Transformatorul electric

1. Construcţia şi principiul de funcţionare

Transformatorul electric este o construcţie electrotehnică destinată transformării unui sistem de curenţi variabili în unul sau mai multe sisteme de curenţi variabili având intensitaţi sau tensiuni în general diferite, dar de aceeaşi frecventă. Această constructie efectuează un transfer de putere electrică, de la o sursă de curent alternativ, cu anumiţi parametri, spre un receptor pentru care parametrii puterii sunt de obicei diferiţi.

La baza funcţionării transformatorului stă legea inducţiei electromagnetice (a tensiunii induse) conform căreia un curent electric variabil creează un flux variabil care induce în înfaşurările, a căror suprafaţă o traversează, o tensiune de asemenea, variabilă. Fluxul variabil este produs de curentul înfăşurării primare, iar tensiunea indusă este obţinută în înfasurari, de la bornele înfăşurării secundare putându-se alimenta un receptor.

Transformatoarele se construiesc cu două sau mai multe înfăşurări care, pentru obţinerea unui cuplaj magnetic cât mai strâns între ele, se aşează pe un miez feromagnetic închis. Miezul feromagnetic se confecţionează din tole de tablă silicioasă puternic aliată, laminată la cald sau texturată; tolele se izolează între ele cu lac sau oxizi ceramici. Miezul feromagnetic este format din coloane şi juguri, pe coloane fiind aşezate înfăşurările. Îmbinarea jugului cu coloanele se poate efectua prin suprapunerea sau prin întreţeserea tolelor.

Înfăşurările transformatoarelor se realizează din conductor de cupru sau de aluminiu, conductoarele fiind izolate cu bumbac, email sau hârtie. Înfăşurările conectate la sursa de tensiune disponibilă de alimentare, se numesc înfăşurări primare, iar cele care furnizează tensiunea necesară consumatorului se numesc înfăşurări secundare. Vom nota cu indice “1” toate mărimile caracteristice înfăşurării primare şi cu indice “2” toate mărimile caracteristice înfăşurării secundare.

2. Regimul de mers în gol

Un transformator funcţionează “în gol” dacă înfăşurarea primară este alimentată de la o sursă de curent alternativ, de obicei la tensiunea nominală, U1n, iar circuitul secundar este lăsat deschis (în gol).Studiul regimului de mers în gol este important deoarece permite determinarea prin calcul şi încercări experimentale a : raportului de transformare, curentului de mers în gol şi pierderile la mers în gol.

Raportul tensiunilor la bornele înfăşurărilor, la mersul în gol al transformatorului,

notat cu k, se numeşte raportul de transformare al transformatorului.

Dacă k < 1, u2 > u1, transformatorul poartă denumirea de transformator ridicător de tensiune, iar dacă k > 1, u2 < u1, se numeşte transformator coborâtor de tensiune. Când k

1

= 1, u2 = u1, transformatorul serveşte la separarea electrică a circuitelor, ele rămânând cuplate prin câmp magnetic, adică cuplate inductiv. Transformatoarele cu raport de transformare apropiat de unitate sunt folosite în unele montaje din electronică .

În regim de funcţionare în gol, înfăşurarea primară este parcursă de un curent alternativ i10, relativ mic, datorită reactanţei mari a înfăşurării. Curentul de mers în gol i10, are o valoare mult mai mică decât valoarea curentului primar la funcţionarea transformatorului in regim de sarcină nominală i10=(2-4)% i1n.

Pierderile la mers în gol sunt pierderile în miezul transformatorului şi se datorează fenomenului de histerezis şi curenţilor turbionari. Pierderile în fier se determină pe baza pierderilor specifice, pFe [W/kg], determinate experimental, funcţie de inducţie şi la frecvenţe date, pentru diferitele materiale feromagnetice utilizate la construcţia miezului.

3. Încercarea la scurtcircuit

Încercarea la scurtcircuit se realizează astfel: bornele înfăşurării secundare se leagă în scurtcircuit, în timp ce înfăşurarea primară se alimentează cu o tensiune redusă U1sc, astfel încât înfăşurările să fie parcurse de curenţii nominali ai transformatorului: I1n, respectiv I2n. Încercarea la scurtcircuit permite determinarea tensiunii nominale de scurtcircuit şi a pierderilor nominale în înfăşurări.

Tensiunea aplicată la bornele primare ale unui transformator având secundarul în scurtcircuit, pentru care în înfăşurări se obţin curenţii nominali, se notează cu U1sc,n şi se numeşte tensiune nominală de scurtcircuit. Această tensiune se exprimă de obicei în procente:

[%]

şi, fiind o mărime foarte importantă, este întotdeauna marcată pe plăcuţa indicatoare a transformatorului (notată pentru simplificare usc).

