Tehnologia siarea transformatorului de retea monofazic, de mica putere

Tehnologia si proiectarea transformatorului de retea monofazic, de mica putere

Generalitati

Prezent in majoritatea schemelor de alimentare a aparaturii electronice de tip stationar, transformatorul de retea monofazic, de mica putere, are rolul de a modifica valoarea tensiunii si curentului, de la nivelul oferit de retea circuitului primar, la nivelul sau nivelurile necesare in circuitul sau circuitele secundare. Transformatorul ofera in plus si izolarea galvanica fata de reteaua de curent alternativ, a sasiului aparatului electronic in care este incorporat, asigurand electrosecuritatea persoanelor care il manipuleaza.

Din punct de vedere constructiv, un transformator de retea de mica putere, prezinta urmatoarele parti componente principale:

Carcasa electroizolanta;

Bobinaj;

Miez feromagnetic, din tole de tabla siliciosa (format E+I, U+I, I), din benzi (cu coloane, in manta, toroidale);

Sistem de strangere a miezului magnetic si de fixare a transformatorului de sasiul aparatului electronic.

Tehnologia de realizare a transformatorului de retea monofazic, de mica putere

Realizarea unui transformator de retea monofazic, de mica putere, in productia de serie, implica urmatoarele etape tehnologice:

a)      obtinerea tolelor, din tabla de ferosiliciu (STAS 673-60), prin stantare in matrita;

b)      tratamentul termic al tolelor stantate (recoacere la temperatura de cca. 850C, urmata de racire lenta), pentru detensionare mecanica si refacerea proprietatilor magnetice, afectate de procesul de prelucrare magnetica;

c)      realizarea carcasei, prin injectie de material plastic in matrita sau prin montaj din elemente constituente specifice, obtinute in prealabil prin stantare, din prespan, textolit, pertinax, steclostratitex, etc;

d)      bobinarea infasurarilor, pe carcasa obtinuta anterior, cu ajutorul unor masini de bobinat semiautomate sau automante, utilizand conductori din cupru izolati cu email (STAS 685-58);

Bobinarea transformatoarelor de retea se poate realiza, in functie de cerintele tehnico-economice impuse, in doua tehnici: fara izolatie intre straturi, si cu izolatie intre straturi.

In primul caz se bobineaza in urmatoarea ordine:

infasurarea primara;

se introduc consecutiv doua straturi de folie de izolatie "trafo" (hartie speciala parafina sau folie de poliester, cu grosimea de 30-50 μm);

prima infasurare secundara, urmata de introducerea unui strat de izolatie, etc;

intreaga bobina se mai izoleaza in final si la exterior.

In al doilea caz, se introduce cate un strat de izolatie dupa fiecare strat de spire bobinate.

e)      introducerea tolelor in carcasa - operatie denumita "lamelarea transformatorului".

In cazul transformatorului de retea, neexistand componenta de curent continuu, se realizeaza o lamelare intretesuta, adica se introduc alternativ, pe o parte si pe cealalta a carcasei, mai intai tolele de tip E, apoi cele de tip I. Ultimele 2-3 tole se introduc fortat, prin batere usoara cu un ciocan din cupru sau alama, transformatorul fiind asezat pe o placa de otel. Lamelarea neintretesuta se realizeaza prin introducerea in carcasa, pe aceeasi parte, a tuturor tolelor E, respectiv I si se utilizeaza la transformatoare (sau bobine) care sunt strabatute si de o componenta de curent continuu, cum ar fi transformatoarele de audiofrecventa.

f)       strangerea miezului magnetic cu o manta sau cu scoabe, prezoane si piulite pentru a impiedica vibratia tolelor in timpul functionarii transformatorului.

Mantaua se realizeaza prin stantare, din tabla TDA cu grosimea de 1-1,25mm, dupa care se acopera galvanic prin zincare pasivizata. In anumite aplicatii se practica si ecranarea transformatorului, cu ajutorul unor capace laterale, executate prin ambutisare din TDA, sau prin aplicarea unei spire in scurtcircuit, din folie de cupru care inconjoara bobinajul si miezul magnetic pe exterior.

g)      impregnarea transformatorului prin imersie in parafina topita sau in lac poliuretanic (de ex. 3503 Ez) care polimerizeaza prin incalzire in cuptor, la o temperatura de 80-100C, timp de cca. 1 ora.

