Capitolul I

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1 Definiţii:

Transformatorul electric este un aparat electromagnetic static, având două sau mai

multe înfăşurări electrice cuplate magnetic, care transformă parametrii (intensitatea

curentului electric şi tensiunea electrică, dar şi numărul de faze) energiei electrice de

curent alternativ, păstrând frecvenţa constantă. Bobina la bornele căreia se aplică sursa

de alimentare se numeşte înfăşurare primară, iar celelalte la care se conectează diferiţi

consumatori se numeste înfăşurări secundare.

Pentru obţinerea cuplajului magnetic foarte strâns înfăşurările transformatorului

sunt bobinate, de obicei, pe un miez magnetic, care are rolul de a concentra liniile de

câmp datorită unei mari permeabilităţi magnetice.

Deci atât la intrare cât şi la ieşire intâlnim aceeaşi formă de energie electrică, dar

cu parametri diferiţi.

După rolul in instalaţiiile transformatoarele electrice pot fi:

Ridicătoare de tensiune

Coborâtoare de tensiune

După numărul de faze transformatoarele electrice pot fi:

Monofazate

Polifazate

1.2 Domenii de utilizare:

Transformatoarele de putere sunt utilizate în domeniul transportului şi distribuţiei

energiei electrice. Transportul energiei nu se poate efectua decât dacă se realizează la un

curent mic şi la o tensiune ridicată.

La locul de utilizare, energia electrică este din nou transformată prin intermediul

transformatoarelor coborâtoare, la o tensiune joasă cu care sunt alimentate receptoarele.

Autotransformatoarele sunt utilizate pentru transformarea tensiunii în limite reduse

pentru pornirea motoarelor de curent alternativ.

Transformatoarele de măsură (transformatoare de tensiune şi transformatoare de

curent) sunt utilizate la măsurarea tensiunilor şi a curenţilor de valori mari în instalaţiile de

curent alternativ.

3

Transformatoarele de putere mică sunt utilizate pentru circuitele de comandă şi de

alimentare a aparaturii electrice.

Transformatoarele cu caracteristici speciale sunt utilizate:

La aparatele de sudură.

Pentru alimentarea cuptoarelor electrice.

Pentru încercări.

Pentru instalaţiile de redresare.

1.3 Scurt istoric

Principiul de funcţionare al transformatorului a fost stabilit de Michael 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 experimentalā a fenomenului inducţiei

electromagnetice.

Transformatorul a fost folosit ulterior pentru producerea tensiunilor 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 utilizeazā 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 proiecteazā transformatorul trifazat uscat cu

coloane şi în acelaşi an, Braun construieşte primul transformator monofazat în ulei pentru

tensiunea înaltā de 30kV.

1.4 Semne convenţionale

Semnele convenţionale pentru transformatoare sunt date de STAS 11381 / 17 – 88

(figura 1).

Notarea capetelor înfăşurărilor se face cu litere mari, pentru tensiunea mai mare şi cu

litere mici pentru tensiunea mai mică.

Începuturile înfăşurărilor se notează, în ordine, cu A, B, C, sau a, b, c, iar sfârşiturile

se notează cu X, Y, Z, sau x, y, z (figura 2).

4

Figura 1. Semne convenţionale pentru transformatoare.

Punctul neutru al înfăşurărilor transformatoarelor trifazate, dacă este scos la cutia de

borne, se notează cu N sau n.

Tensiune Înaltă tensiune Joasă tensiune

Înaltă joasa

A a A X a x

B Y b y

X x C Z c z

Figura 2. Notarea capetelor înfăşurărilor transformatoarelor.

Capitolul II5

CONSTRUCŢIE ŞI FUNCŢIONARE

2.1 Elemente constructive ale transformatorului electric

Un transformator electric are ca părţi principale elemente active şi elemente

constructive. Elementele active sunt miezul feromagnetic şi înfăşurările. Acestea au

rolul de a asigura transformarea parametrilor energiei electromagnetice.

Elementele constructive sunt utilizate pentru protecţia şi solidarizarea elementelor

active.

