2_transformatorul

8/8/2019 2_Transformatorul

1/10

2. Transformatorul electric .

TRANSFORMATORUL ELECTRICGeneraliti

Transformatorul electric este un aparat de curent alternativ a crui funcionare se bazeaz pelegea induciei electromagnetice, care transform o putere electric alternativ putere primar deanumii parametri (U1, I1) ntr-o alt putere electric alternativ - putere secundar cu parametrischimbai (U2, I2), frecvena rmnnd constant.

Un transformator este constituit dintr-un miez feromagnetic pe care sunt montate dou sau maimulte nfurri izolate una de alta i fa de miez. nfurarea care primete energia se numetenfurare primar (sau pe scurt - primar), iar nfurarea care transmite energia unui circuit exterior,nfurare secundar (sau pe scurt - secundar).

Dup destinaie, transformatoarele electrice pot fi clasificate in:- transformatoare electrice de putere, utilizate in transportul i distribuia energiei electrice;- transformatoare electrice cu destinaie special: pentru redresoare, pentru cuptoare electrice,

pentru sudare, etc.;- autotransformatoare;- transformatoare de msur;- transformatoare de pornire;- transformatoare de mica putere;- transformatoare in execuie antigrizutoasi antiexploziv.

Din punctul de vedere al numrului de faze pot fi monofazate sau trifazate (uneori polifazatepentru utilizri speciale).

Din punctul de vedere al rcirii transformatoarele pot fi rcite direct n aer sau n ulei.nfurrile unui transformator cu tensiunea mai mare se mai numesc i nfurri de nalt

tensiune, iar cu cele cu tensiune mai mica, nfurri de joasa tensiune.

Elemente constructive

Principalele elemente constructive ale transformatoarelor sunt miezul feromagnetic,nfurarea primari cea secundar.

a) Miezul feromagnetic, denumit adesea i miez magnetic, reprezint calea de nchidere a

fluxului magnetic principal al transformatorului, flux produs de solenaia de magnetizare. Constructiv,miezul feromagnetic este format din coloane pe care sunt montate nfurrile, i jugurile, care servescla nchiderea liniilor de cmp magnetic ntre coloane. Numrul coloanelor depinde de tipul i numrulde faze ale transformatorului. ntruct nfurrile se execut n afara miezului i ulterior se monteaz

pe coloanele transformatorului, coloanele i jugurile se mbin prin suprapunerea sau eserea ntre elea tolelor. Prin mbinarea tolelor, unde o tol a coloanei alterneaz cu o tol a jugului, se micoreazntrefierul mbinrii (fig.2.1). Tablele ce compun miezul feromagnetic au o grosime relativ mic(0,3-0,5mm), sunt realizate din oel electrotehnic aliat cu siliciu i sunt izolate ntre ele. Utilizareatolelor conduce la diminuarea pierderilor prin cureni turbionari, iar alierea oelului cu siliciu asigurreducerea pierderilor, datorate attcurenilor turbionari, ct ifenomenului de histerezis.

Prin utilizarea unor tole dinoel electrotehnic laminat la rece cucristale orientate, izolate cu carlit(izolaie ceramic) se obine o creterea permeabilitii magnetice n direcialaminrii i o ngustare a suprafeeiciclului histerezis micorndu-se

pierderile n fieri puterea specifica demagnetizare. Se pot realiza diferite scheme de miezuri magnetice, ca de pild in figura 2.2. In figura2.2-a se prezint un transformator cu coloane la care, de regul, fiecare din cele dou bobinaje (primari secundar) este mprit pe ambele coloane pentru a se obine o dispersie ct mai mic, n figura 2.2-b

se prezint un transformator de mic putere (6kV), prin care se obine oschema de izolaie convenabil, n detrimentul pierderilor de dispersie, iar in figura 2.2-c untransformator de mic putere n manta.

Fig. 2.1. Straturi de tole consecutive la un transformatortrifazat (asamblare prin tole esute).


