Transcript
Page 1: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

ARGUMENT

Transformatorul electric este o maşină electromagnetică statică de curent alternativ, care transformă o energie electromagnetică primară de anumiţi parametrii (u1,i1) într-o energie electromagnetică secundară de alţi parametrii (u2,i2), frecvenţa rămâne însă constantă (f1=f2=ct.). Cei doi parametrii care ne dau puterea: u-tensiunea şi i-curentul, suferă prin transformare schimbări inverse, astfel dacă tensiunea se micşorează, curentul se măreşte şi invers. La baza funcţionării transformatorului stă principiul inducţiei electromagnetice.

Din punct de vedere constructiv, transformatorul are două părţi principale:1) circuitul magnetic - reprezentat de miezul de fier şi construit din tole de oţel

electrotehnic pentru reducerea pierderilor în fier;2) circuitele electrice - reprezentate de două sau mai multe înfăşurări din Cu

sau Al, realizate în jurul circuitului magnetic, fiind deci cuplate inductiv.Înfăşurarea care primeşte energia de la o sursă se numeşte înfăşurare

primară, iar cea care cedează energia unei reţele sau unui consumator se numeşte înfăşurare secundară.

Clasificarea transformatoarelor:a) După cum tensiunea înfăşurării secundare este mai mare sau mai mică decât

cea a înfăşurării primare, transformatorul este ridicător sau coborâtor de tensiune.

b) După numărul de faze putem avea transformatoare monofazate, trifazate sau speciale (ex: tri-hexafazate).

c) După modul de racire : cu aer, cu ulei de transformator. Rolul:

1)Concentrarea liniilor de câmp 2)Susținerea înfășurărilor 3)Transmiterea cuplului , forțelor 4)Transmiterea căldurii

Datele nominale ale unui transformator sunt:-

--

CAPITOLUL I1

Page 2: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Transformatoare electrice

1. Definiția transformatorului electric

Transformatorul electric este un aparat static, utilizat pentru modificarea parametrilor puterii electromagnetice primite de la o rețea de curent alternativ și transferarea acesteia la o altă rețea de curent alternativ.

Parametrii modificați sunt tensiunea și intensitatea curentului, păstrându-se frecvența constantă. Se poate modifica și numărul de fraze.

2. Principiul de funcționare. Clasificare.Presupunem că ambele circuite ale transformatorului au spirele înfășurate

în același sens și că au N1 respectiv N2 spire. 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, dă naștere unui flux magnetic alternativ având valoarea instantanee Φ = Φmcos 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

2

Page 3: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

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 RS, prin circuitul secundar va apărea curentul de intensitate i2. În acest caz, u2 ≈ e2 deoarece apare căderea de tensiune pe sarcină RS 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

3

Page 4: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

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 = Φm cos ωt produs de curentul primar la mersul în gol al transformatorului: Φ = Φ1 - Φ2 = Φm 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, Φm 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.

Fig. 1 Principiul de funcționare al transformatorului

Principalele tipuri de transformatoare. Transformatoarele folosite în mod curent se pot clasifica în următoarele tipuri:

- Transformatoare de putere, folosite pentru transportul și distribuția energiei electrice ;

- Autotransformatoare, folosite pentru transformarea tensiunii în limite restrânse;

4

Page 5: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

- Transformatoare de măsură, folosite pentru conectarea aparatelor de măsură (se construiesc transformatoare de măsură reductoare de tensiune și transformatoare de măsură reductoare de curent) ;

- Transformatoare cu destinații special, cum sunt, de exemplu cele folosite pentru sudură, pentru cuptoare electrice, pentru încercări, etc.După felul curentului alternativ, transformatoarele pot fi monofazate sau

polifazate. Cele mai răspândite sunt transformatoarele de putere trifazate, folosite pentru transportul și distribuția energiei electrice.

3. Generalități specifice regimurilor de lucru

Situațiile în care poate funcționa un transformator sunt următoarele: funcționare în gol, funcționare în sarcină și funcționare în scurtcircuit.