Miezul feromagnetic serveşte ca circuit magnetic de închidere a fluxului

magnetic util (principal) şi pentru mărirea cuplajului magnetic între înfăşurări. Pentru

transformatoarele care sunt utilizate la reţeaua industrială (50Hz), miezul feromagnetic

este realizat din tole de oţel electrotehnic (oţel sărac în carbon aliat cu siliciu în

proporţie de 2-5%), cu grosimi de 0.3, 0.35 sau 0.5 mm, izolate între ele cu hârtie,

lacuri epoxidice, oxizi sau straturi ceramice. Alierea cu siliciu duce la creşterea

rezistivităţii şi la micşorarea câmpului magnetic coercitiv. Utilizarea tolelor pentru

realizarea miezului feromagnetic duce la micşorarea pierderilor prin curenţi turbionari

(dependente direct proporţional de pătratul grosimii tolei şi invers proporţional de

rezistivitatea materialului) şi a pierderilor prin histerezis magnetic (datorită micşorării

câmpului magnetic coercitiv).

Miezul transformatorului are două părţi principale: coloanele şi jugurile.

Coloanele sunt porţiunile de miez pe care se aşează înfăşurările transformatorului, iar

jugurile sunt porţiunile de miez care închid circuitul magnetic al coloanelor. Există

două variante constructive de miezuri feromagnetice: cu coloane (fig. 3) şi în manta

(fig. 4). Cu linie întreruptă sunt indicate locurile unde se dispun înfăşurările.

Strângerea tolelor circuitului magnetic se realizează prin nituri (la transformatoarele

de putere mică), sau prin buloane izolate faţă de tole (la transformatoarele de

putere).

Fig 3.Miez feromagnetic in manta

6

Figura 4 Miez feromagnetic cu coloane

Înfăşurările constituie una din părţile cele mai importante ale unui transformator.

Se disting două tipuri principale de înfăşurări: înfăşurări concentrice şi înfăşurări

alternate.

Înfăşurările de tip concentric se caracterizează prin faptul că bobinele de înaltă

tensiune s-au scris prescurtat I.T. şi de joasă tensiune, s-au scris prescurtat J.T., au

înălţimi aproximativ egale, înfăşurarea de înaltă tensiune având, în mod obişnuit,

diametrul mai mare, deoarece este aşezată peste cea de joasă tensiune, iar înfăşurarea

de joasă tensiune diametrul mai mic şi aşezată în imediata apropiere a coloanei miezului

feromagnetic.

Aproape în exclusivitate se folosesc înfăşurările de tip concentric, cele alternate

utilizându-se la unele transformatoare speciale.

Înfăşurările transformatorului sunt înfăşurări solenoidale cu spire circulare (la

puteri mari) sau dreptunghiulare (la puteri mici), executate din conductoare de cupru

sau aluminiu, izolate cu email, hârtie de cablu sau bumbac. Secţiunea

conductoarelor este rotundă la transformatoarele de putere mică şi dreptunghiulară la

cele de putere mare. Bobinarea se execută pe o carcasă din material izolant (la puteri

mici), sau pe un cilindru izolant din pertinax sau carton electrotehnic la puteri mari.

Înfăşurările sunt izolate între ele şi faţă de circuitul magnetic prin spaţii de aer sau straturi

de materiale izolante.

Datorită pierderilor care apar la funcţionarea unui transformator acesta se

încălzeşte. Pentru ca înfăşurările, respectiv miezul transformatorului să nu

depăşească anumite valori de temperatură fixate de standarde, la o anumită

temperatură a mediului ambiant, se iau anumite măsuri pentru răcirea

transformatoarelor. La transformatoarele cu o putere mai mică de 5kVA, răcirea se face

prin circulaţia naturală a aerului (transformatoare uscate). Pentru transformatoarele cu

puteri cuprinse între 5 şi 20000 kVA răcirea se face prin circulaţia naturală a

7

uleiului,

iar pentru transformatoarele cu puteri mai mari de 20 kVA răcirea se face prin

circulaţia forţată a uleiului sau răcirea forţată a uleiului prin suflarea cu aer a ţevilor de

răcire cu ajutorul ventilatoarelor.

2.2 Mărimile nominale care caracterizează transformatorul şi care sunt înscrise de

obicei pe plăcuţa sa indicatoare sunt :

Puterea nominală a transformatorului este puterea aparentă la

bornele circuitului secundar exprimată in VA, kVA sau MVA pentru

care nu sunt depasite limitele de incălzire admisibile ale elementelor

transformatorului in condiţii de mediu indicate.

Tensiunile nominale de linie exprimate în V sau kV.

Curenţii nominali de linie exprimaţi în A sau kA.

Frecvenţa nominală exprimată în Hz..

Numărul de faze.

