TRANSFORMATOARE ELECTRICE

Transformatorul electric este o masina electrica statica (fara parti in miscare) prin care se asigura modificarea parametrilor energiei electrice de curent alternativ (tensiune, curent, numar de faze) pastrand constanta frecventa.

Si in cazul transformatorului isi pastreaza valabilitatea principiul reversibilitatii: un transformator poate fi ridicator de tensiune sau coborator de tensiune dupa cum raportul tensiunilor din primar si secundar este subunitar, respectiv supraunitar. De aici rezulta posibilitatea de a alege cea mai convenabila valoare pentru tensiunea sub care energia electrica este produsa (5000 . 24000 V), transportata (220, 380, 750 kV), distribuita (63 sau 150 kV si 5,5 sau 20 kV) si in final, utilizata (220V sau 380 V).

Parti componente. Rol functional

In orice transformator, curentul alternativ primar genereaza intr-un circuit magnetic un flux alternativ care, la randul sau, induce in bobinajul secundar o tensiune electromotoare cu aceeasi variatie (alternativa sinusoidala) si aceeasi perioada ca si curentul primar (fig.1).

Figura 1. Principiul de functionare a transformatorului electric

Un transformator indeplineste trei categorii de functii si anume:

Infasurarile electrice

In ceea ce priveste dispunerea infasurarilor transformatorului se poate adopta una din urmatoarele trei modalitati:

A. infasurari concentrice simple (fig. 2,a) utilizate cel mai frecvent: infasurarea de joasa tensiune langa miez si cea de inalta tensiune la exterior;

B. infasurari biconcentrice utilizate la transformatoare mari: infasurarea de inalta tensiune este plasata intre doua bobine de joasa tensiune;

C. infasurari alternate (fig.2,b): infasurarile sunt realizate din galeti montati alternativ (galet = parte componenta a infasurarii unui transformator, avand forma unui inel cu sectiunea dreptunghiulara si alcatuita din mai multe straturi de spire).

a b

Figura 2 Bobinajul transformatoarelor: a) concentric; b) alternate

miez feromagnetic; 2 - infasurari: IT - infasurarea de inalta tensiune; JT - infasurare de joasa tensiune

Pentru bobinaj se utilizeaza, aproape exclusiv, cuprul: conductor rotund (pentru curenti pana la 40 - 50 A), conductor profilat de sectiune dreptunghiulara (pentru curenti mari). Izolatia intre spire se realizeaza cu email la curenti mici si cu hartie electroizolanta, la curenti mari. La infasurarile de inalta tensiune se utilizeaza izolatie din bumbac.

Functionarea se bazeaza pe fenomenul de inductie electromagnetica care are loc intre doua sau mai multe infasurari aflate in prezenta si parcurse de curenti alternativi.

Pentru marirea cuplajului dintre acestea, ele se plaseaza pe un miez magnetic (fig.3).

Figura 3. Schema de principiu a unui transformator monofazat.

In figura anterioara, pentru simplificare, a fost considerat un transformator monofazat dotat cu doua infasurari, ale caror numere de spire sunt N₁ respectiv N₂.

Prima dintre acestea, alimentata la o retea de curent alternativ de tensiune u_1, poarta numele de infasurare primara, in timp ce cea de-a doua, la bornele careia se stabileste, prin inductie electromagnetica, tensiunea u₂₀ (la mersul in gol), se numeste infasurare secundara.

Datorita alimentarii infasurarii primare, in miezul magnetic va lua nastere un camp magnetic fascicular F ce va induce, in cele doua infasurari, tensiunile electromotoare:

si

In regim permanent sinusoidal raportul valorilor efective ale acestora, U_e1 si U_e2, este egal cu raportul numerelor de spire:

(1)

unde k poarta numele de raport de transformare.

Daca se neglijeaza rezistentele infasurarilor si campul care nu inlantuie infasurarea secundara (dispersiile) se pot face aproximarile U_e1 = U₁ si U_e2 = U₂₀. Prin urmare se poate scrie:

(2)

Din aceasta relatie rezulta ca, printr-o alegere corespunzatoare a numerelor de spire, se poate obtine valoarea dorita a tensiunii secundare necesara alimentarii unui consumator.