2/10


b) nfurrile transformatorului se execut din conductoare de cupru sau mai rar de aluminiu,izolate n mod corespunztor. Pentru a realiza un cuplaj magnetic ct mai mare ntre nfurri, ele semonteaz pe aceeai coloan, n urmtoarele forme constructive: nfurri concentrice i nfurrialternate. La nfurrile concentrice nfurarea de joas tensiune se monteaz n imediata apropiere acoloanei miezului feromagnetic, iar peste aceasta este aezat nfurarea de nalt tensiuneaproximativ aceeai nlime. Prin aceast amplasare se evit apropierea nfurrii de nalt tensiunede miez.

nfurrile alternate se executa din bobine de diametre egale dar de nlimi reduse (galei).Galeii nfurrilor se dispun alternant pe nlimea coloanei. Acest tip de desfurare se folosete, deregul, numai la transformatoare cobortoare, ca de pild cele folosite la alimentarea cuptoarelorelectrice.

nfurarea de nalt tensiune s-a notat prescurtat I.T., iar cea de joas tensiune J.T.n afara elementelor constructive principale necesare, transformatorul mai are, funcie de

destinaie, de tipul i forma constructiv, de sistemul de rcire, de putere i tensiuni, o serie deelemente constructive i accesorii necesare unei bune funcionri. Astfel, transformatoarele cu rcire nulei au o construcie metalic constnd din cuv, capac i conservatori.

Mrimi nominale ale transformatoarelor

n publicaia CEI 34-1 din 1969 i STAS 1893-1972 s-a introdus noiunea de serviciu tip, iarvechea noiune de regim al unei maini electrice a fost precizat n mod corespunztor.

Regimuleste precizat prin ansamblul valorilor numerice ale mrimilor electrice i mecanice cecaracterizeaz funcionarea unei maini electrice. Regimul nominal este acela n care ansamblulvalorilor numerice coincide cu valorile nominale ale mrimilor caracteristice.

Serviciuleste precizat prin succesiunea i durata de meninere a regimurilor, inclusiv mersul ngol sau repausul.

Serviciul nominal este precizat prin valorile numerice ale mrimilor electrice i mecanice,mpreun cu tipul lor de meninere i cu ordinea lor de succesiune stabilite de ctre productor.

Regimul nominalde funcionare caracteristic serviciului nominal se caracterizeaz prin datelenominale nscrise pe tblia indicatoare fixat pe transformator la un loc vizibil i uor accesibil.

Funcionarea n regim nominal este fixat de urmtoarele mrimi nominale: putere, tensiuneprimari secundar, raportul de transformare ntre tensiunea primari secundar la mersul n gol,

curenii, tensiunea de scurtcircuit, frecvena, toate n condiiile nominale de rcire aletransformatorului. Puterea nominal a transformatorului este puterea aparent la bornele circuitului secundar

pentru care nu sunt depite n limitele de nclzire prevzute de standard. Se exprim n kVA.Tensiunea nominal primar este tensiunea aplicat la bornele nfurrii primare, n regim

nominal de funcionare.Tensiunea nominalsecundarreprezint tensiunea la bornele nfurrii secundare atunci cnd

transformatorul funcioneaz n gol, iar la bornele nfurrii primare este aplicat tensiunea nominal.Raportul nominal de transformare este raportul ntre tensiunea primari secundar la mersul

n gol al transformatorului.Curenii nominali sunt curenii primari i secundari de linie la funcionarea n regim nominal.Tensiunea nominalde scurtcircuiteste tensiunea aplicat nfurrii primare astfel ca aceasta

s fie strbtut de curentul nominal, atunci cnd nfurarea secundar este n scurtcircuit.Frecvena nominal este frecvena pentru care a fost construit transformatorul (frecvenaf=50 Hz pentru Europa i 60 Hz pentru SUA).

Fig. 2.2. Transformator monofazat: a) cu nfurri concentrice;b) cu nfurri pe coloane separate; c) n manta


3/10


Principiul de funcionare a transformatorului

Funcionarea transformatorului se bazeaz pe legea induciei electromagnetice, considerndu-se inducia mutual ntre dou circuite imobile unul fa de cellalt. n figura 2.6 este reprezentatschematic miezul magnetic nfurrile unui transformator monofazat.

Mrimile aferente nfurrii primare vor fi notate cu indicele 1, iar cele corespunztoarenfurrii secundare cu indicele 2, sensul de bobinare ale celor dou nfurri fiind acelai. Dac la

bornele AX ale nfurrii primare se aplic o tensiune u1

a unei reele electrice de c.a., nfurareaAX va absorbi un curent i1 de la reeaua electric de alimentare, curent care determin un cmpmagnetic ale crui linii de cmp se vor nlnui n mare parte i cu spirele nfurrii secundare ax.Spirele nfurrii ax vor fi strbtute de un flux fascicular creat de curentul primar.

