2.TRANSFORMATORUL ELECTRIC . CONSŢRUCTIE, FUNCŢIONARE, DOMENII DE UTILIZARE

2.1 Obiectivele lucrării

- cunoaşterea elementelor constructive de bază ale transformatorului electric ;

- cunoaşterea principiului de funcţionare al transformatorului electric;

- cunoaşterea principalelor domenii de utilizare ale transformatorului electric ;

- identificarea bornelor şi înfăşurărilor transformatoarelor electrice ;

2.2 Consideraţii teoretice

Transformatorul electric este un convertor static care realizează transformarea energiei electromagnetice de anumiţi parametri (U1,I1) în energie electromagnetică de alţi parametri (U2,I2) păstrând în general neschimbată valoarea frecvenţei ( f ).

La baza funcţionării transformatorului electric stă legea inducţiei electromagnetice descoperită de M. Faraday în 1931 , care de fapt a şi construit primul transformator monofazat cu miez feromagnetic . În general,un transformator (monofazat) are două înfăşurări :

o înfăşurare primară care primeşte energie de la generatoare sau din reţeaua de alimentare, şi care se comportă ca o latură receptoare de circuit. Mărimile electrice şi magnetice asociate acesteia (şi ale căror sensuri se deosebesc după regula laturilor receptoare ) se numesc mărimi primare şi se notează cu indicele 1 (U1,I1,P1,etc) ;

o înfăşurare secundară care debitează energie în reţeaua de alimentare a receptoarelor , care se comportă ca o latură generatoare de circuit , sensurile mărimilor electrice stabilindu-se după regula laturilor generatoare. Mărimile electrice asociate acestei înfăşurări se numesc mărimi secundare şi se notează cu indicele 2 (U2,I2,P2,etc) ;

După construcţie şi valorile puterilor vehiculate întâlnim o gamă variată de transformatoare , cele mai răspândite fiind însă aşa numitele transformatoare de putere (forţă) utilizate în transportul , distribuţia şi utilizarea energiei electrice. Se ştie că este mult mai economic transportul energiei electrice pe distanţe mari la o tensiune cât mai ridicată şi un curent cât mai mic,ţinând însă seama şi de necesităţile consumatorilor.

Există însă şi o serie de transformatoare speciale utilizate în cu totul alte scopuri decât cele prezentate mai sus :

autotransformatoarele (monofazate sau trifazate) destinate alimentării unor circuite monofazate sau trifazate cu tensiune variabilă ;

transformatoare de măsură (reductoare de curent şi de tensiune) destinate extinderii domeniilor de măsurare ale tensiunilor şi curentului ;

transformatoare de sudură ,pentru sudarea cu arc electric de curent alternativ ;

transformatoare de încercări cu ajutorul cărora se obţin tensiuni înalte necesare încercării rezistenţelor de izolaţie ;

transformatoare de adaptare care sunt transformatoare monofazate , de puteri reduse , care intră în structura instalaţiilor de redresare.

Parametrii nominali ai unui transformator înscrişi de regulă pe plăcuţa cu date tehnice a acestuia sunt :

puterea nominală (aparentă secundară ) Sn în KVA;

tensiunile nominale (de linie ) U1n ,U2n în V sau KV ;

curenţii nominali (de linie) I1n,I2n în A ;

frecvenţa nominală de lucru f în Hz ;

numărul fazelor ,m ;

schema şi grupa de conexiuni ;

tensiunea nominală de scurtcircuit unsc în % ;

regimul de lucru , sistemul de răcire ;

2.2.1 Elementele constructive ale transformatorului electric

Principalele elemente constructive ale unui transformator electric sunt :

- circuitul magnetic al transformatorului ;

- circuitul electric sau înfăşurările (primare şi secundare);

- părţile de asamblare şi accesoriile transformatorului ;

1.Circuitul magnetic este realizat din tole subţiri din oţel electrotehnic (0,3-0.35) mm ,care este un oţel sărac în carbon,aliat cu siliciu ,izolate între ele cu hârtie , lacuri , oxizi sau structuri ceramice pentru reducerea pierderilor în fier prin curenţi turbionari.

Portiunile de circuit magnetic pe care sunt amplasate înfăşurările se numeste coloane , iar cele care fac legătura între coloane se numesc juguri.După forma circuitului magnetic,transformatoarele se construiesc în două variante : în coloană şi în manta.În fig (2.1a) este prezentată schema unui transformator monofazat cu coloane, iar în fig (2.1b) a unui transformator monofazat în manta.

În ceea ce priveşte geometria secţiunii miezului ,ea poate fi pătrată,în cruce,în trepte,aşa cum rezultă din figura 2.2

a) b)Fig. 2.1b. Transformator monofazat în manta:

a) – vedere în spaţiu; b) – secţiune în planul median.

