1

TRANSFORMATORUL ELECTRIC

1. INTRODUCERE. SCURT ISTORIC

Transformatorul electric este un aparat static cu două sau mai multe înfăşurări, cuplate magnetic, cu ajutorul căruia se transformă parametrii electrici (tensiunea şi curentul) ai puterii electrice în curent alternativ, frecvenţa rămânând neschimbată.

Pentru realizarea unui cuplaj magnetic cât mai strâns, înfăşurările sunt aşezate pe un miez feromagnetic. La frecvenţe mari (> 10kHz), transformatorul se realizează fără miez feromagnetic.

Principiul de funcţionare al transformatorului a fost stabilit de M. Faraday în 1831 care a şi construit primul transformator cu miez de fier şi două înfăşurări; acest aparat a fost utilizat la început pentru demonstraţia experimentală a fenomenului inducţiei electromagnetice.

Transformatorul a fost folosit ulterior pentru producerea tensiunilor electrice înalte în instalaţii cu arc electric, de către H. D. Rühmkorff în 1851 şi a fost perfecţionat constructiv de către S. A. Varley în 1851 care a realizat transformatorul cu miezul în manta şi înfăşurările în galeţi. În perioada 1844 1847, B. Iacobi utilizează bobina de inducţie cu scântei pentru aprinderea explozivului în mine. În anul 1876, Iablochkov utilizează transformatorul cu miezul feromagnetic deschis pentru alimentarea în curent alternativ a arcului electric.

În anul 1885, Déri, Blathy şi Zipernowsky patentează transformatorul monofazat cu miezul feromagnetic laminat, precum şi funcţionarea în paralel a transformatoarelor electrice.

În anul 1891 M. Dolivo - Dobrovolsky proiectează transformatorul trifazat uscat cu coloane şi în acelaşi an Braun construieşte primul transformator monofazat în ulei pentru tensiunea înaltă de 30 kV, demonstrând totodată rolul dublu al uleiului în transformator:

- mediu de răcire pentru înfăşurări şi miez; - material izolant pentru înfăşurări.

2.CONSTRUCŢIA TRANSFORMTOARELOR

Transformatorul monofazat pentru frecvenţa industrială, se construieşte cu două sau mai multe înfăşurări aşezate pe un miez feromagnetic închis, pentru realizarea unui cuplaj magnetic foarte strâns (fig. 1).

2

Transformatorul trifazat se realizează ca o unitate separată având miezul feromagnetic de o construcţie proprie.

La puteri foarte mari, transformatorul trifazat este construit din trei transformatoare monofazate, ale căror înfăşurări primare, respectiv secundare sunt conectate în stea, sau în triunghi.

a. Miezul feromagnetic se construieşte din tole de 0,35 mm grosime, tăiate din tablă silicioasă puternic aliată, laminată la cald sau texturată; tolele sunt izolate între ele cu hârtie, lac sau oxizi ceramici (izolaţie denumită carlit). Miezul feromagnetic este format din coloane şi juguri.

Pe coloane se aşează înfăşurările. Deoarece înfăşurările se execută în afara miezului şi ulterior se montează pe coloanele transformatorului, miezul feromagnetic se construieşte din două părţi separabile, sau se execută din tole cu jug separabil. La transformatoarele de putere, jugul superior este construit demontabil. Secţiunea miezului la transformatoarele mici (pana la 1 kVA) este de formă pătrată sau dreptunghiulară (fig. 2).

Fig. 2. Forme ale secţiunii miezului.

Fig. 1. Transformator monofazat

3

La transformatoarele de puteri mai mari (Sn= 1kVA), miezul feromagnetic are

secţiunea realizată cu două sau mai multe trepte, pentru a spori factorul de umplere al secţiunii transversale a bobinei.

Jugul este realizat de asemenea în trepte, de secţiune corespunzătoare, pentru a se asigura închiderea fluxului în direcţie axială de la o treaptă a coloanei la treapta corespunzătoare a jugului, evitându-se astfel închiderea câmpului transversal pe pachetul de tole, ceea ce ar avea ca urmare apariţia unor pierderi suplimentare în zona de îmbinare a jugului cu coloana.