Prin pierderi în înfăşurări înţelegem: a) pierderile principale PJc determinate de rezistenţele înfăşurărilor în curent

continuu, R1c şi R2c;b) pierderile suplimentare datorate curenţilor turbionari care apar în înfăşurări,

imperfecţiunilor transpoziţiilor conductoarelor, etc.Pierderile principale în înfăşurări au ponderea cea mai mare şi se exprimă cu relaţia:

În general pierderile suplimentare sunt introduse în pierderile principale prin creşterea valorilor rezistenţelor R1c şi R2c cu relaţiile R1 = R1ckR1, respectiv R2 = R2ckR2, unde kR1

şi kR2 sunt coeficienţii pierderilor suplimentare.

2

Dacă unui transformator cu bornele secundare scurtcircuitate i se aplică tensiunea de alimentare nominală, curenţii în înfăşurări vor atinge valori de 10, până la de 20 de ori mai mari decât valorile lor nominale, deoarece rezistenţele înfăşurărilor sunt relativ mici. Un astfel de scurtcircuit poate apare în mod accidental la bornele secundare ale unui transformator, în timpul exploatării şi prezintă un mare pericol de avariere a transformatorului, datorită apariţiei unor eforturi mecanice mari şi a unor temperaturi excesive în înfăşurări. Din această cauză transformatorul trebuie să fie dimensionat corespunzător din punct de vedere mecanic şi termic, totodată, montarea sa la reţeaua de alimentare trebuie să fie făcută prin intermediul unor protecţii adecvate.

4. Funcţionarea transformatorului în sarcină

Un transformator funcţionează în sarcină când în circuitul secundar se conectează un receptor. Circuitul secundar se închide şi va fi parcurs de curentul i2, determinat de tensiunea la bornele secundare a transformatorului u2 şi de impedanţa circuitului receptor; curentul i1 prin înfăşurarea primară se modifică corespunzător cu sarcina transformatorului.

Studiul regimului de mers în sarcină permite determinarea caracteristicii externe;caracteristicii de sarcină; caracteristicii randamentului.

Caracteristicile externe ale unui transformator sunt exprimate, prin definiţie, de funcţiile:

U2 = f(I2), la U1 = U1n, f = fn, şi cos2 = constant, respectiv, U2 = f(cos2), la U1 = U1n, f = fn şi I2 = constant

Prin definiţie, caracteristicile de sarcină ale transformatorului sunt exprimate prin relaţiile:

u = f(), la U1 = U1n, f = fn şi cos2 = constant, respectiv,u = f(cos2), la U1 = U1n, f = fn şi I2 = constant.

La funcţionarea în sarcină a transformatorului, raportul curenţilor prin înfăşurări

este aproape egal cu inversul raportului de transformare. .

Randamentul transformatorului se defineşte ca fiind raportul dintre puterea activă P2 furnizată de secundar şi puterea activă P1 primită de către primar de la reţeaua de alimentare.

Diferenţa P2 - P1 reprezintă puterea pierdută de transformator, care se compune din pierderile prin efect Joule în înfăşurările transformatorului numite pierderi în cupru PCu = R1I1

2 + R2I22 şi pierderile prin histerezis şi curenţi turbionari, numite pierderi în

fier, PFe. Deci, expresia randamentului este: sau

3

Randamentul atinge un maxim când PCu = PFe. Cum transformatorul nu are piese în mişcare, ele nu au pierderi de energie prin frecări şi funcţionează cu randamente mai mari decât ale maşinilor electrice rotative, atingând chiar valori de 99% la transformatoarele de putere mare.

5. Grupele de conexiune ale transformatoarelor trifazate

În sistemele trifazate de curent alternativ, pentru transformarea puterii electrice, se utilizează fie trei transformatoare monofazate ale căror înfăşurări primare, respectiv secundare, se conectează în stea sau în triunghi , fie transformatoare trifazate, care pot avea miezul magnetic simetric în raport cu înfăşurările de fază, având coloanele dispuse în spaţiu, la 1200, sau asimetric în raport cu aceste înfăşurări .

Înfăşurările primare, respectiv secundare, ale transformatoarelor trifazate, se conectează în stea, în triunghi sau zigzag.

