i transformatoarele modificatoare de frecven sau de numr de faze.b) Dup numrul de faze: transformatoare monofazate; transformatoare polifazate (dintre acestea cele mai importante i mai rspndite sunt cele trifazate).c) Dup forma circuitului magnetic: n coloane; n manta.d) Dup forma nfurrilor: cu nfurri (bobine) concentrice; cu bobine alternante (n galei sau n aibe).e) Dup locul de amplasare: de interior (amplasate n interiorul cldirilor); de exterior, fixe sau mobile (electroalimentare).f) Dup agentul de rcire: transformatoare uscate (agentul de rcire este aerul); transformatoare cu rcire n ulei.Circulaia agentului de rcire (aer sauulei) poate fi natural sau forat.2.2. ELEMENTELE CONSTRUCTIVE ALE TRANSFORMATOARELORPrincipalele subansamble constructive ale unui transformator sunt:a) circuitul magnetic;b) circuitul electric;c) elementele de asamblare i accesoriile.a) Circuitul magnetic:Este realizat din tole subiri (0,3; 0,35 sau 0,5 mm) din oel electrotehnic, care este un oel srac n carbon, aliat cu siliciu (2 5%), izolate ntre ele cu hrtie, lacuri, oxizi sau straturi ceramice pentru reducerea pierderilor prin cureni turbionari (Foucault).Reamintim faptul c pierderile n miezul feromagnetic, denumite scurt pierderi n fier (pFe), constau n pierderi prin histerezis (pH) care reprezint circa 70 80% din pierderile totale n fier i pierderi prin cureni turbionari, pF = (20 30%) pFe. Ambele categorii de pierderi n fier sunt dependente de frecvena fa tensiunii de alimentare i de valoarea maxim a induciei magnetice, B.252. Transformatorul electric2 2B f k pB f k pF FH H (2.1)n care:pH,pF pierderile n fier prin histerezis, respectiv cureni turbionari;kH,kf constante ce se determin experimental, dependente de material; exponent a crui valoare depinde de B ( =1,5 2).Poriunile decircuitmagneticpe caresuntamplasate nfurrile se numesc coloane, iar cele care fac legtura ntre coloane se numesc juguri. Dup forma circuitului magnetic, transformatoarele se construiesc n dou variante: n coloan i n manta. n fig. 2.1 este prezentat o vedere n spaiu (a) i o seciune prin planul median (b) al unui transformator monofazat n coloan, iar n fig. 2.2 aibvederea n spaiu i seciunea median pentru transformatorul monofazat n manta.La transformatoarele n coloan, seciunile transversale ale coloanelor serealizeazsuboformct mai apropiatdeceacircular. Astfel, la transformatoarele de puteri mai mici, se utilizeaz forma ptrat i n cruce, iar latransformatoareledeputeri mari i foartemari numrul treptelor crete (fig. 2.3).26JugMiezJugnfurri a bnfurare ColoanFig. 2.1. Transformator monofazat n coloana vedere n spaiu;b seciune n planul median.Maini i acionri electriceJugurile se realizeaz i ele cu seciunea n trepte de seciune corespunztoare. n fig. 2.4. sunt prezentate diferite forme ale seciunilor jugurilor.mbinarea jugului cu coloanele se poate realiza prin suprapunere, aa cum rezult din fig. 2.5.a sau prin ntreesere ca n fig. 2.5.b,c,d.b) Circuitul electric: Cuprinde nfurrile transformatorului care sunt realizate din conductor de cupru sau aluminiu, de seciune circular, ptrat sau dreptunghiular, izolate cu bumbac, email sau hrtie.Transformatorul prezint cel puin dou nfurri aezate pe coloanele circuitului magnetic: una dintre acestea se conecteaz la o surs de tensiune alternativ i se numetenfurare primar. Ea este o nfurare receptoare, absorbind energie electromagnetic de la reeaua de 27d 851 , 0d 526 , 0 abcFig. 