Îmbinarea jugului cu coloanele se poate efectua prin suprapunere (fig. 3,a) sau prin întreţesere (fig. 3, b). La îmbinarea prin suprapunere rezultă un întrefier cu o lărgime de 0,1, până la 1 mm; în acest întrefier se prevede o izolaţie pentru a evita scurtcircuitarea tolelor şi creşterea pierderilor suplimentare prin curenţi turbionari în zona de suprapunere. La îmbinarea prin întreţesere a jugului cu coloana, o tolă a coloanei alternează cu o tolă a jugului; în zona de îmbinare câmpul magnetic se închide, în principal prin izolaţia dintre tolele vecine (fig. 3,c). Lărgimea întrefierului echivalent, la îmbinarea prin întreţesere, este de 0,02 până la 0,06 mm. În practică se preferă îmbinarea prin întreţesere la transformatoarele de puteri nominale Sn> 1 kVA.

Miezul feromagnetic se poate construi cu coloane sau în manta (fig. 4). La

transformatorul cu coloane, fiecare coloană poartă una sau mai multe înfăşurări. La acest tip de transformator, fluxul magnetic prin jug este egal cu fluxul prin coloane; aria secţiunii jugului este de 1,05 ... 1,15 ori aria secţiunii coloanei. La transformatorul cu miezul în manta, coloanele laterale sunt libere şi îndeplinesc rolul unor juguri; ariile secţiunilor jugului şi coloanelor laterale sunt ceva mai mari de jumătate din aria secţiunii coloanei care poartă înfăşurările, fluxul magnetic din coloană se închide prin jugurile şi coloanele laterale. Transformatoarele se construiesc mai rar cu miezul în manta.

Fig.3. Îmbinarea miezurilor: a-jugul suprapus; b-jugul întreţesut cu coloana (la 90°C, la 45° C

respectiv la 30°/60°); c- linii ale câmpului magnetic în zona de îmbinare.

4

b. Înfăşurările transformatorului sunt construite din conductor de cupru sau

aluminiu; conductoarele sunt izolate cu bumbac, email, sau hârtie. Transformatorul monofazat prezintă cel puţin două înfăşurări aşezate pe miez. Una dintre înfăşurări se conectează la o sursă de curent alterativ şi este numită înfăşurare primară; pe la bornele acestei înfăşurări, transformatorul ia de la reţeaua de alimentare o putere electromagnetică pe care o transmite prin intermediul câmpului electromagnetic circuitului secundar. La bornele celeilalte înfăşurări, numită înfăşurare secundară se conectează circuitele receptoare. Convenim să notăm cu indicele 1, toate mărimile caracteristice înfăşurării primare, iar cu indicele 2, toate mărimile caracteristice înfăşurării secundare. Fiecare dintre înfăşurările transformatorului poate fi utilizată fie ca înfăşurare primară, fie ca înfăşurare secundară. Sistemul de înfăşurări al transformatorului se construieşte cu înfăşurări cilindrice, concentrice (fig. 5, a,b), sau cu înfăşurări în galeţi alternanţi (fig. 5, c).

Fig. 4. Tipuri constructive de miez: a- transformatorul cu coloane (monofazat, respective trifazat); b- transformatorul în manta (monofazat, respective trifazat);

5

La înfăşurările cilindrice concentrice atât înfăşurarea primară cât şi înfăşurarea secundară sunt aşezate suprapus pe aceeaşi coloană. De regulă, lângă miez este aşezată înfăşurarea de joasă tensiune, iar în exterior înfăşurarea de înaltă tensiune.

Pentru reducerea fluxului magnetic de dispersie, transformatorul se poate realiza cu înfăşurări biconcentrice, construcţie obţinută prin divizarea unei înfăşurări în două părţi (de regulă se divizează înfăşurarea de joasa tensiune) şi dispunerea acestora de-o parte şi de alta a înfăşurării nedivizate ca în fig. 5. b.

La înfăşurările în galeţi alternanţi, o porţiune de înfăşurare de joasă tensiune alternează de-a lungul coloanei cu o porţiune de înfăşurare de înaltă tensiune. De regulă, spre juguri se aşează porţiuni de înfăşurare aparţinând înfăşurării de joasă tensiune. La unele transformatoare monofazate speciale, înfăşurările primară şi secundară se aşează pe coloane diferite în scopul sporirii inductivităţii de dispersie a înfăşurării.

În construcţia transformatoarelor normale de putere, se utilizează sistemul de înfăşurări cilindrice concentrice; sistemul de înfăşurări în galeţi alternanţi se utilizează numai la transformatoarele speciale cu inductivităţi de dispersie foarte mici.