Schema de conexiuni stea are simbolul “y” pentru înfăşurarea de joasă tensiune şi “Y” pentru înfăşurarea de înaltă tensiune. Conexiunea stea permite obţinerea a două sisteme de tensiuni de valori diferite, în raport de : un sistem de tensiuni de fază şi unul de tensiuni de linie. În regim armonic (sinusoidal simetric), valoarea efectivă a tensiunii de linie, UAB = U lY, este de 3 ori mai mare decât valoarea efectivă a tensiunii de fază, UA0 = U fY : . Valorile curenţilor de linie şi de fază sunt egale: I lY = IfY. Conexiunea stea se utilizează la transformatoarele de putere, pe partea de înaltă şi foarte înaltă tensiune, precum şi la transformatoarele de distribuţie.

Schema de conexiuni triunghi are simbolul “d” pentru înfăşurarea de joasă tensiune, respectiv “D” pentru cea de înaltă tensiune. La conexiunea triunghi, relaţiile între

mărimile de linie şi mărimile de fază, în regim armonic, sunt: .

Prin urmare, curentul de fază este de 3 ori mai mic decât curentul de linie. Schema de conexiuni triunghi se utilizează la transformatoarele de putere, pe partea de joasă tensiune.

Schema de conexiuni zigzag are simbolul “z” pentru înfăşurarea de joasă tensiune şi “Z” pentru cea de înaltă tensiune. Această schemă de conexiuni se realizează din şase bobine egale,conectând în serie câte două bobine de pe coloane diferite,înfăşurările de fază astfel obţinute fiind conectate apoi în stea. Prin urmare, tensiunea pe fază la

conexiunea zigzag este mai mică decât la conexiunea stea .Pentru obţinerea

aceleiaşi tensiuni, numărul de spire trebuie majorat de ori. Înfăşurarea conectată în zigzag are un consum de material conductor cu 15% mai mare decât înfăşurarea conectată în stea sau triunghi. Schema de conexiuni zigzag se utilizează pe partea de joasă tensiune a transformatoarelor de distribuţie cu încărcare nesimetrică.

4

Transformatoarele pot avea diferite conexiuni ale înfăşurărilor de fază din primar, în raport cu înfăşurările de fază secundare. De modul în care se realizează conexiunile înfăşurărilor depinde defazajul tensiunilor de linie, măsurate între bornele analoage din primar, respectiv secundar. La transformatoarele trifazate se pot realiza mai multe grupe de conexiuni.

Prin definiţie, ordinul grupei de conexiuni este dat de multiplul unghiului de 30 grade pentru care se obţine unghiul de defazaj dintre tensiunile de linie de pe partea de înaltă tensiune, respectiv joasă tensiune, considerate între borne analoage.

În cazul grupelor de Yy şi Dd defazajul tensiunilor de linie de pe partea de joasă tensiune în raport cu tensiunile de linie de pe partea de înaltă tensiune, este un multiplu par de 30 grade. În cazul grupelor de conexiuni Dy (sau Yd), defazajul tensiunilor de linie este un multiplu impar de 30 grade. Prin urmare, se pot realiza grupe de conexiuni cu defazajul tensiunilor de linie de: 130o; 230o; 330o; ...; 1230o. Dintre toate conexiunile posibile, cele mai importante sunt grupele: 0 (sau 12), 5, 6 şi 11.

6. Funcţionarea în paralel a transformatoarelor.

Două sau mai multe transformatoare funcţionează în paralel dacă au bornele primare omoloage cuplate la aceeaşi bară a reţelei de alimentare şi bornele secundare omoloage cuplate la aceeaşi bară a consumatorului.

Principalele probleme care trebuie rezolvate pentru funcţionarea optimă în paralel, a două sau mai multe transformatoare, sunt: repartizarea sarcinii totale proporţional cu puterile nominale ale transformatoarelor şi anularea curenţilor de circulaţie prin înfăşurările secundare ale acestora.

Două sau mai multe transformatoare se pot conecta în paralel dacă parametrii acestora îndeplinesc următoarele condiţii:

1) tensiunile primare nominale, ale transformatoarelor, să fie egale şi compatibile cu tensiunea reţelei de alimentare;

2) rapoartele de transformare, ale transformatoarelor care se vor conecta în paralel, trebuie să fie egale: ku1 = ku2 = … = kup; “p” fiind numărul de transformatoare care se conectează în paralel;

3) tensiunile de scurtcircuit nominale, ale transformatoarelor, să fie egale: usc,1 = usc,2 = … = usc,p;4) transformatoarele să facă parte din aceeaşi grupă de conexiuni.

UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA – SIBIU5

FACULTATEA DE INGINERIE ”HERMAN OBERTH”

REFERAT

MASINI ELECTRICE

TRANSFORMATORUL ELECTRIC

Student : Moldovan Iosif Ioan An II EM FR Grupa 2.1

6