Deși transformatoarele cele mai folosite sunt cele trifazate, explicarea fenomenelor care se produc în cele trei situații de funcționare se va face pentru simplificare, considerând un transformator monofazat.

3.1. Funcționarea în gol

În cazul când la înfășurarea secundară nu este racordată o sarcină și înfășurarea primară este legată la o rețea de alimentare, se spune că transformatorul funcționează în gol (fig.1).

În acest regim de funcționare, dacă la bornele înfășurării primare se aplică o tensiune alternativă U1, în înfășurare va circula un curent i0. Acest curent, produce la rândul lui, o t.e.m. alternativă care determină un flux alternativ ϕ. Acesta trece prin tot miezul de fier, traversând deci și spirele înfășurării secundare. Fluxul fiind alternativ, ca și tensiunea U1, determină în spirele înfășurării secundare o t.e.m. (tensiune electromotoare) e2 și, deci, la bornele secundare o ale transformatorului apare o tensiune alternativă U2.

La funcționarea în gol, între tensiunile primară și secundară și numărul de spire din înfășurările primară și secundară există relația:

în care:U1 este tensiunea primarăU2 – tensiunea secundarăn1 – numărul de spire din înfășurarea primarăn2 – numărul de spire din înfășurarea secundarăK – raportul de transformare al transformatorului.

5

Page 6: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

La funcționarea în sarcină există o diferență între și , care este foarte mică pentru regimurile normale de funcționare.

Determinarea raportului de transformare prin măsurarea celor două tensiuni se face numai la mersul în gol al transformatorului.

Conform legii lui Lenz, în înfășurarea primară se produce o forță contra-electromotoare e1, numită astfel deoarece este de sens contrar față de U1.

Dacă n-ar exista anumite pierderi, forța contra-electromotoare e1 ar fi egală în mărime cu U1. Se știe însă că în miezul de fier apar pierderi prin histerezis și curenți turbionari. Pierderile prin histerezis produc o încălzire a fierului datorită schimbării alternative de sens a forței magnetomotoare, deci o pierdere reală de energie. Pierderile prin curenți turbionari se datoresc curenților de inducție care se produc în masa metalică aflată într-un câmp magnetic variabil în timp. Datorită acelor curenți se dezvoltă căldură prin efect Joule-Lorentz, adică o altă pierdere reală de energie.

Pierderile prin histerezis și prin curenți turbionari reprezintă pierderile în gol ale transformatorului sau pierderile în fier. Aceste pierderi sunt egale cu energia absorbită de transformator din rețeaua de alimentare la funcționare în gol.

3.2. Funcționarea în sarcină

Dacă la înfășurarea secundară se racordează un receptor de energie, de exemplu o întreprindere (fig. 2), prin această înfășurare va circula un curent i2 proporțional cu sarcina, iar transformatorul funcționează în sarcină.

Acțiunea acestui curent este de a se opune curentului de magnetizare i0, deci de a slăbi liniile de flux din miezul de fier și, odată cu acesta, și t.e.m. Rezultatul este că transformatorul absoarbe de la rețeaua de alimentare, pe lângă i0, un curent adițional i1. Acest curent i1 capătă în orice moment valoarea necesară pentru ca să echilibreze cererea de curent i2 din secundar.

Fig. 2 Funcționarea transformatorului în sarcină

6

Page 7: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

De asemenea, se poate spune că puterea absorbită de transformator de la rețea se reglează în mod automat după puterea pe care acesta o debitează în rețeaua racordată la înfășurarea secundară.

Faptul că fluxul corespunzător unei tensiuni U1 rămâne practic constant, când sarcina variază, constituie o proprietate fundamentală a transformatorului.

Când transformatorul este pus în sarcină, curenții care parcurg înfășurările primară și secundară produc pierderi prin efect Joule-Lorentz. Aceste pierderi, numite pierderi în cupru, produc încălzirea înfășurărilor.