Fig. 5. Înfăşurările transformatorului; a- înfăşurări cilindrice concentrice; b- înfăşurări cilindrice biconcenrice; c- înfăşurări în galeţi alternanţi

6

Înfăşurările se execută sub forma unor bobine cilindrice repartizate în lungul coloanei, sau sub forma unor bobine concentrate (denumite galeţi), aşezate alăturat. Înfăşurările cilindrice se execută în următoarele moduri:

Înfăşurarea cilindrică stratificată (fig. 6) se realizează cu conductor de secţiune circulară sau dreptunghiulara. Înfăşurarea cu grosimea mai mare de 3- 4 cm se prevede cu canale axiale de răcire.

Înfăşurarea cilindrică helicoidală (într-un strat) se realizează cu unul, două au trei începuturi, cu unul sau mai multe conductoare suprapuse şi conectate în paralel (fig. 7).

La o secţiune a conductorului mai mare de 20...50 mm2 se procedează la divizarea conductoarelor, pentru a reduce pierderile suplimentare datorită refulării curentului.

La înfăşurarea cu mai multe conductoare în paralel şi aşezate suprapus, se efectuează un număr determinant de transpoziţii în vederea distribuirii cât mai uniforme a curentului prin toate conductoarele conectate în paralel.

Transformatoarele de puteri foarte mari, au înfăşurarea de joasă tensiune realizata într-un strat, de tipul înfăşurării cilindrice helicoidale, cu două începuturi, fiecare început având 12.. .50 conductoare suprapuse. La aceste înfăşurări se poate efectua relativ simplu transpoziţia conductoarelor, prin rotirea succesiva a acestora în cadrul mănunchiului format de cele două începuturi, astfel încât toate conductoarele să ocupe aceeaşi poziţie în câmpul magnetic de dispersie (fig. 8). La înfăşurarea cu două începuturi se efectuează un număr dublu de transpoziţii în raport cu înfăşurarea cu un singur început, cu acelaşi număr de conductoare suprapuse, pentru ca fiecare conductor să ajungă sa ocupe toate poziţiile din fiecare început.

Fig. 6. Înfăşurare stratificată Fig. 7. Înfăşurări helicoidale:

a- într-un strat; b-în două straturi; c-în două începuturi; d-cu trei conductoare suprapuse;

7

Pentru a asigura o bună răcire a înfăşurării, aceasta se prevede cu canale axiale de răcire.

Înfăşurările în galeţi se execută cu galeţi separaţi în cazul conductoarelor de secţiune circulară (fig. 9), sau cu galeţi continui (fig. 10) fiind denumită şi înfăşurare spiralată, în cazul conductoarelor profilate. Înfăşurarea în galeţi continui se realizează printr-un procedeu de bobinare, care nu necesită întreruperea conductorului. Galeţii care au începutul lângă miez şi sfârşitul în exterior, se execută normal.

Galeţii care au începutul în exterior şi sfârşitul lângă miez se execută răsturnaţi. Pentru aceasta se bobinează mai întâi galeţii la fel ca şi galeţii normali aşezând începutul galetului la interiorul acestuia; apoi se deplasează axial spirele prin desfacerea galetului şi se reaşează spirele acestuia, astfel încât sfârşitul galetului să fie aşezat la interior, iar începutul la exterior, obţinându-se galetul în forma sa finală. În fig. 11 se arată succesiunea fazelor de bobinare la înfăşurarea în galeţi continui.

Fig. 8. Înfăşurarea helicoidală cu galeţi separaţi

Fig. 9. Înfăşurarea cu două începuturi cu 5 conductoare suprapuse (transpoziţia conductoarelor obţinută prin rotirea mănunchiului)

Fig. 10. Înfăşurarea în galeţi continui

8

După modul de răcire se deosebesc transformatoare uscate şi transformatoare în ulei. Transformatoarele uscate au miezul şi înfăşurările aşezate în aer; în această formă se execută transformatoare pentru puteri până la ordinul sutelor de kVA. La transformatoarele în ulei, miezul şi înfăşurările sunt aşezate într-o cuvă umplută cu ulei.

