TRUSA PENTRU CONSTRUIREA TRANSFORMATOARELOR DL 2106

MANUAL DE UTILIZARE

CUPRINS

I. NOIUNI TEORETICE

1. Principiul transformatorului 2. Construcia i funcionarea transformatoarelor 3. Miezul magnetic 4. Infasurarile transformatoarelor 5. Dimensionarea elementelor

II. TESTE PRACTICE

Exemplul 1:

Transformator monofazat 1000 VA, 220-380/180 V

A. DIMENSIONAREA MIEZULUI B. CALCULAREA NFURRILOR C. DIMENSIUNILE GENERALE ALE BOBINAJULUI

Exemplul 2:

Transformator trifazat 1000 VA, 220-380/110 Y V

A. DIMENSIONAREA MIEZULUI B. CALCULAREA NFURRILOR C. DIMENSIUNILE GENERALE ALE BOBINAJULUI

I. NOIUNI TEORETICE 1. Principiul transformatorului Transformatorul este un aparat electrotehnic static, bazat pe fenomenul induciei electromagnetice, construit pentru a primi putere electric, n curent alternativ, sub o tensiune V1 i o intensitate I1 aplicat unui circuit primar i a o reda, cu aceeai frecven, sub o tensiune V2 i o intensitate I2 la bornele unui circuit secundar, ca n figura 1.

Fig. 1 Transformatorul permite, deci, transformarea unei tensiuni n alt tensiune, transformare necesar pentru transportul (transferul) i distribuia cu pierderi minime de energie electric n curent alternativ. 2. Construcia i funcionarea transformatorului monofazat Din punct de vedere constructiv, transformatorul are dou pri principale: 1) circuitul magnetic- reprezentat de miezul de fier i construit din tole de oel electrotehnic pentru reducerea pierderilor n fier; 2) circuitele electrice- reprezentate de dou sau mai multe nfurri din Cu sau Al, realizate n jurul circuitului magnetic, fiind deci cuplate electromagnetic. Infurarea care primete energia de la o surs se numete nfurare primar, iar cea care cedeaz energia unei reele sau unui consumator se numete nfurare secundar. Dup cum

tensiunea nfurrii secundare este mai mare sau mai mic decat cea a nfurrii primare, transformatorul este ridictor sau coborator de tensiune. Daca pierderile, care in mod normal in acest tip de masini electrice sunt foarte scazute, sunt neglijate, energia din bobinajele secundare este egala cu cea din bobinajul primar. Acest transfer de energie are loc fara a fi necesar nici un contact electric intre bobinajul primar si secundar.

Datele nominale ale unui transformator sunt: puterea nominal-SN (VA)- reprezint puterea aparent la bornele circuitului secundar; tensiunea nominal primar-U1N(V)-reprezint tensiunea aplicat nfurrii primare n regim nominal; tensiunea nominal secundar-U2N(V)-este tensiunea rezultat la bornele secundare, la mersul n gol, primarul fiind alimentat cu tensiunea U1N ; raportul nominal de transformare- k- este raportul ntre tensiunea primar i cea secundar la mersul n gol; curentul nominal (primar i secundar)- curentul de linie I1N,I2N(A); tensiunea nominal de scurtcircuit-usc-tensiunea aplicat unei nfurri cand cealalt este legat n scurtcircuit, iar n nfurarea alimentat curentul are valoare nominal; frecvena nominal- 50Hz n Europa, 60 n America de Nord; randamentul-; Presupunem c ambele circuite ale transformatorului au spirele nfurate n acelai sens i c fiecare are N1 respectiv N2 spire. Transformatorul se consider c funcioneaz n gol (i2 =0, adic circuitul secundar este fr consumator). Dac se aplic transformatorului tensiunea alternativ u1 de valoare efectiv U1 n primar apare curentul de intensitate i1 i valoare efectiv I1. Acesta d natere fluxului 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:

unde R1 este rezistena primarului. De obicei, valoarea lui R1 este mic i produsul R1i1 se poate neglija, astfel nct:

Semnul '' '' arat c t.e.m. de autoinducie 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:

Rezult 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, ele rmnnd cuplate prin cmp magnetic, adic cuplate inductiv. Transformatoarele cu raport de transformare apropiat de unitate 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 U1 I1 = U2 I2 , de unde:

Pentru cazul transformatorului care funcioneaz n sarcin, n sensul c la bornele primarului se aplic tensiunea u1 de la o reea de alimentare, iar la bornele nfurrii secundare este conectat un receptor (consumator) de curent alternativ, procesele fizice sunt, n principal, urmtoarele: circuitul secundar fiind nchis printr-un consumator oarecare, rezistiv sau rezistiv - reactiv, t.e.m. 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. Randamentul transformatorului se definete ca fiind raportul dintre puterea activ P2 furnizat de secundar i puterea activ P1 primit de ctre primar de la reeaua de alimentare. Diferena P2 - P1 reprezint puterea pierdut de transformator, care se compune din: pierderile prin efect Joule n nfurrile transformatorului numite pierderi n cupru

pierderile prin histerezis i cureni turbionari, numite pierderi n fier, PFe.