Acest flux fascicular fiind variabil n timp ca i curentul i1, att n spirele nfurrii primarect i n spirele nfurrii secundare se vor induce t.e.m., iar la bornele ax ale nfurrii va apare otensiune de o anumit valoare, funcie de numrul de spire ale nfurrii.

Dac fluxul fascicular creat de nfurare primar are forma de variaie n timp:

t sinmax= n caremax=BmAc reprezint fluxul magnetic maxim printr-o spir, iar Bm inducia maxim n miezi Ac este aria seciunii miezului, t.e.m. indus n nfurarea primar care are w1 spire este:

E1=-w1dt

d= w 1maxsin

2

t

Iar t.e.m. indus n nfurarea secundar care are w2 spire este:

E2=-w2dt

d=w2maxsin

2

tt

Exprimnd pulsaia n funcie de frecvena, valoarea maxim a t.e.m. este:

max2max2 2 fwE = iar valoarea efectiv :

max2max2max2

2 44,42

2

2

fwfw

EE ===

Din relaia (2.2) remarcm c t.e.m. este defazat n urma fluxului cu .2/ Dac la bornele ax ale nfurrii secundare este conectat u receptor de curent alternativ, atuncicircuitul se nchide i, sub aciunea t.e.m. induse, cele w2 spire vor fi strbtute de curentul i2, iar la

bornele receptorului va fi tensiunea u2.n consecin, transformatorul absoarbe prin nfurarea primar puterea instantanee u1i1 de la

reeaua de alimentare i cedeaz puterea u2i2pe la bornele nfurrii secundare. Dac se neglijeaz pierderile din transformator procesul de transformare va fi caracterizat prin relaia de conservare aputerilor u1i1u2i2.

Prin urmare transformatorul este un aparat electric nu are elemente n micare i caretransform valorile mrimilor energiei electrice de intrare u1,i1 n alte valori, ale celor de ieire u2,i2necesare la consumator.

Fig. 2.6. Traseul liniilor de cmp1 nfurare primar, 2 nfurare secundar


4/10


Aa cum se poate observa din fig. 2.6 c liniile cmpului de dispersie se nchid parte prinmiez, parte prin aer. Liniile cmpului de dispersie al nfurrii primare n raport cu nfurareasecundar determin fluxul total de dispersie (de scpri) .1 Acest flux este relativ mic n raport cu

fluxul util, deoarece permeabilitatea miezului magnetic este mult mai mare dect a aerului i, ca atare,miezul concentreaz mare majoritate a liniilor cmpului magnetic.

Raportarea parametrilor. Studiul analitic al proceselor ce apar n funcionarea transformatorului se

simplific dac nfurarea sa secundar real este nlocuit cu o nfurarea convenional cu acelainumr de spire cu cea primar.De obicei, se face raportarea nfurrii secundare a transformatorului la cea primar, adic se

menine neschimbat numrul de spire w1 i se modific parametrii nfurrii secundare,corespunztor unui nou numr de spire w2=w2.

Astfel, curentul din nfurarea raportat'2I n funcie de curentul 2I din nfurarea secundar:

tensiunea secundar raportat va fi dat de expresia:

rezistena i reactana nfurrilor secundare raportate se deduc, obinndu-se:

Pierderile la transformatoare. Teoria transformatorului prezentat pn aici s-a fcut innd seamanumai de fenomenul de saturaie, neglijndu-se pierderile n fier.

La magnetizarea ciclic, alternativ a miezului transformatorului amplitudinea cmpuluimagnetic din miez variaz n timp, direcia cmpului meninndu-se constant. Ca urmare a acesteivariaii, n miezul feromagnetic se produc pierderi prin histerezis i cureni turbionari, pierderi cedepind de pierderile specifice Fep (pe unitatea de mas), de masa miezului magnetic, de frecvena de

magnetizare fi de valoarea induciei magnetice B, conform relaiei:222 BffBppp FHFHFe +=+=

unde:

Hp - pierderile specifice prin histerezis;

Fp - pierderile specifice prin cureni turbionari;

FH , - factori ce depind de material.

Tablele laminate la cald, care au un coninut de Si de 3-4%, au grosimi de 0,35 i 0,5 mm ipierderi specifice ntre 1,2 i 3,3 W/kg la B=1T i f=50Hz.Tablele laminate la rece cu cristale orientate, cu un coninut de Si de 2,5-3,5% au, n general,

grosimi sub 0,35 mm pentru frecvena de 50-60 Hz i pierderi specifice la 1T de 0,4-0,9 W/kg,pierderile prin histerezis fiind foarte mari n comparaie cu cele prin cureni turbionari.