În fig. 12 este prezentată fotografia unui transformator decuvat, cu răcire în ulei iar în fig.13 este dată fotografia unui transformator încuvat. Cuva transformatorului este realizată din tabla ondulată, sau este prevăzută cu ţevi de răcire prin fenomenul de convecţie; pe capacul cuvei sunt montate izolatoarele de trecere şi conservatorul de ulei. Transformatoarele în ulei se execută pentru puteri mai mari de 50 kVA şi la tensiuni mai mari de 6 kV. Uleiul are rolul de a ajuta transmisia căldurii de la părţile active miezul şi înfăşurările la mediul de răcire şi constituie o izolaţie electrică a înfăşurărilor atât una faţă de alta, cât şi faţă de miezul şi de părţile constructive ale transformatorului. Uleiul din transformator trebuie să prezinte o anumită rigiditate dielectrică. Pentru a menţine proprietăţile sale fizice, se evită contactul direct pe o suprafaţă mare dintre uleiul din transformator şi aer. În acest scop, cuva transformatorului se prevede cu un vas de expansiune, denumit conservator de ulei, care asigură o suprafaţă relativ mică de contact cu aerul atmosferic şi preia variaţia volumului uleiului în funcţie de încălzirea transformatorului faţă de temperatura minimă a mediului ambiant considerată de 40°C şi temperatura maximă de +40oC. Totodată, conservatorul de ulei asigură menţinerea nivelului minim necesar în izolatoarele de trecere cu ulei, montate pe capacul cuvei transformatorului.

Comunicaţia conservatorului cu atmosfera se face prin filtrul de aer prevăzut cu substanţe hidroabsorbante. La transformatoarele mari, la suprafaţa de separaţie între aer şi ulei se prevede o membrană elastică de cauciuc special care urmăreşte variaţia nivelului uleiului în conservator.

Fig. 11. Explicativă pentru bobinarea galeţilor continui: a) galet bobinat provizoriu; b1 şi b2 –reaşezarea galetului; c-galet final;

9

Transformatorul în ulei se prevede cu un releu de gaze, denumit releu Bucholz,

montat pe conducta de legătură dintre cuvă şi conservator (fig. 14). Releul are două plutitoare, dintre care unul montat în partea superioară (plutitorul 1) semnalizează prezenţa gazelor acumulate în partea superioară a releului, iar celalalt, montat în calea curentului de trecere spre conductă (plutitorul 2), comandă întreruperea alimentării transformatorului la defecte importante ivite în transformator, însoţite de expulzarea rapidă a uleiului prin conducta de legătură.

Transformatoarele cu ulei se mai echipează cu termometru sau indicator de temperatură la distanţă, indicator la nivel de ulei în conservator, supapă de evacuare a gazelor şi altele.

Fig. 13. Transformator electric încuvat Fig. 14. Schiţa releului Bucholz

Fig. 12 . Transformator electric decuvat

10

3. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL

TRANSFORMATORULUI ELECTRIC Fie un transformator monofazat având înfăşurare primară conectata la o sursă de

curent alternativ de tensiune u1 ; înfăşurarea secundară se presupune mai întăi în

gol (fig. 15).

Transformatorul se comportă faţă de reţeaua de alimentare la fel ca o bobină de reactanţă cu miez de fier. Înfăşurarea primară este parcursă de un curent alternativ i10 relativ mic, datorită reactanţei mari a înfăşurării în regimul de funcţionare în gol. Solenaţia înfăşurării primare 101 iw ⋅=Θ este solenaţia de magnetizare; aceasta excită prin miezul feromagnetic fluxul magnetic φ, se induce o tensiune electromotoare de transformare având frecvenţa egală cu frecvenţa tensiunii la bornele primare; valoarea tensiunii electromotoare induse este proporţională cu numărul de spire ale înfăşurării. Dacă se neglijează căderea de tensiune datorita rezistenţei înfăşurării primare, precum şi căderea de tensiune corespunzătoare fluxului magnetic care nu îmbrăţişează înfăşurarea secundară, curentul de mers în gol fiind mic, tensiunea la bornele înfăşurării primare este egală cu tensiunea electromotoare, cu semn schimbat, indusă de fluxul magnetic:

(1)

tensiunea la bornele înfăşurării secundare este:

(2)

Raportul tensiunilor la borne se notează cu ku:

Fig. 15. Schema fizică de principiu a transformatorului

dtdwuu eϕ

111 =−≈

dtdwuu eϕ

222 −=+≈

11

(3) şi este denumit raport de transformare; prin urmare raportul de transformare este egal cu raportul numerelor de spire ale înfăşurărilor. Tensiunea U2 la bornele secundare la funcţionarea în gol a transformatorului este aproape în fază, sau în opoziţie de fază, cu tensiunea primară.