Alimentand bobina primara a transformatorului cu un curent alternativ:

in miezul transformatorului apare un flux magnetic a carui valoare este:

Conform legii inductiei electromagnetice, atat in infasurarea primara cat si in infasurarea secundara, se induc tensiuni electromotoare (t.e.m.) e a caror valori sunt:

respectiv:

Valoarea efectiva (eficace) va fi:

Conform teoremei lui Ampère, tensiunea magnetomotoare U_mm, sau solenatia J pentru circuitul magnetic de mai sus este: J = N₁i₀ = N₁i₁ +N₂i₂

Din figura de mai sus se desprinde ca solenatia va produce fluxurile j_u j respectiv j Fiecare flux va da nastere la o t.e.m., astfel:

- j_u - t.e.m. e respectiv e

- j - t.e.m. e_s

- j - t.e.m. e_s

Ecuatiile de functionare, in valori instantanee vor fi:

u R i - e - e_s

u - R i + e + e_s

Observatie: aceleasi ecuatii se pot obtine daca se aplica relatiile lui Maxwell pentru inductivitati:

F F F = L₁₁i₁ + L₁₂i₂;

F F F = L₂₁i₁ + L₂₂i₂;

  1

14

15

16

18

17

Aplicatii

Transformatoarele electrice se impart in doua mari categorii:

transformatoare de putere si

transformatoare de masura.

Transformatoarele de putere sunt folosita in transportul, distributia si utilizarea energiei electrice. Tot aici intra si transformatoarele speciale (autotransformatoare, transformatoare de faza, transformatoare de sudura etc.)

Ansamblul general al transformatorului monofazat TMUS - NS - 110/27,5 kV

Transformatoarele de masura sunt folosite pentru alimentarea circuitelor de masura si de protectie ale instalatiilor electrice.

 

Semne conventionale

Semnele conventionale pentru transformatoare sunt date de STAS 11381 / 17 - 88 (fig. 3.8).

Figura 3.8. Semne conventionale pentru transformatoare.

Tensiune  Inalta tensiune Joasa tensiune

Inalta joasa

A a A X a x

B Y b y

B b C Z c z

Figura 3.9. Notarea capetelor infasurarilor transformatoarelor.

Dispunerea si marcarea bornelor sunt aratate in figura 3.10.

Figura 3.10. Dispunerea si marcarea bornelor la transformatoare.

la materialul din care este executat.

1 - conservator; 2 - radiator; 3 - izolator joasa tensiune; 4 - miez feromagnetic; 5 - infasurare de joasa tensiune, 6 - carucior; 7 - izolator de inalta tensiune, 8 - infasurare de inalta tensiune, 9 - capac cuva transformator.

Regimuri de functionare ale transformatorului

Functionarea in gol a transformatorului

Atunci cand transformatorul este conectat la reteaua primara, alimentat in primar cu tensiunea U₁ = U_1n, secundarul fiind deschis, se obtine regimul de mers in gol.

Infasurarea primara va absorbi un curent I₁ = I₀ (curent de mers in gol). In infasurarea secundara curentul va fi I₂ = 0 (fig. MG)

Datorita valorii reduse a curentului de mers in gol, valorile tensiunilor electromotoare induse in cele doua infasurari de catre fluxul util Φ sunt:

;

.

Raportul lor de transformare fiind:

Acest raport, dintre numerele de spire ale infasurarilor primara si secundara ale transformatorului este cunoscut sub denumirea de RAPORT DE TRANSFORMARE si este notat cu:

Concluzii: la functionarea in gol curentul secundar I₂ este nul, tensiunea secundara U₂₀ devine E₂, respectiv U_2n, adica U₂₀ = E₂ = U_2n. Cum curentul primar este foarte mic, putem aprecia ca tensiunea aplicata primarului este si ca atare raportul de transformare va fi :

Functionarea in sarcina a transformatorului

Acest regim corespunde regimului de functionare, cand transformatorul debiteaza in secundar puterea activa P₂. Daca in secundar se conecteaza un consumator de impedanta Z atunci prin acest consumator va circula un curent I₂.

Diferenta dintre t.e.m. din primar si tensiunea de alimentare U₁ este resimtita. Acelasi lucru se va intampla si cu t.e.m. si tensiunea U₂ din secundar. Ca atare in transformator va exista o diferenta procentuala de tensiune: .

Functionarea in scurtcircuit a transformatorului

La functionarea in regim de scurtcircuit, transformatorul are bornele secundare legate intre ele printr-o impedanta de valoare neglijabila.

Pentru a afla valoarea tensiunii de scurtcircuit U_sc sau U_k, este necesar sa alimentam transformatorul in primar aplicand o tensiune crescatoare cu ajutorul unui regulator de tensiune. Se creste tensiunea pana ce curentul I₂ este egal cu curentul obtinut la sarcina nominala I_2n. Curentul indicat de ampermetrul din primar va indica valoarea

I₁ = I_1n. Valoarea tensiunii primare este tensiunea de scurtcircuit U_sc.

Aceasta valoare reprezinta cateva procente din valoarea nominala a tensiunii primare, adica: U_sc = (5.15%)U_1n

a b c

Figura 3.26. Schemele conexiunilor bobinajelor trifazate: a - stea; b - triunghi; c - zigzag