La o frecven dat, pierderile depind numai de inducie, deci de fluxul util ce produce t.e.m.indus n nfurrile transformatorului:

111111 EIjXIRU += Cderea de tensiune pe impedana primarului (rezistena + reactana de scpri) este mic:

( ) ( ) NUIjXR 100111 21+ nct acest termen se poate neglija i ecuaia circuitului primar de mai sus devine:

mwjEU 111

21=

21

2'2 I

w

wI = ( )31.1

22

1'2 U

wwU = ( )32.1

=

=

2

2

2

1'2

2

2

2

1'2

Xw

wX

Rw

wR ( )33.1

(2.37)

(2.38)

(2.39)


5/10


Deci se poate admite c pierderile n fier depind, prinm

, de ptratul tensiunii de alimentare

i nu depind de gradul de ncrcare al transformatorului.Prin pierderi totale, n ntreaga mas a miezului feromagnetic FeG , se nelege:

[ ]WGpp FeFeFe = Acestor pierderi le corespunde componenta activ a curentului de funcionare n gol, notat cu

aI10 , care are o valoare mic n raport cu componenta reactiv 1010 II a = a curentului 10I defuncionare n gol.

Dac tensiunea de alimentare este constant, atunci curentul de funcionare n gol esteconstant avnd valoarea

'21110101010 IIIIIII ara +=+=+=

Pe la bornele nfurrii primare AX se primete de la reea puterea aparent 111 jQPS += iar pe la bornele ax ale nfurrii secundare cedeaz consumatorului puterea aparent

222 jQPS += . Lund n consideraie pierderile din transformator putem scrie relaiile:

2211

2211

QQQQQ

PPPPP

m

wFew

+++=

+++=

(2.46)

unde:1cos111 IUP = - puterea activ primit de la reea;

2222 cosIUP = - puterea activ transmis circuitului receptor;2111 IRPW = - pierderile de putere activ n nfurarea primar;

2101 amFe IRP = - pierderile de putere activ n miezul feromagnetic;

2'2

'2

2222 IRIRPW == - pierderile de putere activ n nfurarea secundar;

1111 sinIUQ = - puterea reactiv primit de la reea;

2222 sinIUQ = - puterea reactiv transmis receptorului;2111 IXQ = - pierderea de putere reactiv necesar producerii

cmpului magnetic de scpri al nfurrii primare;

11 IXQ um = - pierderea de putere reactiv necesar magnetizriimiezului feromagnetic;

2'2

'2

2222 IXIXQ == - pierderea de putere reactiv necesar producerii

cmpului magnetic de scpri al nfurrii secundare.Pierderile influeneaz negativ randamentul transformatorului, reducnd transferul de putere

ctre secundar. Din relaiile (2.46) rezult c transformatorul primete de la reea o putere intern ct io putere pe care o d receptorului.

Randamentul transformatorului

Prin definiie, randamentul este dat de raportul dintre puterea activ cedati puterea activprimit.

n cazul transformatorului va fi:

Feww PPPIU

IU

+++=

21222

222

cos

cos

(2.48)

unde :

21 ww PiP sunt pierderile n nfurri, iar FeP sunt pierderi n miezul feromagnetic.

Randamentul se poate exprima i n procente(%) dac nmulim relaia (2.48) cu 100

(2.41)


6/10


Regimurile de funcionare ale transformatoarelor

Pentru a evidenia aspectele practice din cadrul teoriei transformatorului se vor prezentaregimurile de funcionare n gol, n scurtcircuit i n sarcin, considernd numai regimurile permanentede lucru.

Regimul de funcionare n gol

Acest regim apare cnd la bornele nfurrii secundare nu este conectat nici un consumator,adic impedana echivalent a sarcinii =Z , 02 =I .

Tensiunea 1U din primar se

msoar cu voltmetrul 1V ,curentul 10I

cu ampermetrul A i puterea absorbitcu wattmetrul W, iar n secundar,tensiunea cu voltmetrul 2V .

Transformatorul se alimenteaz

cu o tensiune 1U variabil ntre 0 i1,15 NU1 , unde NU1 reprezint

tensiunea nominal a nfurriiprimare.

Cu datele msurate se constituie un tabel i pe baza acestor date se construiesccurbele: ( ) ( ) ( )110110110 cos, UfiUfPUfI === .Curbele respective, reprezentate n figura 2.18 se numesc caracteristici de funcionare n gol.