Înfăşurări

I II

Înfăşurare

Coloană

Fig. 2.1a. Transformator monofazat în coloanăI – vedere în spaţiu; II – secţiune în planul median.

2.Înfăşurările transformatorului (circuitul electric) se realizează din conductoare de cupru sau aluminiu izolate cu email ,bumbac sau hârtie , au secţiune circulară sau dreptunghiulară şi se dispun pe carcase cilindrice sau paralelipipedice confecţionate din materiale electroizolante.Din punctul de vedere al formei înfăşurărilor ,se construiesc transformatoare cu înfăşurări cilindrice ,concentrice sau cu înfăşurări alternante (în galeţi) aşa cum rezultă din fig 2.3

3.Elementele de asamblare şi accesoriile

Dacă la transformatoarele de puteri reduse ,elementele de asamblare şi accesoriile se reduc la ansamblul pieselor de strângere ,fixare şi rigidizare a miezului şi a înfăşurărilor ,la transformatoarele de putere acestea sunt deosebit de importante pentru buna funcţionare a acestora . Astfel ,la transformatoarele trifazate a căror putere depăşeşte 40 KVA,corpul transformatorului se introduce într-o cuvă metalică umplută cu ulei de transformator.Acesta constituie un agent de răcire superior aerului ,deoarece nu atacă suprafeţele metalice şi are o rigiditate dielectrică net superioară aerului . Pentru a-şi păstra calităţile ,uleiul trebuie ferit de aer şi de apă ,obiectiv care se realizează prin utilizarea unui vas de expansiune numit conservator de ulei amplasat deasupra cuvei transformatorului şi care comunică printr-o conductă de legătură cu partea superioară a cuvei plină cu ulei.Conservatorul umplut parţial cu ulei permite dilatarea uleiului din cuvă,reducând totodată suprafaţa de contact cu aerul a acestuia.Comunicaţia conservatorului cu atmosfera se face printr-un filtru de aer prevăzut cu substanţe hidroabsorbante.

În fig 2.4 sunt prezentate secţiuni longitudinală şi transversală şi vederi de ansamblu ale unui transformator electric trifazat de putere cu răcire în ulei .

Fig. 2.3. Înfăşurările transformatoarelora – cilindrice, concentrice; b – în galeţi.

a b

Fig 2.4 Transformatorul electric trifazat cu răcire în ulei

1-schela;2-consola;3-tirant de susţinere;4-înfăşurările transformatorului;5-comutatorul de tensiune;6-miezul feromagnetic ;7-izolator de trecere (J.T) ;8-izolator de trecere (I.T) ; 9-cuva transformatorului ; 10-capacul cuvei transformatorului ;11-cârlig de ridicare ;12-registru de ţevi de răcire;13-robinet(cana) ;14-conservatorul de ulei ;15-buşonul de umplere ;16-releul de gaze(Bucholtz) ;17-cana pentru golirea cuvei ;18-ştuţ cu dop special pentru prelevarea uleiului ;19-şurubul de legare la pământ ;20-cărucior cu rotile ; 21-teaca pentru termocuplu ;

Pentru puteri mai mici ,cuva se execută cu pereţii netezi,iar pentru puteri mari,în scopul intensificării cedării căldurii dezvoltate ,se folosesc următoarele mijloace:

-realizarea cuvei din tablă ondulată ; -utilizarea unor ţevi de răcire care leagă partea superioară cu partea inferioară a cuvei ;

-utilizarea unor radiatoare (registre de ţevi) ; -circulaţia forţată a uleiului în interiorul cuvei ; -circulaţia forţată a aerului pe suprafaţa exterioară a cuvei ;Pentru protecţia transformatoarelor de putere impotriva defecţiunilor interne

(scurtcircuite între spire,punere la masă ) pe conducta de legătură dintre cuva transformatorului şi conservatorul de ulei se montează un releu de gaze (Bucholtz).Acesta este prevăzut cu două plutitoare şi 2 perechi de contacte şi realizează semnalizarea optică şi acustică a defectului în cazul incipient al defectului sau comandă întreruperea alimentării transformatorului în cazul unor defecţiuni majore în transformator .

Legăturile de la înfăşurări la cele două reţele se realizează prin intermediul izolatoarelor de trecere,fixate pe capacul cuvei.

