Regimurile de Functionare ale Transformatorului Monofazat

1. Introducere. Scurt Istoric.

Pentru realizarea unui cuplaj cât mai strâns, înfășurările sunt așezate pe un miez feromagnetic. La frecvențe mari (peste 10khz), transformatorul se realizează fără miez feromagnetic.

Principiul de funcționare al transformatorului a fost stabilit de M. Faraday în 1831 care a și construit primul transformator cu miez de fier și două înfășurări. Acest aparat a fost utilizat la început pentru demonstrația experimentală a fenomenului inducției electromagnetice. Transformatorul a fost folosit ulterior pentru producerea tensiunilor electrice înalte în instalații cu arc electric, de catre H. D. Rühmkorff în 1851 și a fost perfecționat constructiv de către S. A. Varley în 1851care a realizat transformatorul cu miezul în manta și înfășurările în galeți.

În perioada 1844-1845, B. Iacobi utilizează bobina de inducție cu scântei pentru aprinderea explozivului în mine. În anul 1876 , Iablochkov utilizeaza transformatorul cu miezul feromagnetic deschis pentru alimentarea în curent alternativ a arcului electric.

În anul 1885, Deri, Blathy și Zipernowsky patentează transformatorul monofazat cu miezul feromagnetic laminat, precum și funcționarea în paralel a transformatoarelor electrice.

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

-mediu de răcire pentru înfășurări și miez

-material izolant pentru înfășurări.

2. Datele tehnice ale transformatorului

În cazul meu transformatorul electric trebuie să aiba o înfașurare primară conectată la o sursa de tensiune de 220V la o frecvența de 50Hz, adica tensiunea și frecvența este cea industrială. Transformatorul este realizat din tole de oțel electrotehnic laminata la cald,în forma de E și I, iar bobinajul realizat din sârmă de cupru. Transformatorul va fi răcit cu un ventilator, care va forța schimbarea de căldura cu mediul ambiant. Puterea în secundar trebuie sa fie minim 1250VA ca pănă la sfârșit la o tensiune de 1V în secundar să se obținem un curent de 1,25 KA. Cu cât este mai mare puterea transformatorului cu atât crește și curentul în secundar, considerând că tensiunea nu se modifică in secundar și rămâne 1V.

Transformatorul are următoarele date nominale :

Tensiunea nominală primară pe fază U1= 220 [V];

Tensiunea nominală secundară pe fază U2= 1 [V];

Frecvența nominală 50 Hz;

Factor de putere nominal în secundarul transformatorului: cosφ = 0,85;

Materialele electroizolante se încadreză în clasa de izolația E;

Puterea aparentă nominală S2= 1,25 [KVA]

3. Construcția transformatorului monofazat.

Figura 3.1

Transformatorul electric se compune dintr-un miez feromagnetic pe care sunt așezate înfășurările. Miezul feromagnetic are rolul de a mări cuplajul magnetic al înfășurărilor. După numărul de faze transformatoarele sunt de tip monofazate sau polifazate, cel mai adesea trifazate. După numărul de înfășurări transformatoarele se construiesc cu două înfășurări și mai rar cu trei sau mai multe înfășurări. După modul de răcire se construiesc transformatoare uscate, răcite prin convecție liberă sau forțată prin intermediului unui gaz ți transformatoare de în baie de ulei care sunt răcite prin intermediul uleiului.

Clasa transformatoarelor speciale cuprinde diferite tipuri constructive din care se menționează : -transformatorul de putere cu trei înfășurări care permite alimentarea sau interconectarea simultană cu un singur transformator a mai multor rețele de tensiuni diferite.

: -transformatoare cu destinație specială : transformatoare de sudură, de mare intensitate, de tensiune foarte înaltă, transformatoare de măsură, de radio, etc.