Căderea de tensiune în sarcină

La funcționarea transformatorului în sarcină apare fenomenul dispersiunii sau al scăderilor de flux. Acest fenomen constă în faptul că nu întreg fluxul străbate ambele înfășurări, folosind ca drum numai fierul. O parte din flux – fluxul de scăpări – iese pe la capătul înfășurării și se întoarce prin aer (fig. 3), intrând în aceeași înfășurare pe la celălalt capăt. Acest fapt se petrece la ambele înfășurări.

Fig. 3 Fluxul de scăpări la transformator

Ca urmare, la transformatorul în sarcină, tensiunea U2 de la bornele secundarului va scădea.

De asemenea, curentul primar și cel secundar, datorită rezistențelor ohmice ale înfășurărilor, vor produce căderi de tensiune.

Din cele arătate mai sus rezultă că, la funcționarea transformatorului în sarcină, raportul dintre tensiunile primară și secundară nu mai este egal cu raportul de transformare considerat la mersul în gol.

3.3. Funcționarea în scurtcircuit

7

Page 8: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Dacă bornele înfășurării secundare se leagă între ele cu un conductor de rezistență neglijabilă, înfășurarea primară fiind alimentată la tensiunea U1, se spune că transformatorul lucrează în scurtcircuit.

Dacă se scurtcircuitează secundarul printr-un ampermetru (fig. 4), iar la bornele primarului se aplică o tensiune progresivă până când ampermetrul indică curentul nominal de sarcină i2, se poate citi, cu ajutorul unui voltmetru montat în derivație pe primar, tensiunea de scurtcircuit Uk. Această tensiune reprezintă abia câteva procente din tensiunea normală U1 și este de o deosebiră importanță în dimensionarea și alegerea transformatoarelor. Tensiunea de scurtcircuit este de asemenea indicată prin standarde.

Fig. 4 Funcționarea transformatorului în scurtcircuit

4. Randamentul transformatorului

Așa cum s-a arătat mai sus, la transformarea energiei electrice în transformator se produc pierderi rezultate din pierderile în cupru și din pierderile în fier.

S-a arătat, de asemenea, că pierderile în cupru sunt determinate de curenții care parcurg înfășurările primară și secundară ale transformatorului. Aceste pierderi variază cu pătratul curentului. Pierderile în fier rezultă din pierderi prin histerezis și din pierderi prin curenți turbionari în miezul transformatorului. Pe lângă acestea, curenții turbionari apar și în părțile metalice așezate în apropiere (cuvă, buloane, etc.). Pierderile în fier sunt determinate de fluxul magnetic și, deoarece fluxul nu variază aproape deloc cu sarcina, pierderile în fier rămân aproape constate, indiferent de sarcină.

Randamentul transformatorului reprezintă raportul dintre puterea P2 debitată de transformator și puterea P1 absorbită, adică:

8

Page 9: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

unde:

P2 este puterea debitată de transformator în circuitul secundarP1 – puterea absorbită de transformator în circuitul primar sunt pierderile în fier (miez, cuvă, buloane, etc.) - pierderi totale în cele două înfășurări.

9

Page 10: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

CAPITOLUL IITransformatoare trifazate

2.1. Generalități

Transformatoarele trifazate sunt foarte răspândite, fiind folosite în transportul și distribuția energiei electrice.

Forma constructivă cel mai des folosită pentru circuitul magnetic al transformatorului trifazat constă în trei coloane reunite în partea lor inferioară și superioară care se închid fluxurile magnetice (fig. 5).

Pe coloane se așează înfășurările celor trei faze. Fluxurile magnetice create de fiecare fază în parte sunt defazate între ele cu . Înfășurările transformatorului pot avea conexiunile în stea, în triunghi sau în zigzag.

Ieșirile înfășurărilor de înaltă tensiune se notează cu litere mari iar cele de la înfășurările de joasă tensiune, cu litere mici. Astfel:

A, B, C reprezintă începuturile înfășurării de înaltă tensiune;X, Y, Z reprezintă sfârșitul înfășurării de înaltă tensiune;a, b,c, reprezintă începutul înfășurării de joasă tensiune;x, y, z reprezintă sfârșitul înfășurării de joasă tensiune.