2.2.2 Principiul de funcţionare al transformatorului electric

Pentru simplificare vom considera un transformator monofazat alcătuit din două bobine situate pe un miez feromagnetic comun ,deci cuplate numai magnetic ,fără legătură galvanică între ele , aşa cum rezultă din figura 2.5

Bobina B1 cu N1 spire se alimentează de la o sursă de tensiune alternativă sinusoidală de frecvenţă f şi valoare instantanee :

;Spirele acestei bobine , numită şi bobină primară sau primarul transformatorului,

vor fi parcurse de un curent de aceeaşi frecvenţă f şi de valoare instantanee : ;

în care : ; -unghiul de defazaj al curentului faţă de tensiune.Liniile câmpului magnetic determinat de solenaţia primară se vor

închide ca în figură, înlănţuind cele N2 spire ale bobinei B2.Conform legii inducţiei

magnetice ,în această bobină se va induce o tensiune electromotoare ,proporţională

cu numărul de spire N2 al bobinei B2 şi având frecvenţa egală cu frecvenţa tensiunii la

1B

1N

1u 2u

2i a

Z

x

2u2eu2B

2N211u 1eu

A

X

1i

Fig 2.5-Schema de principiu a transformatorului monofazat

bornele primare : = -N2 ,unde - reprezintă fluxul util fascicular produs de

bobina B1;Dacă la bornele bobinei B2 (care reprezintă înfăşurarea secundară a

transformatorului) se conectează un receptor de impedanţă Z , aceasta va fi parcursă de un curent i2 de frecvenţă f, care va asigura o tensiune la borne de valoare instantanee u2.Curentul i2 va determina o solenaţie şi un flux magnetic ale cărui linii se vor închide ca în figură.Astfel,la funcţionarea în sarcină ,fluxul fascicular util total (care se va închide prin miezul feromagnetic ) va fi egal cu suma algebrică a celor două fluxuri fasciculare utile :

;Tensiunile electromotoare induse în cele două înfăşurări sub acţiunea fluxului

rezultant vor fi :

;

;

sau în valori efective :

;

;

Raportul este denumit raportul de transformare al

transformatorului.Relaţia de mai sus evidenţiază faptul că raportul de transformare al unui

transformator este egal cu raportul numerelor de spire ale înfăşurărilor.După valorile raportului de transformare,transformatoarele se împart în :

-transformatoare coborâtoare de tensiune,ku>1 (Ue1>Ue2) ;-transformatoare ridicătoare de tensiune,ku<1 (Ue1<Ue2) ;-transformatoare de separaţie,ku=1 (Ue1=Ue2) ;

2.3 Modul de lucru.Desfăşurarea lucrării

1.Se vor analiza cu atenţie toate transformatoarele existente în laborator urmărindu-se :

-forma circuitului magnetic (profilul tolelor) ;-forma şi tipul înfăşurărilor ;-sistemul de strângere(consolidare) a mizului şi înfăşurărilor ;-bornele înfăşurărilor ;

2.În schemele prezentate în fig 2.4 se vor identifica şi analiza elementele constructive de bază ale transformatorului de putere ;

3.Se vor determina bornele înfăşurărilor prin metoda voltmetrului sau metoda ohmetrului ;

4.Se vor determina înfăşurările de Î.T. respectiv de J.T. prin măsurarea rezistenţelor înfăşurărilor ;

5.Se va determina corespondenţa dintre începuturile şi sfârşiturile fazelor omoloage de Î.T. respectiv J.T. astfel :

-se alimentează o fază a înfăşurării de Î.T. la o sursă de c.c prin întrerupătorul k. Pe faza omoloagă a înfăşurării de J.T se leagă un voltmetru magnetoelectric V cu „0” la mijlocul scalei. Dacă la închiderea lui k acul voltmetrului deviază spre dreapta iar la deschidere spre stânga,atunci borna „+” a voltmetrului este legată la începutul înfăşurării de J.T. În caz contrar ,plusul voltmetrului este legat la sfârşitul înfăşurării de J.T.

6.Dacă se dispune de un convertor static de frecvenţă, se va demonstra experimental dependenţa dintre tensiunea electromotoare indusă şi frecvenţă ,prin alimentarea primarului transformatorului cu tensiune de frecvenţă variabilă .

2.4. Verificaţi-vă cunoştinţele

1. Ce este transformatorul electric ? 2. Care sunt principalele domenii de utilizare ale transformatorului electric ?3. Cum se defineşte raportul de transformare ?4. Clasificaţi transformatoarele electrice după valorile ku .5. Care sunt mărimile nominale înscrise pe plăcuţa cu date tehnice ale unui transformator?6. Care sunt elementele constructive de bază ale unui transformator de putere?7. Care este rolul uleiului de transformator ?8. Prezentaţi câteva din criteriile principale de clasificare ale transformatoarelor ;9. Care este rolul releului de gaze şi cum funcţionează acesta ?10. Precizaţi de ce circuitul magnetic al transformatorului se realizează din tole izolate ?11. Ce rol are comutatorul de tensiune şi pe care din înfăşurări se amplasează acesta ?12. Cum se face identificarea bornelor înfăşurărilor ?13. Cum se stabileşte care din înfăşurarile unui transformator sunt de Î.T respectiv J.T.?14. Cum se stabilesc înfăşurările de Î.T. şi J.T. omoloage (în cazul transformatoarelor trifazate ) ?15. Cum se stabilesc începuturile , respectiv sfârşiturile fazelor de Î.T. şi J.T omoloage?