Impregnarea transformatoarelor de retea se realizeaza intr-o incinta cu capac etans, care mai intai se videaza la 10^-1-10^-2 torr (pentru eliminarea urmelor de apa, de pe bobinaj si din hartia de izolatie trafo), dupa care se introduce impregnantul respectiv.

h)      controlul tehnic de calitate in cadrul caruia se verifica parametrii electrici (tensiunea sau tensiunile din secundar, rezistenta infasurarilor, raportul de transformare, rezistenta de izolatie intre infasurari, respectiv intre primar si miezul magnetic) si mecanici ai produsului.

Proiectarea transformatorului de retea monofazic, de mica putere.

Notiuni introductive

Tipul de tola - de obicei se utilizeaza tole STAS de tip E+I "economice" denumite astfel intrucat dintr-o banda de tabla silicioasa de latime adecvata se obtin prin stantare, concomitent, doua tole E si doua tole I, fara a se pierde din suprafata utila a materialului. Dimensiunile tolei economice se precizeaza prin litera E, urmata de a[mm], care reprezinta dimensiunea de baza (parametrul) tolei. Astfel, exista urmatoarele tipuri de tola STAS economica: E5; E6,4; E8; E10; E12,5; E14; E16; E18; E20; E25; E32. Grosimea tolei este si ea standardizata la valorile g₁=0,35mm si respectiv, g₂=0,5mm.

Aria ferestrei tolei A_F[cm²] - reprezinta suprafata destinata introducerii infasurarilor. Valoarea acesteia este:

A_F[cm²] = 0,03a²[mm]

Sectiunea in fier S_Fe[cm²] - reprezinta aria sectiunii miezului magnetic situat in interiorul carcasei bobinate. Marimea sa este:

S_Fe[cm²] = 0,02a[mm]b[mm],

unde b[mm] reprezinta grosimea pachetului de tole

Factorul de umplere a ferestrei tolei γ - definit ca raportul dintre aria totala, ocupata de infasurari in fereastra tolei, A_t[cm²] si aria ferestrei, A_F[cm²], conform relatiei:

unde    A₁[cm²] - reprezinta aria ocupata de infasurarea primara;

A₂[cm²] - reprezinta aria ocupata de infasurarea sau infasurarile secundare;

A_t[cm²] = A₁[cm²] + A₂[cm²] - aria totala ocupata de infasurari.

Observatie: pentru ca un transformator de retea sa se poata realiza usor in productia de serie, valoarea optima pentru factorul de umplere este γ₀ = 0,7 dar, in general se poate accepta o valoare γ in intervalul [0,64 , 0,76]. Un factor de umplere prea mare duce la dificultati in faza de lamelare, la introducerea tolelor iar un factor de umplere mic este neeconomic, transformatorul fiind supradimensionat.

Date initiale de proiectare

Proiectarea unui transformator de retea, de mica putere, se face pornindu-se de la urmatoarele marimi cunoscute (date initiale de proiectare):

U₁[V] - valoarea eficace a tensiunii din primar, reprezentand de regula, tensiunea retelei monofazice, de curent alternativ (110V, 220V);

f[Hz] - frecventa retelei monofazice, de curent alternativ;

k - numarul de infasurari secundare;

U_2k[V] - tensiunea eficace in sarcina, in infasurarea secundara k;

I_2k[A] - curentul eficace in sarcina, in infasurarea secundara k;

B_M[T] - inductia maxima admisa in miezul magnetic;

Procedeul de bobinare implementat ("cu sau fara izolatie intre straturi"), impus de conditiile electrice si climatice, in care se va utiliza transformatorul de retea respectiv.

Prin proiectarea transformatorului de retea se urmareste determinarea prin calcul a urmatoarelor date necesare realizarii sale in practica, si anume:

n₁ - numarul de spire din infasurarea primara;

n_2k - numarul de spire din infasurarea secundara k;

d₁[mm] - diametrul     conductorului de bobinaj, din infasurarea primara;

d_2k[mm] - diametrul conductorului de bobinaj, din secundarul k;

a[mm] - tipul de tola STAS ce se utilizeaza astfel incat, γ_STAS apartine intervalului [0,64 , 0,76];

b[cm] - grosimea pachetului de tole;

N - numarul de tole necesar.