Din msurtorile efectuate se potdetermina urmtoarele mrimi caracteristice aletransformatorului:a) Raportul de transformare definit prin datele

nominale ale transformatorului:

20

1

U

UK N= (2.50)

Dac considerm c 10I


7/10


Din legea circuitului magnetic se determin H=f( I ), iar dependena B=f(H) (caracteristica de

magnetizare) este cunoscut pentru materialul utilizat n construcia miezului magnetic. Din acestefuncii se determin curba de variaie n timp a curentului de magnetizare.

Pierderile la funcionarea n gol ale transformatorului:

( ) Few PPIRIRIRRP +=+=+= 102102`1

2101

21012110 (2.52)

ntruct121

RR


8/10


Din ncercarea de funcionare n scurtcircuit de determin urmtoarele mrimi caracteristice:-pierderile n desfurri (de scurtcircuit)

212'

2'2

211

21 wwKKKKw

PPIRIRIRP +=+== (2.63)n general, la transformatorul monofazat

wKKKPkIUP = cos11 (2.64)

deoarece pierderile de fier se neglijeaz, acestea fiind proporionale cu ptratul tensiunii de alimentareKU1 care la proba de scurtcircuit este mic ])%155[( 1NU .

La funcionarea n scurtcircuit transformatorul fiind alimentat la o tensiune redus, miezulferomagnetic al acestuia nu este saturat i deci curentul absorbit are o liniar n raport cu KU1 , ceea censeamn o impedan de scurtcircuit constanti un factor de putere practice constant (fig. 2.21.);

-factorul de putere la funcionarea n scurtcircuitse determin pe baza datelor experimentale:

KK

K

IU

PK=cos

Regimul de funcionare n sarcinAcest regim se realizeaz atunci cnd primarul este alimentat de la tensiunea

.11 constUU N == , iar impedana de sarcin ).'0(0'


9/10


n figura 2.27 se poate observa cumcderea de tensiune 2u este pozitiv la sarcinrezistiv sau inductiv sau poate s devinnegativ la sarcin capacitiv.

n cazul n care 02 >u , tensiunea la bornele secundare ale transformatorului lafuncionarea n sarcin este mai mic dect lafuncionarea n gol (U2 < U20). Dac

02 U20).

Dependena U2=f(I2) cnd U1= ct. i.cos 2 ct= reprezint caracteristica extern atransformatorului (fig. 2.28).

b) caracteristica randamentului reprezint dependena =f(P2) sau =f() n condiiile ncare U1 = const i cos2 = const i se determin pe baza rezultatelor obinute la ncercrile defuncionare n gol i n scurtcircuit.

Puterea aparent util a transformatorului monofazat este:

KN

N

NNN PI

IIUIUS 2

2

222222 === (2.77)

Pentru pierderile din nfiri se obine:

KN

N

NKw PIIIRP 2

2

1

121 =

== (2.78)

Pierderile n fier nu depind de mrimea sarcinii, ci numai de tensiunea de alimentare.n acest caz se obine pentru randament expresia:

FeKNN

N

PPS

S

PP

P

++=

+=

222

2

2

cos

cos

(2.79)

La factor de putere constant ( .cos 2 ct= ) i tensiune secundar practic constant (U2 = ct.)se constat c )( f= prezint un maxim care se obine anulnd derivata:

0=

d

d (2.80)

din care rezult c valoarea maxim a randamentului se obine cnd pierderile din nfurri sunt egalecu pierderile din miezul feromagnetic.

U2

U20

0

cos2


10/10


Se obine:

FeKNN PP =21

iar:

Kn

Fem

P

P= (2.80)

n general 75,04,0 =m avnd valori mai mici la transformatoarele de distribuie carelucreaz un timp mai mare la sarcini reduse i valori mai mari la transformatoare construite pentru alucra la sarcini apropiate de sarcina nominal.

Cunoscnd pierderile n fier din ncrcarea la funcionarea n gol i pierderile n nfurri (ncupru, electrice) determinate prin ncercarea la funcionarea n scurtcircuit pentru I=IN (adic pentru=1) putem determina caracteristica randamentului cu relaia (2.79), dnd diferite valori lui .

Caracteristica randamentului pentru un transformator este reprezentat n Fig. 2.29.

Fig. 2.29. Caracteristica randamentuluiunui transformator

0 0. 0. 0. 1

2_transformatorul

Documents