Deci, expresia randamentului este:

sau Randamentul atinge un maxim cnd PCu = PFe. Cum transformatorul nu are piese n micare, ele nu au pierderi de energie prin frecri i funcioneaz cu randamente mai mari dect ale mainilor electrice rotative, atingnd chiar valori de 99% la transformatoarele de putere mare.

Fig. 2 Bilanul puterilor active ntr-un transformator lucrnd n sarcin

3. MIEZUL MAGNETIC Transformatorul monofazat se compune dintr-un miez (cadru) din fier ce realizeaz un circuit magnetic nchis, format din tole cu grosimea de 0,3, , 0,5 mm, izolate ntre ele cu lac sau cu hrtie pentru a mpiedica formarea curenilor Foucault de mare intensitate. Materialul utilizat pentru realizarea tolelor este un aliaj de fier cu 1,5, , 4% Si, numit ferosiliciu, n care pierderile de energie sunt minime, atunci cnd, la inversarea magnetizrii, energia electric se transform n cldur (fenomenul de histerezis). Pe miez se bobineaz dou nfurri (bobine) din srm de cupru. Miezul magnetic realizeaz un cuplaj magnetic strns ntre aceste nfurri prin concentrarea liniilor cmpului de inducie magnetic i mrete fluxul de inducie magnetic (pentru fier r >> 1) prin spirele celor dou circuite. Pentru transformatoarele de nalt frecven din aparatura electronic se folosesc miezuri din ferit (amestec sinterizat din oxizi de fier i ali oxizi) care au permitivitate relativ mare i conductivitate redus. Un sistem magnetic este alcatuit din coloane si juguri: Coloana transformatorului reprezinta partea sistemului magnetic pe care, sau in jurul careia,sunt dispuse infasurarile transformatorului. Din punct de vedere constructiv coloanele se clasifica astfel: coloana cu tesere plana - asamblata din pachete paralelipipedice de tole (grup de tole de aceeasi dimensiune) coloana cu tesere radiala - coloana unui sistem magnetic cu intrefier asamblata din tole de aceeasi latime, dispuse practic in directii radiale formand sectiunea circulara transversala a coloanei coloana cu tesere in evolventa - Coloana unui sistern magnetic cu intrefier asamblata din tole de aceeasi latime, deformate in asa fel incat, in sectiunea transversala, a coloanei, toate tolele sa aiba forma de evolventa si impreuna sa formeze practic cilindru circular drept, reprezinta coloana cu tesere in evolventa Jugul transformatorului reprezinta partea sistemului magnetic care serveste la inchiderea circuitului magnetic. Jugurile transformatoarelor pot fi: juguri laterale - sunt cele care leaga cele doua capete ale uneia si aceleiasi coloane. Jugul lateral are o parte laterala a carei axa este perpendiculara pe axa coloanei. juguri frontale - este cel care leaga capetele a doua sau mai multe coloane diferite

Fig. 3

Fig. 4 n fig.3 puteti oberva un transformator monofazic in care ambele bobinaje sint sustinute pe pilonul central. n fig.4 puteti observa o banda a unui transformator trifazic in care fiecare pilon se ocupa atat de bobinajul primar cat si de cel secundar al fiecarei faze.

Miezul magnetic este construit prin comprimarea laminarilor asa cum se poate observa in figura 5:

Straturi impare Fig. 5

Straturi pare

Acest tip de montare permite o montare usoara in coloanele nfurtorilor care se pregatesc separat. Cand ansamblul este terminat, toate laminarile sunt presate prin metode de apasare a flanselor si a suruburilor, introduse in gauri potrivite, cu scopul de a evita vibratiile si frecarea. Atat capetele suruburilor cat si bucsele trebuie izolate de banda prin saibe potrivite facute din material izolant pentru a evita scurt-circuitul intre laminari, in acest mod impiedicandu-se pierderile si incalzirea.

