TRANSFORMATOARE ELECTRICE

Transformatoarele electrice sunt dispozitive electromagnetice statice de curent alternativ, constituite in principal din doua sau mai multe infasurari cuplate magnetic prin intermediul unui miez magnetic. Transformatoarele sunt destinate modificarii parametrilor tensiune si curent ai energiei electrice.

Primul transformator cu miez magnetic si doua infasurari a fost construit in 1831 de catre Michael Faraday in scopul evidentierii experimentale a fenomenului inductiei electromagnetice.

Necesitatea prezentei transformatoarelor in lantul producere - transport - distributie a energiei electrice este determinata de faptul ca nivelele optime de tensiune din punct de vedere tehnico-economic sunt diferite. Astfel, generatoarele pentru producerea energiei electrice (din centralele electrice) au tensiuni de 6, 10, 15 si 24 kV, liniile de transport a energiei au tensiuni de 110, 220, 400 si 700 kV, iar retelele de distributie au tensiuni de 35, 10, 6 si 0,4 kV. Prin urmare, interconectarea retelelor electrice cu nivele de tensiuni diferite se face prin intermediul transformatoarelor electrice.

Transformatoarele electrice sunt de asemenea utilizate pentru alimentarea cu tensiune reglabila, in trepte, a unor instalatii care presupun reglaj de putere, de turatie, etc.

Elemente de constructie, principiul de functionare, marimi nominale,

simbolizarea transformatoarelor

a) Elemente constructive. Transformatoarele sunt constituite din doua sau mai multe circuite electrice, denumite infasurari, dispuse in jurul unui miez magnetic inchis, acestea reprezentand partile active, esentiale functionarii unui transformator.

Miezul magnetic este intotdeauna de tip lamelat, realizat din tole de otel electrotehnic, izolate electric intre ele. Transformatoarele ce functioneaza la 50 Hz se executa cu tole de grosimea de 0,35 mm.

Montarea si demontarea usoara a infasurarilor impune ca miezul magnetic sa se constituie din subansamble separate. Partile pe care se dispun infasurarile se numesc coloane, iar cele care leaga coloanele se numesc juguri. Figura 1 a) infatiseaza un transformator monofazat, iar figura 1 b) unul trifazat, ambele avand miez magnetic de tipul cu coloane. Exista de asemenea transformatoare avand miezul magnetic de tipul in manta, Fig. 2. Transformatoarele care lucreaza la frecvente ridicate, zeci-sute de kHz au miezul magnetic realizat din ferite. Aceste miezuri se obtin in forma finala prin presare si sinterizare din pulberi ale unor materiale oxidice cu proprietati magnetice, denumite ferite magnetic moi.

Fig. 2

Infasurarile transformatoarelor se construiesc din conductoare izolate electric, din cupru sau aluminiu. Conductorul elementar poate fi rotund sau de sectiune dreptunghiulara, avand sectiunea astfel incat curentul alternativ ce-l strabate sa se repartizeze practic uniform, cu densitate aproape constanta.

Se folosesc in mod uzual denumirile infasurare primara, respectiv secundara, dupa sensul de transfer al energiei electrice, sau infasurare de inalta tensiune, respectiv de joasa tensiune, dupa valorile tensiunilor nominale ale celor doua infasurari. Infasurarile pot fi de tipul cilindrice concentrice, Fig. 3 a), caz in care de regula infasurarea de joasa tensiune se afla in imediata vecinatate a miezului magnetic, sau de tipul in galeti alternanti, Fig. 3 b), in care caz in lungul coloanei se succed bobine ale infasurarii primare, respectiv secundare.

Functionarea transformatoarelor este insotita in mod inevitabil de dezvoltarea unei puteri active prin efect Joule in infasurari si in miezul magnetic datorita curentilor indusi si fenomenului de histerezis. Asigurarea regimului termic in concordanta cu temperatura maxima admisibila a materialelor izolante presupune ca aceasta putere sa fie evacuata catre mediul ambiant. Dupa modul de racire, respectiv de evacuare al acestor pierderi, se diferentiaza transformatoare uscate si transformatoare in ulei. Transformatoarele in ulei se monteaza in interiorul unei cuve, uleiul fiind mediu de transfer termic intre sursele de caldura, miezul magnetic si infasurari si peretele sau radiatoarele laterale ale transformatorului.

b) Principiul de functionare. Fie un transformator monofazat, Fig. 4, a carui infasurare primara are w₁ spire si este alimentata cu tensiunea u₁ variabila in timp.