Fig. 5 Transformator trifazat

Ieșirile rezultate din unirea capetelor înfășurărilor fazelor, adică punctele neutre, se notează cu O și, respectiv, cu o.

În schemele, notațiile literare sunt indicate în ordinea în care ele se prezintă observatorului care stă înaintea transformatorului, de partea tensiunii respective. În diagramele vectoriale ale forțelor electromotoare succesiunea normală a vectorilor trebuie să fie următoarea: vectorul tensiunii fazei B este cu în urma vectorului tensiunii fazei A, iar vectorul tensiunii fazei C este cu în urmă față de A.

10

Page 11: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

2.1.1. Conexiuni de bază

Înfășurările de înaltă tensiune sau joasă tensiune ale transformatoarelor trifazate pot fi legate în stea sau în triunghi. Pentru bobinajul de joasă tensiune se mai utilizează și conexiunea în zigzag.

Figura 6 arată modul de legare a înfășurărilor de pe cele trei faze pentru realizarea celor trei tipuri de conexiuni. Conexiunea în zigzag se folosește în cazul sarcinilor secundare dezechilibrate. Datorită repartizării sarcinii de pe o fază secundară pe două faze primare, curenții primari vor fi mult mai echilibrați.

Fig. 6 Conexiunile bobinajelor transformatoarelor trifazate

2.1.2. Grupe de conexiuni

Întrucât atât înfășurarea primară, cât și cea secundară pot avea diferite conexiuni și deoarece unei conexiuni în primar îi pot corespunde altfel de conexiuni în secundar, rezultă mai multe combinații posibile. Cele mai folosite conexiuni sunt următoarele șase: stea – stea, stea – triunghi, stea – zigzag, triunghi – stea, triunghi – triunghi și triunghi – zigzag. Deoarece înfășurarea primară și cea secundară pot fi executate în sens invers una față de cealaltă, din cele șase conexiuni uzuale arătate mai sus, rezultă de fapt 12 tipuri de conexiune folosite în mod curent.

Aceste 12 moduri de conexiune sunt clasate în patru grupe care se deosebesc între ele prin unghiul de defazaj al tensiunii primare (între faze) și celei secundare (tot între faze). Defazajul dintre tensiunea primară și cea secundară depinde de:

- Sensul de înfășurare al înfășurărilor- Așezarea legăturilor capetelor înfășurărilor la borne (ordinea de notare a

bornelor)- Conexiunea înfășurării primare și a celei secundare.

Unghiul de defazaj este totdeauna un multiplu de .11

Page 12: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Conform STAS 1703-60, conexiunile au simbolul format din două litere (o literă mare și alta mică) și dintr-un număr, literele indicând felul conexiunilor, iar numărul, înmulțit cu , indicând unghiul de defazaj. Astfel: Y și y reprezintă conexiunea în stea, D și d reprezintă conexiunea în triunghi, iar z conexiunea în zigzag. Toate conexiunile care poartă același număr fac parte din aceeași grupă de conexiune.

Fig. 7 Conexiunea Yd-11.

La grupa de conexiunea 12, din care fac parte conexiunile Dd-12, Yy-12 și Dz-12, defazajul dintre tensiunile înalte și cele joase este nul.

Grupa de conexiune 6 cuprinde conexiunile Dd-6, Yy-6 și Dz-6, introducând un defazaj de (6 X ) între tensiunile primară și secundară. Grupa de conexiune 6 se poate obține din grupa 12 prin schimbarea legăturilor sfârșiturilor cu cele ale începuturilor înfășurărilor.

Grupa de conexiune 5 cuprinde conexiunile Dy-5, Yd-5 și Yz-5, introducând un defazaj de (5 X ).

Grupa de conexiune 11 este răsturnata grupei 5 și cuprinde conexiunile Dy-11, yd-11 și Yz-11, introducând un defazaj de (11 X ) între tensiunea primară și cea secundară.

12

Page 13: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 8 Conexiunea Yy-12.