Principalele elemente constructive ale transformatorului sunt miezul feromagnetic și înfășurările.

a.Miezul feromagnetic se construiește din tole de 0,35mm grosime, tăiate din tablă silicioasă puternic aliată, laminata la cald sau la rece; tolele sunt izolate între ele cu hârtie , lac sau oxizi ceramici. Miezul feromagnit este formată din două componente și anume coloane și juguri.

Pe coloane se așază înfășurările. Deoarece înfășurările se execută în afara miezului și ulterior se montează pe coloanele transformatorului, miezul feromagnetic se construiește din două părți separabile, sau se execută din tole cu jug separabil.

b.Jugul este realizat de asemenea în trepte, de secțiune corespunzătoare , pentru a se asigura închiderea fluxului în direcție 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 apariția unor pierderi suplimentare țn zona de îmbinare a jugului cu coloana.

Înfășurările transformatorului sunt construite din conductor de cupru sau aluminiu, izolat cu bumbac sau hârtie la transforatoare încuvate în ulei sau cu email la transformatoare racite cu aer- denumite și uscate. Transformatorul monofazat preziinta cel puțin două înfășurări așezate pe miez. Una din înfățurări se conectează la o sursa de curent alternativ și este denumită înfășurarea primara, cealaltă înfășurare la bornele căreia se conectează circuitele receptoare se numește înfășurare secundară. Înfațurarea având tensiunea ridicată se numește înfășurare de înaltă tensiune și se notează ÎT, iar înfășurarea de tensiune mai mica se numește înfășurarea de joasă tensiune și se noteaza cu JT. Înfășurările transformatorului se construiesc ca înfășurări cilindrice sau ca înfășurări cu galeți alternați.

La înfășurările cilindrice concentrice înfășurarea primară și înfășurarea secundară sunt așezate suprapus pe coloană. De obicei lângă miez este așezată înfășurarea de joasă tensiune, iar în exterior înfășurarea de înaltă tensiune

La înfășurările cu galetți alternați o porțiune de joasă tensiune alternează de-a lungul coloanei cu o porțiune de înfășurare de joasă tensiune

În construcția transformatoarelor normale de putere se utilizează înfășurările cilindrice concentrice, iar înfășurările în galeți alternați se utilizează numai la transformatoare speciale cu inductivități de scăpări foarte mici.

3.Principiul de funcționare al transformatorului electric monofazat

Fie un transformator monofazat având înfășurarea primară conectată la o sursă de curent alternativ de tensiune u1 și înfășurarea secundară se presupune mai întâi în gol.

Transformatorul se comporă față de rețeaua de alimentare la fel ca o bobină de reactanță cu miez de fier. Înfășurarea primară este parcursă de un curent alternativ i10 relativ mic , datorită reactanței mari a înfășurării în regimul de funcționare gol. Solenația înfășurării primare ϴ= w1*i1 este solenația de magnetizare. Această excită prin miezul feromagnetic fluxul magnetic φ, variabil în timp. În înfășurarea secundară, care îmrățișează practic același flux magnetic φ, se induce o tensiune electromotoare de transformare având frecvența egală cu frecvența tensiunii la bornele primare. Valoarea tensiunii electromotoare induse este proporțională cu numărul de spire al înfășurării.

Daca se neglijează caderea de tensiune datorită rezistenței înfășurării primare, precum și căderea de tensiune corespunzătoare fluxului magnetic care nu înbrățișează înfășurarea secundară , curentul de mers în gol fiind mic. Tensiunea la bornele înfășurării primare este egală cu tensiunea electromotoare, cu semn schimbat, indusă de fluxul magnetic. Astfel putem obține un raport de transformare notată cu k , care este egală cu raportul numerelor de spire ale înfășurării . Tensiunea u2 la bornele secundare la funcționarea în gol a transformtorului este aproape în fază, sau în opoziție de fază, cu tensiunea primară.

