Cum se fabrica un transformator electric?

https://www.youtube.com/watch?v=uiMTWvpv-0o

Generalităti

Se numeşte transformator electric un dispozitiv electromagnetic care prin fenomenul de inducţie, transformă parametrii energiei electrice în curent alternativ (frecvenţa rămâne aceeaşi). Image Schema de principiu a unui transformator In general, un transformator este format dintr-un miez feromagnetic pe care se află două înfăşurări: una primară şi una secundară. Înfăşurarea primară, cu N1 spire, primeşte energia electrică la o tensiune U1 iar înfăşurarea secundară, cu N2 spire, cedează energia electrică receptorului de impedanţă Z, la o tensiune U2. Înfăşurarea supusă la o tensiune mai mare se numeşte înfăşurare de înaltă tensiune, iar cea supusă la o tensiune mai mică se numeşte înfăşurare de joasă tensiune. Dacă înfăşurarea de înaltă tensiune este legată la sursa de energie, atunci transformatorul este coborâtor de tensiune, în caz contrar transformatorul este ridicător de tensiune. Transformatorul electric permite să se transforme parametrii energiei electrice din primar (tensiune, curent), obţinându-se în secundar parametrii necesari receptorului. În cele ce urmează toate mărimile referitoare la primar se vor nota cu indicele 1 (de exemplu: U1, I1, P1, N1, E1 etc.), iar cele referitoare la secundar cu indicele 2. Clasificare transformatoarelor se poate face după mai multe criterii: – după numărul de faze, transformatoarele pot fi: monofazate şi trifazate; – în funcţie de numărul înfăşurătorilor plasate pe miez există: transformatoare cu două înfăşurări (primar şi secundar) şi cu mai multe înfăşurări (de exemplu: cu mai multe înfăşurări secundare); – după destinaţia lor, transformatoarele se împart în două categorii mari: transformatoare pentru transportul şi distribuţia energiei electrice şi transformatoare pentru instalaţiile de utilizare a energiei electrice. Prima categorie sunt transformatoare de putere şi servesc pentru transformarea parametrilor energiei electrice în vederea transportului şi distribuţiei energiei electrice. Transformatoarele pentru instalaţiile de utilizare a energiei electrice sunt de o mare diversitate constructivă, în funcţie de rolul concret pe care trebuie să-l îndeplinească. Astfel se construiesc: transformatoare pentru acţionări electrice; transformatoare pentru cuptoare electrice; transformatoare pentru protecţia muncii; transformatoare pentru sudură; transformatoare de măsură; transformatoare pentru redresare; transformatoare pentru circuite electronice (care la rândul lor pot fi foarte diverse în funcţie de construcţie, destinaţie, frecvenţa tensiunii de alimentare, performanţele impuse), etc

..

Randamentul Transformatorului

   Transformatorul este un aparat static bazat pe fenomenul inductiei electromagnetice; el primeste putere electrica, in curent alternativ, la o tensiune U1 si o intensitate I1 aplicata unui circuit numit primar si o reda, cu aceeasi frecventa, la o tensiune U2 si o intensitate I2 , la bornele unui circuit numit secundar. Transformatorul permite, deci, transformarea unei valori a tensiunii in alta valoare de tensiune, transformare necesara pentru transportul(transferul) si distributia cu pierderi minime de energie electrica in curent alternativ.

Randamentul Transformatorului:

   Randamentul transformatorului se defineste ca raportul dintre puterea activa furnizata de secundar,  P2, si putere active primita de catre primar de la reteaua de alimentare, P1.Diferenta P1 – P2 reprezinta puterea pierduta in transformator, care se compune din pierderile prin efect Joule in infasurarile transformatorului, numite pierderi in cuplu PCu = R1 + R2, si pierderile prin histerezis si curenti turbionari in cadrul de fier, numite pierderi in fier, PFe. Deci expresia randamentului este:  η =  , η =  .

   Randamentul trece printr-un maxim cand PCu = PFe , deoarece o suma de doi termini variabili cu produs constant, (PCu + PFe), are valoare maxima cand termenii sunt egali.

   Deoarece transformatoarele nu au piese in miscare, ele nu au pierderi de energie prin frecari si functioneaza cu randamente mai mari decat ale masinilor electrice rotative, atingand chiar 99% in cazul transformatoarelor de puteri foarte mari.

   

TRANSFORMATORUL ELECTRIC

Transformatorul poate fi definit ca un aparat static (fără părţi în mişcare) care

Transformăcurenţii alternativi la o anumitătensiune în curenţii alternativi de aceeaşi

frecvenţă, însă la altă tensiune.