Schema şi grupa de conexiuni.

Tensiunea nominală de scurtcircuit in procente;

Regimul de funcţionare (continuu sau de scurtă durată).

Felul răcirii.

In afară de aceste date, pe plăcuţa transformatorului sunt inscrise si date

suplimentare necesare la instalarea transformatorului :

Masa totală a transformatorului.

Masa uleiului.

Masa părţii decuvabile a transformatorului.

8

2.3 Principiul de funcţionare al transformatorului electric monofazat

Funcţionarea transformatorului monofazat se bazează pe legea inducţiei

electromagnetice si anume a inducţiei mutuale între două circuite imobile unul faţa de

altul. In fig. 5 este reprezentată schema de principiu a unui transformator monofazat.

Notăm începutul şi sfârşitul înfăşurării primare cu A respectiv X, iar a înfăşurării

secundare cu a respectiv x.

Dacă se aplică tensiunea u1, la bornele AX, tensiunea care este variabilă în timp,

atunci infăsurarea AX va absorbi de la reteaua electrica de alimentare curentul i1; acest

curent va produce un câmp magnetic ale cărui linii se vor inchide pe drumul de reluctanţa

minimă, străbătând şi cealaltă înfăşurare denumită înfăşurare secundară.

Deci spirele înfăşurării secundare vor fi înlanţuite cu un flux magnetic fascicular

creat de curentul primar, flux magnetic variabil în timp ca şi curentul i1. Prin urmare în

spirele înfăşurării secundare se va introduce o tensiune electromotoare şi va apărea o

anumită tensiune u20 la bornele ax ale infăşurării.

Această tensiune poate fi mai mare sau mai mică în funcţie de numărul de spire al

înfăşurării secundare, altfel spus tensiunea electromotoare indusă în înfăşurarea

secundară este proporţională cu numărul de spire al acestei înfăşurări. Dacă la bornele ax

este legat un receptor de rezistenţa R, de capacitate C si de inductivitate L atunci circuitul

secundar este închis şi sub acţiunea tensiunii electromotoare induse, înfăşurarea

secundară va fi strabatută de un curent i2, iar la bornele receptorului ia valoarea u2. Dacă

tensiunea secundară este mai mare decât cea primara (U2 > U1) transformatorul este

ridicător de tensiune; daca tensiunea secundară U2 este mai mică decât cea primară U1

(U2 < U1), el este coborâtor de tensiune.

9

i1

u 1

i2

u 2

L 1 L 2

M

F ig u ra 2 .5 6 . P r in c ip iu l d e fu n c tio n a re a tra n s fo rm a to ru lu i

1 2

3

5

Transformatorul absoarbe prin înfăştiurarea primară puterea instantanee u1i1 de la

reţeaua de alimentare şi cedează puterea instantanee u2i2 pe la bornele înfăşurării

secundare. Neglijând orice pierderi în transformator şi orice înmagazinare de energie în

câmpurile magnetice se obţine relaţia u1i1 = u2i2.

Aşadar transformatorul schimbă valoarea tensiunii u1 a reţelei de alimentare la

valoarea u2 care convine receptorului conectat la bornele înfăşurării secundare, fară a

schimba esenţial valoarea puterii cerute de la reţea. Transmisia la distanţă a puterilor

electrice mari este mai economică 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 mult mai mici; pentru ridicarea tensiunii în centralele

electrice şi coborârea acesteia la consumatori se utilizează transformatoarele electrice de

putere.

Deci înfăşurarea primară primeşte de la reţea puterea U1xI1 şi cedează prin

înfăşurarea secundară puterea U2xI2 transferul de putere facându-se prin

inducţie electromagnetică. În baza principiului conversiei electromagnetice

se poate spune că U1xI1> U2xI2.

Dacă se consideră U1xI1= U2xI2 se poate scrie următoarea egalitate:

relaţia reprezintă raportul de transformare al unui transformator monofazat

Se notează:

U1/U2 = KT = raportul tensiunilor

U1/U2 = KN = raportul numărului de spire

Dacă U1>U2 → transformator coborâtor de tensiune

Dacă U1<U2 → transformator ridicător de tensiune

Dacă U1=U2 → transformator de separaţie

10

CAPITOLUL III

CALCULUL UNUI TRANSFORMATOR ELECTRIC

3.1 Calculul unui transformator electric de mică putere

Calculul unui transformator presupune determinarea dimensiunilor miezului

magnetic, numărul de tole, numarul de spire din primar şi secundar şi grosimea

conductoarelor folosite

Exemplu de calcul al unui transformator de mică putere.