Curentul i₁ care strabate infasurarea primara creeaza fluxul magnetic j in miez. Acest flux magnetic fiind si el variabil in timp induce in infasurarea secundara, care are w₁ spire, o tensiune electromotoare. Daca aceasta infasurare este conectata pe o sarcina oarecare, transformatorul debiteaza un curent secundar i₂.

Fie R₁ si R₂ rezistentele electrice ale celor doua infasurari; prin aplicarea teoremei a doua a lui Kirchhoff pe contururileG si G , Fig. 4 se obtin relatiile:   

Caderile de tensiune R₁i₁ si R₂i₂ fiind mult mai mici decat tensiunile la borne corespunzatoare rezulta:

si ,

Prin raportare se obtine:

Marimea k_T este denumita raport de transformare al transformatorului.

Prin aplicarea teoremei lui Ampere pe conturul G al fluxului magnetic in miez, Fig. 4, se obtine relatia:

unde H_m este intensitatea campului magnetic in miez, iar l_m este lungimea conturului G Ca urmare a valorilor ridicate ale permeabilitatii magnetice m, marimea are valori mult mai mici decat oricare dintre cei doi termeni din partea stanga a ultimei relatii, astfel incat:

de unde rezulta:   

Asadar tensiunile, curentii si numerele de spire satisfac in cazul unui transformator monofazat relatiile:

de unde rezulta:

Prin urmare, in ipoteza neglijarii pierderilor Joule in infasurari si atunci cand cuplajul celor doua infasurari este perfect si cand miezul magnetic este ideal (m ¥), puterea p₁ absorbita de primar este egala cu p₂ transferata sarcinii, rolul transformatorului fiind acela de a modifica tensiunea u₂ in raport cu u₁.

Transformatoarele monofazate se simbolizeaza in schemele electrice ca in figura 5 a), iar cele trifazate printr-una din cele doua variante prezentate in figura 5 b).

Bornele infasurarii de inalta tensiune se noteaza cu litere mari, A-X in monofazat, respectiv A-X, B-Y, C-Z in trifazat, si cu literele mici corespondente pentru infasurarile de joasa tensiune. Atunci cand cele trei faze ale unui transformator trifazat se conecteaza in stea, borna comuna se noteaza cu N, respectiv º n.

c) Marimi nominale. Serviciul nominal de functionare al unui transformator, stabilit prin tema de proiectare, este acela pentru care temperatura in diferite zone nu depaseste valoarea admisibila pentru materialele respective, de regula materiale electroizolante.

Puterile datorate efectului Joule in infasurari si cele datorate magnetizarii alternative a miezului magnetic denumite pierderi Joule, respectiv pierderi in miez, au valori mult mai mici decat puterea transmisa din primar in secundar, insa au un efect termic neneglijabil. Prin urmare, aceste pierderi, primele proportionale cu patratul curentilor, cele magnetice proportionale cu patratul tensiunii de alimentare, determina incalzirea infasurarilor, respectiv a miezului. In principal materialele electroizolante sunt acelea a caror limita superioara a temperaturii este ce mai redusa, aceasta valoare definind limita admisibila a temperaturii maxime a transformatorului. Exista un set de parametri care caracterizeaza regimul nominal de functionare al unui transformator ale caror valori sunt dependente de aceasta temperatura. Acesti parametri se numesc marimi nominale si reprezinta date de catalog ale transformatoarelor. Ei sunt:

- tensiunea nominala primara, U_1n, este tensiunea la bornele infasurarii primare in regimul nominal de functionare;

- tensiunea nominala secundara, U_2n, este tensiunea la bornele infasurarii secundare, in regimul nominal de functionare, adica atunci cand transformatorul este alimentat cu valorile nominale ale tensiunii si frecventei.