Construcţia şi principiul de funcţionarea transformatorului

Principalele părţi constructive ale transformatorului sunt:

a)miezul magnetic;

b)sistemul de înfăşurări;

c)schela şi cuva transformatorului;

d)accesoriile.

 

vMiezul magnetic

Miezul magnetic se realizează din tablă pentru transformatoare – aliaj fier şi siliciu Si (0,7 – 4,5)%.

Sunt utilizate următoarele sorturi de material:

•tablă laminatăla cald – mai scumpă, dar cu pierderi mai mici;

•tablă laminată la rece (grosime 0,35- 0,28 mm).

Transformatoarele monofazate se pot construi în următoarele variante:

1) cu circuite magnetice independente;

2) în coloană:

– cu miezuri simetrice cu 3 coloane

– cu miezuri nesimetrice cu 3 coloane

– cu miezuri cu 5 coloane în linie

3)în manta;

vÎnfăşurările

Înfăşurările transformatoarelor pot fi:

•cilindrice.

•înfăşurări alternate sau în galeţi

Bobinele se pot face într-un strat (JT) sau în mai multe straturi (MT, IT).

vSchela şi cuva

 

Elementele pentru strângere şi rigidizare se constituie în schela transforma-torului.

Ansamblu miez-înfăşurări se introduce în cuva transformatorului în care se găseşte ulei de transformator.

Există şi varianta constructivăde transformator uscat – transformatorul este în aer, fără cuva cu ulei.

vAccesorii

 

Principalele accesorii sunt: izolatoare de trecere, dispozitive de protecţie – releul cu gaze Bucholz, relee de temperatură, aparat de deshidratare a aerului, comutator de reglare a tensiunii.

 Ionel Alina

Construcţia şi funcţionarea transformatorului monofazat

Transformatorul monofazat se compune dintr-un miez (cadru) din fier ce realizează un circuit magnetic închis, format din tole cu grosimea de 0,3, …, 0,5 mm, izolate între ele cu lac sau cu hârtie pentru a împiedica formarea curenţilor Foucault de mare intensitate. Materialul utilizat pentru realizarea tolelor este un aliaj de fier cu 1,5, …, 4% Si, numit ferosiliciu, în care pierderile de energie sunt minime, atunci când, la inversarea magnetizării, energia electrică se transformă în căldură (fenomenul de histerezis). Pe miez se bobinează două înfăşurări (bobine) din sârmă de cupru. Miezul magnetic realizează un cuplaj magnetic strâns între aceste înfăşurări prin concentrarea liniilor câmpului de inducţie magnetică şi măreşte fluxul de inducţie magnetică (pentru fier μ_r >> 1) prin spirele celor două circuite. Circuitul căruia i se aplică tensiunea generatorului de alimentare se numeşte primar. Al doilea circuit se numeşte secundar. Acesta este generatorul de tensiune pe linia de întrebuinţare.

Pentru transformatoarele de înaltă frecvenţă din aparatura electronică se folosesc miezuri din ferită (amestec sinterizat din oxizi de fier şi alţi oxizi) care au permitivitate relativă mare şi conductivitate redusă.

Randamentul transformatorului se defineşte ca fiind raportul dintre puterea activă P₂ furnizată de secundar şi puterea activă P₁ primită de către primar de la reţeaua de alimentare.

pierderile prin efect Joule în înfăşurările transformatorului numite pierderi în cupru P_Cu = R₁I₁² + R₂I₂² şi pierderile prin histerezis şi curenţi turbionari, numite pierderi în fier, P_Fe.

Randamentul atinge un maxim când P_Cu = P_Fe. Cum transformatorul nu are piese în mişcare, ele nu au pierderi de energie prin frecări şi funcţionează cu randamente mai mari decât ale maşinilor electrice rotative, atingând chiar valori de 99% la transformatoarele de putere mare.

 

Grupa 1 Transformatorul si aplicatiile lui // Principiul de functionare

Presupunem că ambele circuite ale transformatorului au spirele înfășurate în același sens și că au N₁ respectiv N₂spire. Transformatorul se consideră că funcționează în gol (i₂=0, adică circuitul secundar este deschis). Dacă se aplică transformatorului tensiunea alternativă u₁ de valoare efectivă U₁ în primar apare curentul de intensitate i₁ și valoare efectivă I₁. Acesta, conform legii Biot-Savart, dă naștere unui flux magnetic alternativ având valoarea instantanee Φ = Φ_mcos ωt. Acest flux variabil care străbate spirele ambelor înfășurări face să apară în cele N₁ spire ale primarului o t.e.m. de autoinducție:

iar în secundar, t.e.m. este:

                                           

Facem raportul celor două relații:

Conform legii lui Ohm, în circuitul primar suma dintre tensiunea de alimentare u₁ și t.e.m. de autoinducție e₁ trebuie să fie egală cu căderea de tensiune din primar:

u₁ + e₁ = R₁ i₁

unde R1 este rezistența primarului. De obicei, valoarea lui R₁ este mică și produsul R₁i₁ se poate neglija, astfel încât:

e₁ ≈ -u₁

Semnul „−” arată că t.e.m. de autoinducție e₁ este în opoziție de fază cu tensiunea rețelei de alimentare a transformatorului, u₁. La funcționarea în gol a transformatorului, t.e.m. e₂ este egală cu tensiunea u₂ de la bornele secundarului:

e₂ = -u₂

Rezultă deci, că:

T.e.m. e₁ și e₂ sunt în fază, iar tensiunile u₁ și u₂ sunt în opoziție de fază (semnul – din fața raportului u₁ / u₂ indică această defazare, de π radiani). În valoare absolută, rezultă o relație și între valorile efective ale mărimilor alternative:

Raportul tensiunilor la bornele înfășurărilor, la mersul în gol al transformatorului, notat cu k, se numește raportul de transformare al transformatorului. Dacă k < 1, u₂ > u₁, transformatorul poartă denumirea de transformator ridicător de tensiune, iar dacă k > 1, u₂ < u₁, se numește transformator coborâtor de tensiune. Când k = 1, u₂ = u₁, transformatorul servește la separarea electrică a circuitelor (sunt folosite în unele montaje din electronică).

Dacă la bornele transformatorului se conectează un consumator rezistiv de rezistență R_S, prin circuitul secundar va apărea curentul de intensitate i₂. În acest caz, u₂ ≈ e₂deoarece apare căderea de tensiune pe sarcină R_S i₂. În condiții normale (nominale) de funcționare, diferența e₂ – u₂ este mică, deoarece și pierderile Joule în secundarul transformatorului sunt mici. Se poate deci considera că practic, puterea P₁ din primar și cea din secundar P₂ sunt egale: P₁ = P₂ sau U₁I₁ = U₂I₂, de unde:

Deoarece transformatoarele au un randament foarte mare (la cele de puteri mari fiind peste 99,5%), această relație constituie o foarte bună aproximare.

Pentru cazul transformatorului care funcționează în sarcină, în sensul că la bornele primarului se aplică tensiunea alternativă u₁, iar la bornele înfășurării secundare este conectat un receptor (consumator), procesele fizice sunt, în principal, următoarele: circuitul secundar fiind închis printr-un consumator oarecare, rezistiv sau rezistiv-reactiv, t.e.m. e₂ produce în el un curent de intensitate i₂. Acest curent produce la rândul său un flux Φ₂ care, conform legii lui Lenz, este de sens contrar fluxului creat de curentul primar, denumit flux de regim Φ₁. Având în vedere faptul că transferul de putere din primar în secundar (realizat prin cuplaj magnetic) face să apară o serie de pierderi de natură electrică și magnetică (prin efect Joule în înfășurări și pierderi prin curenți turbionari și histerezis în miezul de fier) valoarea maximă a fluxului Φ₂ este mai mică decât valoarea maximă a lui Φ₁. Diferența celor două fluxuri constituie fluxul principal prin transformator și este practic egal cu fluxul Φ = Φ_m cos ωt produs de curentul primar la mersul în gol al transformatorului: Φ = Φ₁ – Φ₂ = Φ_m cos ωt. La o creștere a sarcinii, valoarea maximă a lui Φ₂ crește și are ca efect tendința de scădere a fluxului principal Φ. Ca efect, din relația:

rezultă că valoarea efectivă I₁ crește. Creșterea lui I₁ implică creșterea valorii maxime a fluxului Φ₁. Ca urmare, Φ_m rămâne practic constant în raport cu variația sarcinii.

Așadar, când crește sarcina transformatorului, adică crește I₂, crește și intensitatea curentului I₁ prin circuitul primar, deoarece puterea furnizată în secundar crește și deci trebuie să crească și puterea absorbită de primar de la rețeaua de alimentare. Invers, la scăderea puterii în secundar, scade și puterea absorbită de primar.

Pierderi în transformator

• Pierderi în circuitul magnetic – nu tot fluxul magnetic trece prin miezul magnetic al transformatorului. În plus, circuitul magnetic nu se comportă perfect liniar, ci are histerezis.
• Pierderi în înfășurări – prin efect Joule.
• Curenții turbionari – induși în miezul magnetic, care este un material conductor.
• Magnetostricție.