Transformatorul care trebuie calculat va avea următoarele mărimi nominale:

Puterea înfăşurării primare S1[VA]

Curentul nominal din înfăşurarea primară I1[A]

Curentul nominal din înfăşurarea secundară I2[A]

Secţiunea miezului magnetic SFe [cm2]

Lăţimea tolei a[cm]

Grosimea miezului magnetic b [cm]

Numărul de tole necesar n

11

Numărul de spire pe volt N0[spire/volt]

Numărul de spire din înfăşurarea primară N1

Diametrul conductorului din înfăşurarea primară d1[mm]

Numărul de spire din înfăşurarea secundară N2

Diametrul conductorului din înfăşurarea secundară d2[mm]

Secţiunea totală a spirelor înfăşurărilor primară şi secundară SCu[cm2]

Secţiunea ferestrei Sf[cm2]

Deoarece a rezultat că secţiunea ferestrei este mai mare decât secţiunea

cuprului, se consideră că dimensionarea transformatorului a fost bună.

Am obţinut un transformator format din 57 tole, având în primar N1=2750

spire cu diametrul d1=0,22 mm. În secundar sunt N2=55 spire de diametru d2=1,6

mm.

12

Capitolul IV

DEFECTE ALE TRANSFORMATOARELOR

ELECTRICE

Transformatoarele şi autotransformatoarele trebuie echipate cu protecţii

contra defectelor interioare şi a regimurilor anormale de funcţionare, cauzate de

defecte exterioare din reţea. Deoarece transformatoarele (neavând piese în mişcare)

au o construcţie mai robustă şi deci o funcţionare mai sigură, protecţia lor este, în

ansamblu, mai simplă.

Defectele interioare ale transformatoarelor sunt:

scurtcircuitele polifazate în înfăşurări şi la borne

scurtcircuitele între spirele aceleiaşi faze

atingerile la masă ale înfăşurării sau ale bornelor; la transformatoarele

care au punctul neutru legat direct la pământ.

Atingerea la masă a unei faze reprezintă un scurtcircuit monofazat. In cazul

scurtcircuitelor la borne s-a considerat că, la locul defectului, curentul de scurtcircuit

este Isc curenţii de sarcină sunt neglijabili, iar raportul de transformare este egal cu

1. Practica exploatării a arătat că, dintre defectele enumerate, cele mai dese sunt

punerile la masă sau scurtcircuitele monofazate sau între spire, iar cele mai rare

scurtcircuitele polifazate în interiorul transformatorului. Acestea din urmă sunt cu totul

excluse la transformatoarele constituite din unităţi monofazate. Alt defect intern al

transformatorului, de natură neelectrică, este scăderea nivelului uleiului.

Regimurile anormale care perturbă cel mai des funcţionarea unui

transformator sunt supracurenţii. Contra scurtcircuitelor interne sau la borne,

transformatorul trebuie să fie echipat cu protecţii care să acţioneze sigur şi cât mai

rapid (protecţii de gaze, diferenţială, cu tăiere de curent şi maximală de curent

temporizată) comandând declanşarea tuturor întreruptoarelor transformatorului.

Protecţiile contra regimurilor anormale de funcţionare comandă în general

semnalizarea, cu excepţia protecţiei maximale de curent, utilizată contra

supracurenţilor periculoşi, care comandă deconectarea transformatorului.

13

Capitolul V

NORME DE PROTECŢIA MUNCII SPECIFICE

TRANSFORMATOARELOR

Încercarea transformatoarelor (în special probele la care se utilizează sau

apar tensiuni ridicate) se face pe platforme special amenajate şi de către personal

calificat şi specializat pentru probe.

Locurile amenajate pentru efectuarea probelor trebuie să fie îngrădite şi

marcate vizibil cu indicatoare.

Este înterzisă pătrunderea personalului nespecializat şi neautorizat pentru

efectuarea probelor, în interiorul platformelor de încercare, pe toată durata

încercărilor sub tensiune.

Asamblarea maşinilor electrice, se face prin metode curente, de asamblare

(înşurubări, presări, nituiri), precum şi prin operaţii specifice (bandajarea bobinelor).