4. INFURRILE TRANSFORMATOARELOR Infasurarile constituie una din partile cele mai importante ale unui transformator, reprezentand, de fapt, un ansamblu de spire sau bobine care formeaza un circuit electric corespunzand uneia din tensiumle transformatorului. Pentru un transformator polifazat, infasurarea este ansamblul infasurarilor de faza, prin infasurare de faza intelegandu-se faza unei infasurari polifazate. Termenul de infasurare de faza nu va fi utilizat pentru ansamblul bobinelor de pe o anumita coloana. Transformatorul trebuie calculat si executat astfel incat marimile sale de baza (pierderile in infasurari, tensiunea de scurtcircuit si incalzirile) sa fie n concordanta cu valorile prescrise de norme. In acelasi timp, infasurarile trebuie sa asigure transformatorului o rigiditate dielectrica suficienta, precum si stabilitate dinamica si termica mare, astfel in cat sa garanteze buna functionare a acestuia si la supratensiunile care apar in exploatare. Elementul constructiv principal al infasurarii este spira, care reprezinta conductorul sau ansamblul de conductoare legate in paralel care inconjoara o singura data o parte a sistemului magnetic al transformatorului parcurs de fluxul magnetic. Gruparea de doua sau mai multe spire in serie formeaza o unitate constructiva numita bobina. Locul in care bobinatorul incepe rularea conductorului pe suportul cilindric reprezinta inceputul infasurarii. O infasurare poate fi bobinata la dreapta sau la stanga (ca n fig.). Sensul bobinarii este esential la realizarea grupei de conexiuni cerute de beneficiar.Fig. 6 Sensul de depanare la bobinele pentru transformator: la dreapta i la stnga

Atat bobinajele primare cat si cele secundare sint construite din cupru electrolitic bobinat in cateva invelisuri. Aceste bobinaje sint direct concentrice pe bobina de bachelita. Fiecare strat este separat electric de urmatorul prin banda de hartie separata. Conductoarele pot avea sectiune rotunda sau sectiune dreptunghiulara. Astfel, pentru valorile sectiunilor mai mici ca 5-6 mm (la transformatoarele mici) se alege un conductor rotund, care de regula, este izolat numai cu email tereftalic (ET) pentru cupru si cu hartie pentru aluminiu. Bobinajul primar este separat de cel secundar iar numrul nfurrilor creste conform diferentei de tensiune dintre cele doua bobinaje.

In transformatoarele trifazate se pot obtine doua valori diferite de tensiune, fie in bobinajul primar, fie in cel secundar , doar prin conectarea celor 3 faze in conexiune stea sau triunghi. Acest lucru poate fi realizat prin simpla conectare a bornelor pe plac ( vezi fig.7 si fig.8). CONEXIUNEA TRIUNGHI Vph= V=220 V

Fig.7 Conexiunea triunghi CONEXIUNEA TIP STEA Vph = 220V ; V = 380V

Fig. 8 Conexiunea stea n ceea ce priveste sectiunea transversal a firelor, din moment ce curentul este invers proportional cu tensiunea, cu cat este mai mare tensiunea cu atat este mai scazuta sectiunea transversala si vice versa.

5. DIMENSIONAREA ELEMENTELOR

1. DATE NECESARE PROIECTRII Puterea totala aparent ceruta in circuitul secundar (VA) Tensiuni primare si secundare (V); Frecventa f (Hz).

2. DATE CARE SINT PRESELECTATE SAU CALCULATE DE PROIECTANT Factorul Ku Transformator Miez monofazat Shell monofazica Miez trifazat Shell trifazica Ku (1.2 1.9) u 10-2

(2.5 4) 10-2 (1 1.63) 10-2 (23) 10-2

Valorile mari ale factorului Ku reprezint mai mult fier si mai putin cupru si vice versa. Fluxul maxim pe coloana

Inductia maxima B in fier si densitatea curentului Operare Continu Intermitent n impulsuri Diametrul coloanei B( Wb/m2) 0.8 1 0.9 1.1 1 1.3 A/mm2 1.8 3 3 4 4 5 a

Modul de laminare Operare continu: Grosimea 0,35 mm (1,3 W/Kg)

Operare intermitnet: Grosimea 0,5 mm (2,3 W/Kg)

Tip de izolare Hartie

Densitate (grosime) 0.5 0.35

Coeficient de ambalare Ks 0.88 0.91 0.85 0.88 0.90 0.93 0.88 0.90

Pictura

0.5 0.35

Randament si cadere de tensiune

Coeficient de umplere Kr 1.1 1.05 Diametru (mm) 0.05 0.30 0.30 3

EXEMPLE DE CALCUL

EXERCIIUL NR.1

DATE DE PROIECTARE Transformator shell monofazat Putere totala aparenta: 1000 VA Operare intermitenta (discontinua) Tensiune primara: 220-380 V Tensiune secundara: 180 V Frecventa: 50 Hz Racire: cu aer Codul transformatorului: A. TRM 1000

DIMENSIONAREA MIEZULUI

Pornind de la valoarea factorului Ku= 2.9 10-2, putem determina fluxul:

Prin urmare, cand inductia B=1.1 Wb/m2 este fixata, e posibil sa calculam seciunea

Dimensiunea coloanei este:

Prin urmare, o laminare poate fi realizat cu o dimensiune exterioar de 125 x 150, dimensiunea coloanei 50 x 75 si marimea ferestrei 25 x 75, avand grosimea de 0,5 mm incluzand izolatia.