Construirea diagramelor fazoriale la diferite tipuri de conexiuni. Pentru a verifica defazajul dintre tensiunile electromotoare și la diferite conexiuni, se construiesc diagrame fazoriale, ținând seama de conexiunea și modul de legare a înfășurărilor. În toate cazurile următoare se consideră că sensul de bobinaj la cele două înfășurări este același.

Conexiunea stea-stea având schema electrică reprezentată în figura 7 are capetele de bobinaj legate în același sens, iar tensiunile electromotoare pe fază din secundar în fază cu cele din primar. Se înlocuiește mai întâi diagrama fazorială a tensiunilor electromotoare din primar. Tensiunile , și sunt tensiunile electromotoare pe fază, defazate între ele cu . Compunându-se fzorii doi câte doi, se găsesc fazorii tensiunilor la borne. Se trasează apoi fazorii , , al tensiunilor electromotoare pe fază în secundar, care sunt în fază cu cei din primar, așa cum s-a arătat mai înainte. Compunând și acești vectori doi câte doi, se găsește triunghiul abc al tensiunilor electromotoare de la bornele secundarului. Se constată că este în fază cu , adică unghiul dintre fazorii lor este zero sau , și deci conexiunea este Yy-12, unde 12 simbolizează un unghi de 120 X 30 = .

Conexiunea stea – triunghi are schema electrică și triunghiul ABC al tensiunilor electromotoare primare reprezentate în figura 8. Se observă că în secundar (de la a la b) este egal cu . Deci fazorul are aceeași direcție și sens cu fazorul . În mod asemănător se construiesc fazorii în fază cu și în fază cu . Unghiul pe care îl face cu este de , adică 11 X și deci conexiunea este Yd = 11.

13

Page 14: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 9 Conexiunea Yd-5.

Conexiunea stea – triunghi are schema electrică în figura 9 în care triunghiul secundar este legat invers ca în cazul precedent. Tensiunea electromotoare este egală cu , care din cauza inversării legăturilor este în opoziție cu . Deci, se construiește în sens invers cu și la fel în sens invers cu și în sens invers cu . Unghiul pe care îl face cu este de , adică 5 X și deci conexiunea este Yd-5.

Conexiunile transformatoarelor trifazate

2. Construcție

2.1. Miezul magnetic

14

Page 15: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Pentru micșorarea pierderilor prin histerezis și prin curenți turbionari, miezul magnetic al transformatoarelor se confecționează din tole de oțel silicios izolate între ele. Grosimile tolelor folosite în mod curent sunt: 0,35 și 0,5 mm. Izolarea se face cu foiță lipită cu dextrină sau prin acoperirea cu lacuri insolubile în ulei și rezistente la temperatura de lucru a transformatorului.

Pierderile prin histerezis se reduc prin folosirea de oțeluri aliate cu siliciu (3,3 + 5% Si).

Tolele de transformator sunt caracterizate prin pierderile (prin histerezis și prin curenți turbionari) exprimate în W/kg, la inducția de 10 000 gauss și frecvența de 50 Hz.

În figura 10 este redată curba pierderilor pentru tabla silicioasă.Așezarea tolelor astfel, încât direcția fluxului să coincidă cu sensul de

laminare, micșorează pierderile.Prelucrarea tolelor are o influență negativă asupra pierderilor, adică le

mărește. Bavurile, strivirile, găurile prea dese, etc. produc o creștere a pierderilor în fier (7...15%).

Urmărindu-se ridicarea continuă a calității produselor și obținerea unor caracteristici superioare, s-a început fabricarea miezurilor de transformatoare din tablă silicioasă laminată la rece. Astfel s-au obținut transformatoare cu randamente foarte bune.

În fig. 11, a este reprezentată o construcție normală de transformator monofazat, cunoscută sub denumirea de transformator cuirasat sau în manta, la care înfășurările primară 3 și secundară 4 se așează una peste cealaltă și împreună se montează pe aceeași coloană 1. În figura 12, b se arată tola din care este confecționat miezul unui astfel de transformator.

