Transformator

Transformator

Transformator trifazat cobortor de tensiuneUn transformator este o main electric care transfer energie electric dintr-un circuit (primarul transformatorului) n altul (secundarul transformatorului), funcionnd pe baza legii induciei electromagnetice. Un curent electric alternativ care strbate nfurarea primar produce un cmp magnetic variabil n miezul magnetic al transformatorului, acesta la rndul lui producnd o tensiune electric alternativ n nfurarea secundar.Funcia transformatoruluin circuitele i reelele electrice, transformatorul realizeaz transfer de energie (electric) dintr-un circuit (reea) de anumii parametri - tensiune U, curent I, rezisten R - , n energie electric cu ali parametri (valori) de circuit, n condiiile unei separri (izolri) galvanice ntre cele dou circuite (reele) electrice. Practic se accept, c energia electric obinut la ieire, n circuitul (circuitele, dac sunt mai multe) secundar este aproximativ egal cu cea de la intrare, din circuitul primar. Totui n calcule de proiectare pierderile de energie (din transformator) sunt luate n consideraie.Principiul de funcionare

Schema de principiu a unui transformator

Reprezentarea unui transformator monofazatPresupunem c ambele circuite ale transformatorului au spirele nfurate n acelai sens i c au N1 respectiv N2 spire[1]. Transformatorul se consider c funcioneaz n gol (i2=0, adic circuitul secundar este deschis). Dac se aplic transformatorului tensiunea alternativ u1 de valoare efectiv U1 n primar apare curentul de intensitate i1 i valoare efectiv I1. Acesta, conform legii Biot-Savart, d natere unui flux magnetic alternativ avnd valoarea instantanee = mcos t. Acest flux variabil care strbate spirele ambelor nfurri face s apar n cele N1 spire ale primarului o t.e.m. de autoinducie:

iar n secundar, t.e.m. este:

Facem raportul celor dou relaii:

Conform legii lui Ohm, n circuitul primar suma dintre tensiunea de alimentare u1 i t.e.m. de autoinducie e1 trebuie s fie egal cu cderea de tensiune din primar:u1 + e1 = R1 i1unde R1 este rezistena primarului. De obicei, valoarea lui R1 este mic i produsul R1i1 se poate neglija, astfel nct:e1 -u1Semnul arat c t.e.m. de autoinducie e1 este n opoziie de faz cu tensiunea reelei de alimentare a transformatorului, u1. La funcionarea n gol a transformatorului, t.e.m. e2 este egal cu tensiunea u2 de la bornele secundarului:e2 = -u2Rezult deci, c:

T.e.m. e1 i e2 sunt n faz, iar tensiunile u1 i u2 sunt n opoziie de faz (semnul - din faa raportului u1 / u2 indic aceast defazare, de radiani). n valoare absolut, rezult o relaie i ntre valorile efective ale mrimilor alternative:

Raportul tensiunilor la bornele nfurrilor, la mersul n gol al transformatorului, notat cu k, se numete raportul de transformare al transformatorului. Dac k < 1, u2 > u1, transformatorul poart denumirea de transformator ridictor de tensiune, iar dac k > 1, u2 < u1, se numete transformator cobortor de tensiune. Cnd k = 1, u2 = u1, transformatorul servete la separarea electric a circuitelor (sunt folosite n unele montaje din electronic).Dac la bornele transformatorului se conecteaz un consumator rezistiv de rezisten RS, prin circuitul secundar va aprea curentul de intensitate i2. n acest caz, u2 e2 deoarece apare cderea de tensiune pe sarcin RS i2. n condiii normale (nominale) de funcionare, diferena e2 - u2 este mic, deoarece i pierderile Joule n secundarul transformatorului sunt mici. Se poate deci considera c practic, puterea P1 din primar i cea din secundar P2 sunt egale: P1 = P2 sau U1I1 = U2I2, de unde:

Deoarece transformatoarele au un randament foarte mare (la cele de puteri mari fiind peste 99,5%), aceast relaie constituie o foarte bun aproximare.Pentru cazul transformatorului care funcioneaz n sarcin, n sensul c la bornele primarului se aplic tensiunea alternativ u1, iar la bornele nfurrii secundare este conectat un receptor (consumator), procesele fizice sunt, n principal, urmtoarele: circuitul secundar fiind nchis printr-un consumator oarecare, rezistiv sau rezistiv-reactiv, t.e.m. e2 produce n el un curent de intensitate i2. Acest curent produce la rndul su un flux 2 care, conform legii lui Lenz, este de sens contrar fluxului creat de curentul primar, denumit flux de regim 1. Avnd n vedere faptul c transferul de putere din primar n secundar (realizat prin cuplaj magnetic) face s apar o serie de pierderi de natur electric i magnetic (prin efect Joule n nfurri i pierderi prin cureni turbionari i histerezis n miezul de fier) valoarea maxim a fluxului 2 este mai mic dect valoarea maxim a lui 1. Diferena celor dou fluxuri constituie fluxul principal prin transformator i este practic egal cu fluxul = m cos t produs de curentul primar la mersul n gol al transformatorului: = 1 - 2 = m cos t. La o cretere a sarcinii, valoarea maxim a lui 2 crete i are ca efect tendina de scdere a fluxului principal . Ca efect, din relaia:

rezult c valoarea efectiv I1 crete. Creterea lui I1 implic creterea valorii maxime a fluxului 1. Ca urmare, m rmne practic constant n raport cu variaia sarcinii.Aadar, cnd crete sarcina transformatorului, adic crete I2, crete i intensitatea curentului I1 prin circuitul primar, deoarece puterea furnizat n secundar crete i deci trebuie s creasc i puterea absorbit de primar de la reeaua de alimentare. Invers, la scderea puterii n secundar, scade i puterea absorbit de primar.Pierderi n transformator Pierderi n circuitul magnetic nu tot fluxul magnetic trece prin miezul magnetic al transformatorului. n plus, circuitul magnetic nu se comport perfect liniar, ci are histerezis. Pierderi n nfurri prin efect Joule. Curenii turbionari indui n miezul magnetic, care este un material conductor. Magnetostricie.AplicaiiPrincipala utilizare este la transportul energiei electrice pe distane mari, prin implementarea liniilor de nalt tensiune (zeci sau sute de kilovoli). Aceasta este necesar din raiuni economice. La captul de aplicare (intrare) a energiei se folosesc transformatoare ridictoare de tensiune, iar la destinaie energia se transmite linilor de joas tensiune prin intermediul unor transformatoare cobortoare de tensiune electric. Prin folosirea unor tensiuni nalte i foarte nalte se scade curentul prin linie la valori care reduc pierderile prin efect Joule la un nivel rezonabil, astfel nefiind necesar utilizarea unor conductoare cu seciuni sensibil mai mari, care ar ridica costul construciei i conservrii linilor electrice de transport de energie