Dacă conectează la bornele înfășurării secundare un receptor, circuitul înfășurării este parcurs de curentul i2 , determinat de tensiunea la bornele secundare la funcționarea în sarcină a transformatorului și de impedanța circuitului receptor. Curentul i1 prin înfășurarea primară se modifică corespunzător cu sarcina transformatorului.

La funcționarea în sarcină a transformatorului, raportul curenților prin înfășurări este aproape egal cu inversul raportului de transformare . La funcționarea transformatorului în sarcină, se produc căderi de tensiune în înfășurări datorită rezistenței și reaztanței de dispersie a acestora, iar tensiunea la bornele secundare variază în general de la funcționarea în gol la funcționarea în sarcină a transformatorului în funcție de căderile de tensiune din înfășurări și de defazajul curentului din secundar față de tensiunea la borne.

Transformatorul este acea aparat care transformă puterea electrică primară de o anumită tensiune și curent, într-o putere electrică de altă tensiune și alt curent pe care o transmite receptorului, frecvența rămânând neschimbată.

Prin intermediul transformatoarelor electrice se pot cupla rețele electrice de tensiuni nominale diferite și se pot adapta receptoarele construite pentru o altă tensiune nominală diferită de tensiunea rețelei eectrice de alimentare.

5.Forma tehnică a ecuațiilor transformatorului monofazat

Teoria dezvoltată în paragrafele anterior nu permite să se țină seama de pierderile în fier și de efectul saturației. De acea se preferă în special pentru transformatoarele de putere o altă formă a relațiilor care descriu comportarea transformatoarelor și care constituie baza teoriei tehnice a transformatorului. Pentru incepuy se va avea în vedere numai saturația.

Solenația primară ω1i1 produce un câmp magnetic de excitație, iar solenația secundară ω2i2 produce un câmp suplimentar numit câmp de reacție, această în cazul în care transformatorul este în sarcină. Solenația rezultantă ϴµ= ω1i1+ ω2i2 produce câmpul magnetic rezultant din transformator și datorită saturației circuitului magnetic sistemul nu mai este liniar și câmpul magnetic rezultant nu se mai poate descompune în componente separate corespunzătoare solenațiilor parțiale ω1i1 și ω2i2 , adică suprapunerea efectelor nu mai este posibilă. Urmărind spectrul liniilor de câmp se pot stabili concluzii importante. Se vor avea în vedere cele două categorii de fluxuri: fluxurile de scăpări și fluxul util, care este fluxul magnetic care înlănțuie ambele înfășurări și se închide prin miezul magnetic al transformatorului.

Dacă se consideră un transformator cu înfășurările dispuse ca în figura de mai sus se constată că liniile câmpului magnetic de scăpari ale înfășurării primare se închid parte prin aer, parte prin miez. Dacă analizăm un tub de forță oarecare al ecestui câmp, reluctanța lui totală este suma dintre reluctanța porțiunii din aer și cea a porțiunii din miezul magnetic. Reluctanța porțiunii de aer este constantă indiferent de intensitatea câmpului magnetic . Reluctanța porțiunii cuprinse în miezul magnetic este variabilă odată cu starea de saurație a mizeului magnetic, însă chiar la saturația pronunțată a miezului magnetic reluctanța porțiunii din miezul magnetic este mult mai mică decât reluctanța poțiunii din aer.

Dacă aplicăm teoremele lui Kirchoff în cele două circuite, adică în primar și în secundar putem obține următoarele relații:

Unde este variația fluxul magnetic total care înlănțuie înfășurarea primară, iar este variația fluxului magnetic total care înlănțuie înfășurarea secundară. În aceste relații se presupun cunoscute mărimile u1, , , , , , iar necunoscute sunt , ,.

Prin urmare avem două relații cu trei necunoscute. Sistemul devine determinat dacă se scrie și o relatie care este dată de legătura dintre și , caracteristică receptorului:

În cadrul ipotezelor enunțate mai sus aceste trei relații descriu complet funcționarea transformatorului în orce regim.