În afară de regulile generale de protecţie a muncii privitoare la operaţiile

curente de asamblare, se vor respecta următoarele:

La împachetarea şi asamblarea transformatoarelor, sculele şi dispozitivele

folosite, trebuie să corespundă din punct de vedere tehnic, operaţiunilor tehnologice

la care sunt folosite.

Lucrătorii care în timpul lucrului folosesc unelte de mână producătoare de

scântei, aşchie metelică ,etc, vor purta ochelari de protecţie.

Toate uneltele de mână trebuie verificate cu atenţie la începutul schimbului şi

periodic, în funcţie de frecventa utilizare a acestora.

La lucrul pe bandă, înainte de pornirea benzilor de montaj, se va verifica

starea tehnică a mecanismelor de acţionare.

Locul pe bandă se va efectua în poziţia şezând pe scaune adecvate, fără

improvizaţii.

La montarea pieselor din materiale care prezintă muchii, ascuţite sau bravuri,

se vor folosii degetare sau mănuşi de protecţie.

Este interzisă folosirea derivaţiilor provizorii de la tabloul de distribuţie, de la

bornele de alimentare sau de la orice punct al instalaţiilor electrice.

Standurile şi punctele de control de la capul liniilor de montaj vor fi

alimentate comform cu prefederile specifice.

14

Reguli de protecţie a muncii la standurile de probă:

Toate întreprinderile şi unităţile deţinătoare de standuri de probă şi puncte de

control de orice fel, trebuie să elaboreze pentru acestea instrucţiuni proprii

care să asigure protecţia împotriva accidentărilor personalului de deservire,

cel ajutător şi a persoanelor care vizitează aceste standuri. Aceste instrucţiuni

vor fi afişate la locurile de muncă respective şi la intrările în incinta standurilor.

Standurile de probă se asamblează de regula la sfârşitul liniilor tehnologice,

iar punctele de control în remediere, în funcţie de locul stabilit prin flixul

tehnologic, vor evita pe cat posibil întoarcerea în circulaţie a produsului de

încercat.

Standurile şi punctele de control, se prevăd cu instalaţii de protecţie prin

legarea la pământ şi la nul a tuturor părţilor metalice, pentru evitarea

electrocutărilor prin tensiuni accidentale de atingere.

Toate părţile în mişcare care ar putea produce accidente, se prevăd cu

apărători.

Este interzis accesul persoanelor străine în standul de probă sau la punctele

de control în timpul încercării lor.

Personalul de deservire a standului şi punctelor de control, va purta

echipamentul de lucru şi de protecţie prevăzut.

Este interzis a se părăsi locul de muncă, şi a se lăsa în funcţionare fără

supraveghere standul de probă sau punctul de control.

După terminarea lucrului se va întrerupe curentul de alimentare al standului de

probă, de la tabloul de distribuţie.

Începerea probelor, se va face numai după ce conducătorul standurilor, sau

punctelor de control, va verifica dacă toate utilajele ce urmează a fi încercate,

sunt corect instalate.

Standurile de probă care utilizează tensiuni de peste 1 kV trebuie sa fie

prevăzute cu covoare din materiale electroizolante, cu lăţimea de un metru, în

jurul împrejmuirilor.

Uşile trebuie prevăzute cu blocaje electrice , ca în timpul funcţionării să nu

poată fi deschise.

Pârghile, manetele şi butoanele din tablourile şi pupitrele de comandă, trebuie

să conţină inscripţii care să indice destinaţia şi felul comenzilor.

Toate standurile şi punctele de control, trebuie să aibă pardoselile şi

15

platformele acoperite cu covoare electroizolante şi să fie dotate cu scule şi

unelte cu mânere izolate.

Racordarea aparetelor, a rezistenţelor adiţionale şi transformatoarelor de

măsurat, se va face numai când aparatele ce se încearcă nu sunt sub

tensiune.

BIBLIOGRAFIE

16

1. Gheorghiu, I.S - TRATAT DE MAŞINI ELECTRICE

Fransua, Al Editura Academiei, 1972

2. Bala , C - MAŞINI ELECTRICE

Editura Didactica si Pedagogica 1982

3. Bichir, N - MAŞINI, APARATE, ACŢIONĂRI ŞI AUTOMATIZĂRI

Mihoc, D Editura Didactica si Pedagogica 1998

Botan, C

Hilohi, S

4. Mirescu, S - MAŞINI ELECTRICE ŞI ACŢIONĂRI

Mares, F Editura Economica Preuniversitaria, 2000

Balasoiu T

17