Grosimea neta a ansamblului de fier este:

Presupunand Ks=0.9, rezulta ca grosimea este

ceea ce orespunde

Pentru a monta miezul, laminarile se introduc intr-un tambur de nylon de 50 x 100( pe care bobinajul a fost realizat anterior); laminarile sunt alternative introduse.

B.

CALCULAREA NFURRILOR

T.e.m. este:

Numrul spirelor din cicuitul primar este de:

Numrul spirelor din cicuitul secundar este de:

Presupunand ca avem un randament de 92%, curentii primari se calculeaz astfel:

Presupunand ca densitatea curentului este de 3.5 A/mm2, acesta corespunde unei sectiuni de cupru de

Curentul din circuitul secundar se calculeaz astfel:

Acest curent corespunde unei seciuni de cupru de

Prin urmare putem alege diametrul

CONCLUZIE

C. DIMENSIONAREA BOBINAJULUI Folosind un fir cu o singura blindare emailata, avem disponibile urmtoarele diametre

Iar cu o inaltimea a tamburului de h=70mm, putem calcula nfurrilor pe strat.

Prin urmare, numrul straturilor este:

Dimensiunea radiala a bobinajului este

R= 3*1,1+6*1,46+5*1,46+0,1*(3+6+4-1)+0,3*2=21,16 mm Prin urmare, bobinajul poate fi introdus in mosor.

EXERCIIUL NR. 2

DATE DE PROIECTARE Transformator trifazat de coloana Putere totala aparenta: 1000 VA Operatie: intermitenta (discontinua) Tensiune primar : 220-380 V -Y Tensiune secundar : 110 V Y Frecventa: 50 Hz Racire: aer Codul transformatorului: TRT 1000

A. DIMENSIONAREA MIEZULUI Presupunand ca avem un coeficientul de utilizare de Ku=1.410-2, putem determina fluxul, care este acelasi pentru cele 3 coloane:

Prin urmare, cand inductia B=1.1 Wb/m2 este fixat, e posibil sa calculam sectiunea

Dimensiunea coloanei este aprox.

Prin urmare, o laminare poate fi realizat cu o dimensiune externa 200x180, marimea coloanei 40x100 si marimea ferestrei 40X100, avand grosimea de 0,5 mm incluzand izolatia.

Grosimea neta este:

Presupunind ca avem un coeficient de Ks=0.9 grosimea totala este

Ceea ce corespunde la

laminri

Pentru a monta miezul, laminarile se introduc intr-o bobina de nylon de 40x50, fiecare pentru cate o faza ( pe care bobinajul a fost realizat anterior ); Laminarile sint introduse alternativ.

B. CALCULAREA NFURRILOR T.e.m:

Numrul nfurrilor pe faza este :

Daca luam in consierare un randament de 94% , curentul primar pe faza se calculeaz astfel:

Daca luam in considerare o densitate a curentului de 3.5 A/mm2, aceasta corespunde unei sectiuni de cupru de

Prin urmare, putem ale un diametru de

Faza secundara a curentului se calculeaz acum astfel:

Acest curent corepunde unei sectiuni de cupru de

Prin urmare, putem selecta diametrul comercial

CONCLUZIE

C. DIMENSIUNILE GENERALE ALE BOBINAJULUI Folosind un fir cu o singura blindare emailata,

Luand in considerare faptul ca inaltimea tamburului este h=70 mm, prin urmare, putem calcula nfurrilor pe strat.

Numrul straturilor este:

Dimensiunea radiala a bobinajului este

Prin urmare, bobinajul poate fi introdus in tambur.

D. DIAGRAMA ELECTRICA

i= punctul de pornire a bobinajului

1996 - 2009 DE LORENZO SpA - Printed in Italy - All right reserved DE LORENZO SpA V.le Romagna, 20 - 20089 Rozzano (MI) Italy Tel. ++39 02 8254551 - Telefax ++39 02 8255181 E-mail: delorenzo@delorenzo.it Web site: www.delorenzogroup.com