2.3. Forme ale seciunilor coloanelor:a n cruce; b ptrat; c n trepte.Fig. 2.4. Forme ale seciunilor jugurilor.a22bFig. 2.2. Transformator monofazat n manta:a vedere n spaiu; b seciune n planul median.2. Transformatorul electricalimentare, pe care o transmite circuitului secundar prin intermediul cmpului electromagnetic. Prinurmare, reguliledeasociereasensurilor pentru tensiunea la borne i curent sunt cele valabile pentru laturile receptoaredecircuit. Laborneleceleilaltenfurri numitnfurare secundarse conecteaz circuitele receptoare, circuite pentru care nfurarea secundar a transformatorului este onfurare generatoare (prin urmare, convenia de asociere a sensurilor pentru tensiunea la borne i curent este cea corespunztoare laturilor generatoare).Vomconveni s notmcu indicele 1, toate mrimile aferente nfurrii primare icu indicele 2,toate mrimilecaracteristice nfurrii secundare. Trebuie precizat faptul c fiecare din nfurriletransformatorului poatefi utilizatfiecanfurare primar, fie ca nfurare secundar.Dinpunctul devedereal formei nfurrilor, se construiesc transformatoare cu nfurricilindrice,concentrice(fig.2.6.a) sau cu nfurri ngalei(sau n aibe) fig. 2.6.b. La nfurrile cilindrice concentrice, cele dou nfurri sunt aezate suprapus pe aceeai coloan formnd deci doi cilindri coaxiali cu nlimea ceva mai mic dect nlimea ferestrei miezului transformatorului. De regul, lng miez se aeaz nfurarea de joas tensiune, iar in exterior cea de tensiune nalt.280450900 060 / 30 a b c dFig. 2.5.Moduri de mbinare:a prin suprapunere; b, c, d dinat la 900, 450 i 30/600. Fig. 2.6. nfurrile transformatoarelora cilindrice, concentrice; b n galei.a bMaini i acionri electriceLa nfurrile n galei, poriuni din bobinele de tensiune nalt alterneaz n direcie axial cu poriuni din nfurarea de tensiune joas. c) Elemente de asamblare i accesoriile.La transformatoarele de puteri reduse elementele de asamblare i accesoriile se reduc la ansamblul pieselor de strngere, fixare i rigidizare a miezuluiianfurrilor. Tolelejugurilorsestrngcubuloane(izolate fa de miezul feromagnetic), utilizndu-se plci de strngere dinoel profilat L, U, I sau de alte forme. Agentul de rcire este aerul, cu circulaie natural. La puteri ce depesc 40 50 KVA se utilizeaz transformatoare cu rcire n ulei, corpul transformatorului fiind introdus ntr-o cuv metalic umplutcuulei detransformator. Uleiul detransformator constituieun mediu de rcire superior aerului, deoarece nu atac suprafeele metalice i areorigiditatedielectricmult mai maredect aerul. Pentrua-i pstra calitile,uleiul trebuie ferit de api de aer,obiectiv care se realizeaz prin utilizarea unui vas de expansiune numit conservator de ulei, amplasat deasupracuvei transformatorului i carecomunic, printr-oconductde legtur, cu partea superioar a cuvei pline cu ulei. Conservatorul, umplut parial cu ulei permite dilatarea uleiului din cuv, reducnd totodat suprafaadecontactcuaerulaacestuia. Comunicaiaconservatoruluicu atmosfera se face printr-un filtru de aer prevzut cu substane hidroabsorbante.Pentru puteri mici cuva se execut cu perei netezi, iar pentru puteri mai mari, nscopul intensificrii cedrii cldurii dezvoltate, sefolosesc urmtoarele mijloace:- realizarea cuvei din tabl ondulat;- utilizarea unor evi de rcire care leag partea superioar cu partea inferioar a cuvei;- utilizarea unor radiatoare ( registre de evi );- circulaia forat a uleiului n interiorul cuvei;- circulaia forat a aerului pe suprafaa exterioar a cuvei.Pentru protecia transformatoarelor de putere mpotriva defeciunilor interioare ( scurtcircuite ntre spire, puneri la mas) pe conducta de legtur dintre cuva transformatorului i conservatorul de ulei se monteaz un releu de gaze, denumitreleu Bucholz. Acesta este prevzut cu dou perechi de contacte i dou plutitoare ( fig. 2.7.). Plutitorul1, sensibil la degajrile de gaze determinate de descompunerea uleiului din cuv realizeaz semnalizarea(optici acustic)adefectului, iarplutitorul 2sensibil la expulzarea rapid a uleiului prin conducta de legtur, comand 292. Transformatorul electricntreruperea alimentrii transformatorului la apariia unor defeciuni majore n transformator.Legturile delanfu-rri laceledoureelesereali-zeaz prin intermediul unor izolatoare de trecere, fixate pe capacul cuvei. n fig. 2.8. este prezen-tat o vedere de ansamblu a unui transformator de putere ncuvat. 