În regimul armonic permanent (sinusoidal), raportul valorilor instantanee ale tensiunilor este egal cu raportul valorilor efective; prin urmare

(4)

Dacă se conectează la bornele înfăşurării secundare un receptor, circuitul înfăşurării este parcurs de curentul i2, determinat de tensiunea la bornele secundare la funcţionarea în sarcină a transformatorului şi de impedanţa circuitului receptor; curentul il prin înfăşurarea primară se modifică corespunzător cu sarcina transformatorului.

Fluxul magnetic φ este produs de solenaţia rezultantă a ambelor înfăşurări: 2211 iwiwu ⋅−⋅=θ (5) care este în acest caz solenaţia de magnetizare; deoarece fluxul magnetic variază puţin la funcţionarea în gol la funcţionarea în sarcină, căderea de tensiune în impedanţa înfăşurării primare fiind mică, solenaţia de magnetizare uθ , este mică în raport cu solenaţiile înfăşurările şi se poate scrie 02211 ≈⋅−⋅ iwiw (6) sau (7)

La funcţionarea în sarcină a transformatorului, raportul curenţilor prin înfăşurări este aproape egal cu inversul raportului de transformare. În regim armonic, relaţia (7) se poate scrie în funcţie de valorile efective astfel:

(8)

odată cu creşterea solenaţiei înfăşurării secundare, creşte şi solenaţia înfăşurării primare, deoarece solenaţia de magnetizare uθ care excită fluxul magnetic φ, rămâne aproape constantă.

Dacă se neglijează pierderile în transformator, puterea primită de transformator

2

1

2

1

ww

uu

ku ==

2

1

UUku =

ukww

ii 1

2

1

2

1 =≈

ukII 12

1 =

12

pe la bornele primare 1 l' este egală cu puterea transmisă pe la bornele secundare 2 2':

U1I1cos φ1 = U2I2cos φ2 (9) iar raportul factorilor de putere este:

uu

kkI

IUU

⋅=⋅=1

coscos

2

1

2

1

2

1

ϕϕ (10)

Din relaţia de mai sus rezultă că, în regim armonic, factorul de putere cosφ1 al

transformatorului este aproape egal cu factorul de putere cosφ2 al circuitului receptor. Puterea electrică instantanee p1 schimbată de transformator pe la bornele

circuitului primar cu reţeaua de alimentare se transformă în parte în pierderi pJ1

în înfăşurarea primară, în pierderile pFe prin curenţi turbionari şi histerezis în miezul feromagnetic şi în pierderile pJ2 în înfăşurarea secundară, o parte pm se încarcă şi se descarcă în câmpurile magnetice din miez şi de dispersie, iar diferenţa p2 se transmite receptoarelor conectate la bornele secundare: p1= pJ1 +pFe +pm +pJ2 +p2 (9)

La funcţionarea transformatorului în sarcină, se produc căderi de tensiune în înfăşurări datorită rezistenţei şi reactanţei de dispersie a acestora; tensiunea la bornele secundare variază în general de la funcţionarea în gol la funcţionarea în sarcină a transformatorului în funcţie de căderile de tensiune din înfăşurări şi de defazajul curentului din secundar faţă de tensiunea la borne.

Transformatorul este un aparat care transformă puterea electrica primară de o anumită tensiune şi curent, într-o putere electrică de altă tensiune şi alt curent pe care o transmite receptorului; frecvenţa mărimilor electrice rămâne neschimbată.

Prin intermediul transformatoarelor electrice se pot cupla reţelele electrice la tensiuni nominale diferite şi se pot adapta receptoarelor construite pentru o altă tensiune nominală diferită de tensiunea reţelei electrice de alimentare.

Transmisia puterilor electrice mari este mai economica la tensiuni mult mai ridicate decât la tensiunile la care se produc, deoarece la tensiuni ridicate curenţii au valori reduse, iar pierderile provocate de curenţi pe liniile de transport sunt mai mici; pentru ridicarea tensiunii în centralele electrice şi coborârea acesteia la consumator se utilizează transformatoarele electrice de putere.

În schemele electrice, transformatorul se reprezintă prin semnele convenţionale din fig.16, conform cu STAS 1 590/4-71.

13

Fig. 16. Semne convenţionale pentru transformatorul electric