- frecventa nominala, f_n. In conditii nominale de alimentare (U_1n , f_n) pierderile in miez determina o incalzire a miezului la limita admisibila a temperaturii.

- puterea nominala S_n este puterea aparenta debitata prin bornele secundare in regimul nominal de functionare. In cazul transformatorului monofazat, relatiile S_n = U_1n I_1n = U_2n I_2n determina valorile nominale ale curentului primar, I_1n , respectiv secundar, I_2n.

Daca transformatorul este alimentat in conditii nominale (U_1n, f_n) si este incarcat la puterea nominala (S_n), ansamblul pierderilor (in miez si in infasurari) determina o incalzire la limita admisibila a temperaturii maxime. Depasirea limitelor nominale de alimentare (U_1n, f_n), respectiv a puterii nominale (S_n), conduce la depasirea valorii maxim admisibile a temperaturii, ceea ce are ca efect reducerea duratei de buna functionare, sau chiar distrugerea transformatorului, in functie de nivelul depasirii,

- tensiunea nominala de scurtcircuit u_sc (exprimata in procente in raport cu tensiunea nominala U_1n) este tensiunea care trebuie aplicata infasurarii primare atunci cand infasurarea secundara este in scurtcircuit astfel incat curentul absorbit sa aiba valoarea nominala. Aceasta marime nominala este importanta pentru caracterizarea comportamentului transformatorului in sarcina si pentru functionarea in paralel a doua transformatoare.

Caracteristici ale transformatoarelor electrice

Prin caracteristici de functionare ale unui dispozitiv electric in general se inteleg dependente intre marimi definitorii pentru functionarea acestuia.

In cazul transformatoarelor electrice, doua astfel de caracteristici sunt importante, anume caracteristica randamentului si caracteristica externa.

Caracteristica randamentului este dependenta dintre randamentul transformatorului si gradul sau de incarcare in sarcina in conditii de alimentare normala (U_1n, f_n). Randamentul este raportul dintre puterea activa debitata de transformator P₂ si puterea activa absorbita P₁.

Prin grad de incarcare in sarcina, , se intelege raportul dintre curentul debitat de transformator si valoarea nominala a curentului secundar. Evident ca marimea b poate lua valori intre b , care corespunde functionarii in gol a transformatorului si b , care corespunde incarcarii transformatorului in sarcina nominala.

Valoarea randamentului corespunzatoare unui grad de incarcare in sarcina dat depinde si de defazajul j dintre curentul si tensiunea secundare, respectiv de factorul de putere al sarcinii transformatorului, cos j

Caracteristica randamentului h b are alura din figura 6, care evidentiaza urmatoarele aspecte utile de retinut:

- cu cat factorul de putere cosj are o valoare mai redusa, cu atat randamentul este mai mic;

exista o valoare optima a gradului de incarcare in sarcina, b_m, pentru care randamentul este maxim;

functionarea la sarcini reduse ( b < 0,2 ) este neeconomica, deoarece randamentul are valori reduse.

Caracteristica externa arata dependenta tensiunii secundare U₂ in functie de curentul de sarcina I₂ atunci cand transformatorul este alimentat in conditii nominale (U_1n, f_n). Aceasta dependenta este diferita pentru diferite valori ale factorului de putere al sarcinii, Fig. 7, iar pentru o valoare cosj data depinde de natura sarcinii, respectiv daca aceasta este inductiva sau capacitiva.

Atunci cand sarcina este rezistiva (cosj ) tensiunea scade pe masura ce curentul de sarcina I₂ creste, panta caracteristicii fiind dependenta de valoarea parametrului tensiune de scurtcircuit. Cu cat tensiunea de scurtcircuit are valori mai mari, cu atat caderea de tensiune este mai importanta.

Atunci cand sarcina este inductiva (R, L), caderea de tensiune este mai mare decat in cazul unei sarcini rezistive (R). Cu cat sarcina este mai inductiva (cosj mai redus) cu atat caracteristica externa este mai cazatoare.