6.Regimurile de funcționare ale transformatorului monofazat.

Se consideră cazul unui transformator alimentat de la o sursă de curent alternativ de putere infinită (cu impedanță zero), astfel încât tensiunea primară nu variază la încărcarea în sarcină a transformatorului.

Curentul I2, în circuitul secundar rezultă din schema echivalentă a transformatorului reprezentată în figura următoare prin aplicarea teoremei lui Thevenin:

În care este tensiunea la bornele secundare ale transformatorului la funcționarea în gol, este impedanța de scurtcircuit a transformatorului în raport cu bornele secundare, în cazul în care sursa este pasivizată , iar este impedanța de sarcină conectată la bornele secundare și raportate la primar.

Prin urmare, curentul de sarcină al transformatorului poate fi determinat dacă se cunoaște comportarea transformatorului în cele două regimuri particulare de funcționare: regimul gol și regimul de scurtcircuit.

Funcționarea în gol

Un transformator electric funcționeazaă în gol, în caz în care înfășurarea primară este alimentată de la o sursă de curent alternativ, iar circuitul secundar este deschis.

Puterea luată de transformator de la rețea la funcționarea în gol, se transformă în pierderi. Pierderile produse în înfășurarea primară sunt neglijabile în raport cu pierderile nominale:

Pierderile produse în miezul feromagnetic au valoare apropiată de pierderile în regim nominal, deoarece fluxul magnetic prin miez are o valoare aproape constantă de la funcționarea în gol la funcționarea în sarcină.

Curba curentului de mers în gol la un transformator monofaza alimentat de la o sursa de tensiune sinusoidală este deformată. Prin urmare, la funcționarea în gol a transformatorului monofazat cu tensiunea de alimentare variabilă în timp după o uncție armonică, fluxul magnetic prin miez, respectiv inducția magnetică variază sinusoidal în funcție de timp.

Fundamentala curentului de mers în gol este defazată înainte față de curba inducției magnetice daorită fenomenului de histerezis și datorită pierderilor produse în miez prin curenți turbionari. În cazul în care miezul feromagnetic prezintă un întrefier, tensiunea magnetică în întrefier este proporțională cu inducția magnetică și este practic sinusoidală; crește prin urmare numai fundamentala curentului de mers în gol, dar armonicile rămân neschimbate .

Tensiunea de alimentare fiind sinusoidală, transformatorul primește de la rețea o putere electrică activă numai pe fundamentală.

Funcționarea în scurtcircuit

Un transformator electric funcționează în scurtcircuit în cazul în care înfășurarea primară este alimentată de la o sursă de curent alternativ, iar înfășurarea secundară are bornele legate împreună, impedanța receptorului fiind zero.

La funcționarea transformatorului in scurtcircuit, curenții prin înfășurari au valori foarte mari, și se poate neglija curentul de mers în gol.

Curentul de scurtcircuit are valoarea efectivă I1sc dată de relația:

În mod uzual, tensiunea de scurtcircuit are valoarea usc 5-12%. Tensiunea de scurtcircuit depinde de puterea transfrmatorului și de construcția înfășurărilor, iar valoarea tensiunii de scurtcircuit este standardizată în funcție de puterea transformatorului în vederea asigurării posibilitații de funcționare în paralel a transformatoarelor de putere, precum și pentru limitarea curenților de scurtcircuit în rețele electrice.

Puterea primită de transformator la funcționarea în scurtcircuit este transformată în principal în pierderi în înfășurări prin efect Joule, deoarece pierderile în miez sunt foarte mici. Datorită pierderilor mari care se produc în înfășurări la funcționarea în scurtcircuit la tensiunea nominală, nu este permisă funcționarea transfrmatorului în scurtcircuit deoarece se pot produce încălziri mari ale izolației înfășurărilor, periclitând viața transformatorului.