Metodologia de proiectare a transformatorului de retea monofazic, de mica putere

Proiectarea unui transformator de retea cuprinde urmatoarele etape de calcul:

a)      se evalueaza puterea totala absorbita din secundar, P₂[W], astfel:

b)      se calculeaza puterea absorbita in primar, P₁[W], pentru un randament estimat al transformatorului, η=0,85;

Observatie: intr-un transformator de retea real exista pierderi prin magnetizare (histerezis) si prin curenti turbionari (Faucault) in miezul magnetic, precum si pierderi prin efect Joule in conductorii de cupru ai infasurarilor. Aceste pierderi conduc la incalzirea miezului si a conductorului infasurarilor, in timpul functionarii transformatorului. Pentru un transformator de retea cu puterea P₁=100W, realizat cu tole E+I romanesti, pierderile prin magnetizare se pot aprecia la cca. 8%, pierderile prin curenti turbionari la cca. 2% si pierderile prin efect Joule la cca. 5%, deci in total pierderi estimate la cca. 15%, ceea ce justifica randamentul de 85%.

c)      se dimensioneaza sectiunea in fier S_Fe[cm²] a miezului magnetic, cu relatia:

Observatie: legatura dintre sectiune si putere se explica prin aceea ca, datorita formei circuitului magnetic, spatiul disponibil pentru infasurari este limitat. Cand puterea creste, aria ocupata de infasurari creste, iar aria ferestrei tolei este proportionala cu S_Fe, pentru a mari suprafata de racire (suprafata de contact a miezului cu aerul , reprezentata de suprafata laterala a pachetului de tole). Experimental, s-a ajuns la valoarea optima a coeficientului de proportionalitate intre sectiune si putere, si anume 1,2.

d)      se calculeaza numarul de spire pe volt n₀, cu relatia:

dedusa din legea inductiei electromagnetice, pentru f=50Hz si B_M=1,2T.

Observatie: relatia de mai sus a fost dedusa astfel:

Tensiunea U, indusa intr-o infasurare cu n spire, conform legii inductiei electromagnetice, are expresia:

, dar , iar

In regim permanent armonic (sinusoidal), derivarea unei marimi este echivalenta cu inmultirea acesteia cu ω=2πf, astfel ca se obtine:

, de unde are expresia:

Pentru f=50Hz, B_max=B_M=1,2T si S_Fe exprimat in cm², relatia de mai sus devine:

Cifra teoretica de mai sus, 38, se majoreaza la valoarea 4548, intrucat miezul magnetic nu trebuie sa ajunga la saturatie nici la tensiunea de 242V (220V+10%) in primar si nici in cazul conectarii unora dintre infasurarile secundare in scheme de redresare, caz in care aceste infasurari vor fi parcurse si de o componenta de curent continuu, care va produce o magnetizare suplimentara a miezului. Se recomanda utilizarea valorii 48, deoarece ea corespunde unui regim termic optim (cca. 60C) al transformatorului, verificat experimental, conducand la o buna concordanta a valorilor masurate cu cele calculate, evitandu-se intrarea in saturatie a miezului, chiar in conditiile cele mai nefavorabile (cazul in care B_M=0,81,2T).

e)      se calculeaza numarul de spire din infasurarea primara n₁, cu relatia:

n₁ = n₀U₁

Observatie: valoarea rezultata n₁ se rotunjeste, prin adaos, la urmatoarea valoare intreaga.

f)       se determina numarul de spire din secundarul k, n_2k, cu relatia:

Observatie: in relatia de mai sus, n₀ s-a majorat cu 10% pentru a se compensa caderea de tensiune in sarcina, pe secundarul k. Valoarea rezultata pentru n_2k, se rotunjeste prin adaos, la urmatoarea valoare intreaga.

g)      se determina marimea curentului din primar, I₁, cu relatia:

h)      se dimensioneaza diametrele conductoarelor de bobinaj d₁[mm], pentru primar, respectiv d_2k[mm], pentru secundarul k, cu relatia

Observatie: relatia de mai sus s-a dedus pentru o densitate de curent maxim admisibila . Valoarea rezultata prin calcul pentru diametrul conductorului, d_1;2k, se rotunjeste prin adaos la valoarea standardizata imediat superioara, din tabel, dupa cum urmeaza:

pentru d_1;2k0,7 mm; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizate imediat inferioara, este >2,5%;

pentru 0,7<d_1;2k<1 mm; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizate imediat inferioara, este >5%;

pentru d_1;2k>1mm; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizate imediat superioara este >10%.