Atunci cand transformatorul debiteaza pe o sarcina capacitiva (R, C), tensiunea la bornele secundare creste odata cu cresterea sarcinii. Aceasta crestere este cu atat mai importanta cu cat cosj are o valoare mai redusa.

Transformatoare trifazate. Configuratie electromagnetica. Scheme si grupe

de conexiuni

O retea trifazata de curent alternativ consta din trei conductoare de faza, notate R, S, T si un curent conductor de nul, notat cu N. Cele trei tensiuni intre fiecare din conductoarele R, S, T si conductorul N se numesc tensiuni de faza; ele au valorile instantanee:

;

;

,

functii de timp caracterizeaza ceea ce se numeste sistem simetric trifazat de tensiuni. Cele trei tensiuni au aceeasi valoare efectiva U si sunt defazate una in raport cu cealalta cu unghiul . Cele trei tensiuni u_RS = u_R - u_S , u_ST = u_S - u_T , u_TR = u_T - u_R, denumite tensiuni de linie ale sistemului trifazat, formeaza si acestea un sistem trifazat simetric.

Un sistem trifazat simetric satisface proprietatea fundamentala:

u_R + u_S + u_T = 0

respectiv ca suma valorilor instantanee ale celor trei componente ale sistemului este nula in orice moment de timp.

Interconectarea retelelor trifazate avand valori diferite ale tensiunilor se poate efectua utilizand trei transformatoare monofazate identice cate unul pe fiecare faza, ca in figura 8.

Conform principiului de functionare al transformatoarelor monofazate se pot scrie urmatoarele trei ecuatii:

unde R₁ este rezistenta infasurarii primare, iar w₁ numarul de spire al acesteia. Prin insumare se obtine relatia:

Daca sarcina retelei trifazate secundare este echilibrata, atunci i_a + i_b + i_c = 0 si in consecinta si i_A+i_B+i_C = 0. Rezulta prin urmare , relatie care explica de ce solutia trei transformatoare poate fi inlocuita cu aceea din figura 9, denumita transformator trifazat. Aceasta relatie este in mod natural satisfacuta in structura din figura 9, in care miezul este format din trei coloane, cate una pentru fiecare din cele trei faze, primare si secundare.

Cele trei faze primare, respectiv secundare, pot fi legate in conexiune stea, care presupune ca bornele X, Y, Z formeaza o borna comuna denumita nulul primarului, sau in conexiune triunghi, asa cum in figura 10 este cazul secundarului.

Bornele de alimentare ale transformatorului a carui schema este reprezentata in figura 10 sunt A, B, C si eventual N, iar sarcina se conecteaza fie la bornele a, b, c, fie la x, y, z.

In afara schemelor de conexiune stea, simbolizate Y pentru primar si y pentru secundar si triunghi, simbolizate D pentru primar si d pentru secundar, se mai utilizeaza, de regula pentru secundar, schema de conexiune zig-zag, Fig. 11. In acest caz, infasurarea secundara consta din doua bobine pe fiecare coloana, iar o faza oarecare a infasurarii trifazate secundare contine o bobina pe o coloana si o a doua bobina pe alta coloana.

Grupa de conexiuni a unui transformator trifazat este un simbol, in care prima litera corespunde conexiunii primarului, a doua litera, conexiunii secundarului, iar cifra care urmeaza reprezinta defazajul dintre doua tensiuni corespondente, primara, respectiv secundara.

La transformatorului monofazat, Fig. 12, tensiunile primara, respectiv secundara pot fi in faza, sau in antifaza.

In cazul transformatoarelor trifazate defazajul a doua tensiuni corespondente depinde de conexiunile celor doua infasurari si de ordinea de notare a bornelor primare si secundare. Acesta este intotdeauna un multiplu de 30⁰. In figura 13 sunt prezentate cateva exemple care confirma cele afirmate si in plus faptul ca in cazul schemelor Yy sau Dd defazajul este un multiplu par de 30⁰, in timp ce in cazul schemelor mixte Yd sau Dy defazajul a doua tensiuni corespondente este un multiplu impar de 30⁰.