2.3. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL 30e SemnalizarntreruptorFig. 2.7. Schita releului de gaze (Buchholz).Fig. 2.8. Transformator electric de putere.Maini i acionri electrice TRANSFORMATORULUI ELECTRICPrincipiul de funcionare al transformatorului electric are la baz legea induciei electromagnetice i a fost stabilit de M. Faraday n 1831, care a i construit de altfel primul transformator cumiez feromagnetic cudou nfurri. Acest aparat a fost utilizat de fapt pentru punerea n eviden a fenomenului induciei electromagnetice.Considermuntransformator monofazat constituit dindoubobine situate pe un miez feromagnetic comun, deci cuplate numai magnetic fr legtur galvanic ntre ele. Bobina B1cu N1spire se alimenteaz de la o surs de tensiune alternativ sinusoidal de valoare instantaneeu1i frecven f.Spirele acestei bobine, numit i bobin primar sau primarul transformatorului vor fi parcurse de un curent de valoare instantanee i10i de aceeai frecven f, defazat cu un unghi 1 fa de u1:) sin( 2sin 21 1 101 1 t I it U u (2.2)unde: f 2 .Solenaia primar10 1 10i N va determina un cmp magnetic variabil n timp (cu aceeai frecven f ) ale crui linii se vor nchide ca n fig. 2.9, n care:1u- fluxul util fascicular produs de bobina B1;1- fluxul fascicular de dispersie al bobinei 1;2u- fluxul util fascicular produs de bobina B2(la funcionarea nsarcin);2- reprezintfluxul fascicular dedispersie al bobineiB2. Liniile cmpului magnetic util1use vor nchide prin circuitul magnetic comun, nlnuind cele N2 spire ale bobinei B2 (presupuse n gol). Conform legii induciei electromagnetice, n aceast bobin se va induce o 311B1N1 u2 u2iaZx2u2 eu2B2N2 1 1u1 euAX1iFig. 2.9. Schema de principiua transformatorului monofazat.2. Transformatorul electrictensiune electromotoare (de transformare)'2eucare are valoarea proporional cu numrul de spire al nfurrii (N2), iar frecvena egal cu frecvena tensiunii la bornele primare.tN uuedd122' .Conectnd la bornele nfurrii secundare un receptor de impedan Z (receptor pentru care nfurarea secundar constituie o surs de energie), aceasta va fi parcurs de un curent de valoare instantanee i2 de frecven f care va asigura o tensiune la borne de valoare u2. Curentuli2va determina o solenaie secundar2 2 2i N care va crea unfluxmagneticalecrui linii sevor nchidecanfig. 2.9. Astfel, la funcionarea n sarcin, fluxul fascicular total (care se nchide prin miezul feromagnetic) uva fi egal cu suma algebric a celor dou fluxuri fasciculare 1ui 2u:2 1u u u t (2.3)iar curentuli1absorbit deprimar semodificnmodcorespunztor cu modificarea impedanei de sarcin.Aadar, fluxul magnetic util ueste produs de solenaia rezultant a ambelor nfurri:2 2 1 1i N i N t ,care este n acest caz solenaia de magnetizare, iar tensiunile electromotoare induse n cele dou nfurri (sub aciunea fluxului rezultantu) vor fi:tN utN uueuedddd2 21 1 (2.4)Presupunnd c fluxul uare o variaie sinusoidal n timp (tu u sinmax) i avnd n vedere reprezentarea n complex simplificat a mrimilor sinusoidale, putem scrie: tu u sinmax0 j maxe2uu(2.5)32Maini i acionri electricetN uuedd1 1 2jmax1 1ueN U (2.6)tN uuedd2 2 2jmax2 2ueN U (2.7)Valorile efective ale tensiunilor electromotoare induse Ue1iUe2, vor fi date de relaiile:max 1 max 1 144 , 42 2u u ef N NfU (2.6)max 2 max 2 244 , 42 2u u ef N NfU (2.7)mprind membru cu membru ultimele dou relaii, obinem:21max 2max 12144 , 444 , 4NNf Nf NUUkuueeu (2.8)ncare:kuesteraportul tensiunilorlabornei estedenumitraportul de transformare al transformatorului.Relaia 2.8 evideniaz faptul c raportul de transformare este egal cu raportul numerelordespirealenfurrilor. Dupvalorileraportului de transformare, transformatoarele se mpart n:- transformatoare cobortoare de tensiune, ku>1, (Ue1>Ue2);- transformatoare ridictoare de tensiune, ku