i)        se calculeaza ariile ocupate de infasurarea primara, A₁[cm²], respectiv infasurarea secundara, A₂[cm²], in fereastra tolei, utilizandu-se coeficientii de umplere C₁ sau C₂ indicati in tabel, in functie de procedeul de bobinare adoptat, conform relatiilor:

Observatie: coeficientii de umplere au fost stabiliti experimental, in conditiile productiei de serie, pentru fiecare diametru STAS.

j)       se calculeaza aria totala ocupata de infasurari A_t[cm²] cu relatia:

k)      se dimensioneaza tola necesara, respectiv se determina marimea parametrului a[mm], pentru un factor de umplere optim γ₀=0,7, cu relatia:

Observatie: daca valoarea determinata prin calcul pentru a nu este standardizata, atunci se poate alege valoarea STAS cea mai apropiata, atat prin lipsa cat si prin adaos, cu conditia ca valoarea factorului de umplere cu tola STAS aleasa, sa se indeplineasca conditia:

, unde

l)        se calculeaza grosimea pachetului de tole b[mm], cu tola STAS, utilizandu-se relatia:

m)    se evalueaza numarul de tole necesar, N functie de grosimea acestora g_1,2 (g₁ = 0,35mm; g₂ = 0,5mm)

Observatie: numarul de tole obtinut N, se rotunjeste la valoarea intreaga prin adaos.

Exemplu de proiectare a unui transformator retea monofazic, de mica putere

Se cere sa se proiecteze un transformator de retea, avand urmatoarele date initiale: U₁=220V; f=50Hz; U₂₁=100V; I₂₁=0,2A; U₂₂=120V; I₂₂=0,1A; U₂₃=150V; I₂₃=0,1A; B_max=0,9T; cu izolatie intre straturi; 3 infasurari in secundar.

Puterea total absorbita din secundar, P₂:

Puterea absorbita in primar, P₁, pentru randamentul η=0,85:

Se determina sectiunea miezului magnetic, S_Fe:

Se calculeaza numarul de spire/V, n₀, necesar:

spire/V

Se calculeaza numarul de spire din infasurarea primara, n₁:

spire

Se rotunjeste numarul de spire la 1190, toleranta fiind de

mai mica decat 1%

Se calculeaza numarul de spire necesar pentru cele trei infasurari secundare:

sp

sp

sp

Valorile obtinute se rotunjesc la n₂₁=592 sp, n₂₂=711 sp si n₂₃=888 sp

Se evalueaza curentul din infasurarea primara, I₁:

Se dimensioneaza diametrele conductoarelor de bobinaj din primar, d₁, si pentru secundare, d_2k:

Se aleg diametrele standardizate din tabel: d₁=0,35mm; d₂₁=0,3mm; d₂₂=d₂₃=0,2mm.

Se calculeaza ariile ocupate de infasurari in fereastra tolei, pentru procedeul de bobinare cu izolatie intre straturi:

Se calculeaza aria totala:

Se dimensioneaza tola necesara:

Se alege tola STAS E14 si se verifica factorul de umplere cu tola STAS, γ_STAS:

; tola se accepta deoarece valoarea este in intervalul [0,64;0,76].

Se calculeaza grosimea pachetului de tole b, utilizandu-se tolele STAS alese:

Se determina numarul de tole necesar:

tole, pentru grosimea g₁=0,35mm.

N=91 tole

Tabel cu diametrele standardizate si coeficientii de umplere pentru conductoarele de bobinaj

Schema electrica a transformatorului de retea

Stanga: transformator de retea asamblat cu manta

Dreapta: transformator de retea asamblat cu prezoane; 1 - carcasa; 2 - bobinaj; 3 - miez magnetic; 4 - manta de strangere; 5 - eclise de prindere;    6 - prezoane de strangere; 7 - piulite; 8 - orificii de fixare; 9 - cose

Stanga: Dimensiunea tolei STAS economice; A_f - aria ferestrei tole

Dreapta: Obtinerea tolelor economice

Stanga: sectiune transversala printr-un transformator de retea

Dreapta: repartizarea spatiului in fereastra tolei