Spațiul gol cuprins între două coloane ale miezului formează fereastra miezului, care trebuie să fie suficient de mare pentru ca să intre în ea înfășurările 3 și 4 și izolația. Miezul 2 este format din atâtea tole câte sunt necesare pentru a asigura secțiunea în fier.

15

Page 16: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 10 Curba pierderilor pentru tabla de transformator

Dimensiunile geometrice ale coloanelor nu coincid cu secțiunea efectivă de fier, întrucât o parte din spațiu este ocupată de hârtie sau de lacul de izolație a tolelor.

În cazuri speciale se folosesc și miezuri cu forma de cadru dreptunghiular, bineînțeles tot cu bobinele concentrice. Acest tip de miez este numit sâmbure.

Fig. 11 Transformator monofazat:a- Transformator în ”manta”

b- Tolă pentru transformatorul în manta.

Transformatoarele trifazate sunt formate în general dintr-un miez magnetic cu trei coloane 2 și două juguri 1, așa cum se vede în figura 12.

Înfășurările concentrice se așează pe cele trei coloane.La transformatoarele mici (până la 1 kVA) și la transformatoarele în manta,

secțiunea coloanelor și a jugurilor este dreptunghiulară. În acest caz, înfășurările au și ele formă apropiată de cea a secțiunii miezului, rotunjindu-se numai la colțuri. Este clar că, din motive tehnologice și datorită faptului că, în general, izolația se distruge la colțuri, pentru diametre mai mari nu se mai pot realiza bobine dreptunghiulare. De aceea, apropare toate transformatoarele industriale se

16

Page 17: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

fac cu bobine rotunde. În acest caz, secțiune coloanelor nu mai este dreptunghiulară, ci se adoptă secțiunea în trepte, așa cum se vede în figura 5, a.

Fig. 12 Miez magnetic pentru transformator trifazat

Se caută ca numărul și înălțimea treptelor să fie astfel alese, încât forma să fie cât mai apropiată de cerc. În acest caz și secțiunea jugurilor se face în trepte, așa cum se vede în figura 13, b.

Fig. 13 Secțiunea miezuluia – secțiunea în trepte pentru coloane; b – secțiunea jugului.

La transformatoarele mari, la care secțiunile de fier sunt mari, pentru asigurarea răcirii se execută canale, așa cum se vede în figura 6, în această situație, fluidul de răcire circulă prin aceste canale și prin spațiul dintre miez și înfășurări.

La un transformator monofazat de mică putere tolele se introduc cu limba centrală în golul unei carcase pe care se află înfășurarea. Introducerea se face în mod alternativ, pe la ambele capete ale carcase, cu izolația de hârtie (sau cu lac) într-o singură parte. Ultimele tole, care intră mai greu, se introduc cu ajutorul unui ciocan de lemn. Buloanele de strângere se introduc înfășurate în hârtie sau în

17

Page 18: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

preșpan/ capetele buloanelor se sprijină de obicei pe platbandă metalică, care are rolul de a repartiza uniform efortul de strângere. Aceasta este izolată față de miez printr-un strat de preșpan.

Fig. 14 Secțiune printr-o coloană prevăzută cu canale de răcire

La un transformator monofazat de tipul sâmbure, miezul magnetic se împachetează folosind două dimensiuni de tole: una pentru coloană și cealaltă pentru jug. Tolele se suprapun în straturi astfel, încât straturile fără soț să fie încheiate ca în figura 15 a, iar cele cu soț, ca în figura 15, b.

Fig. 15 Așezarea tolelor în două straturi consecutive ale unui miez pentru transformator monofazat:

a- Strat fără soț ; b – strat cu soț.

După suprapunerea numărului de tole corespunzător secțiunii utile de fier se stânge pachetul în mod definitiv la un capăt și provizoriu la celălalt. Se ridică pachetul în poziție verticală și se demontează jugul superior, pentru a putea permite introducerea bobinelor.

După așezarea înfășurărilor, tolele jugului superior se așează din nou la locul lor, pornind de la mijlocul secțiunii spre margine. Pentru așezare se poate folosi un ciocan de lemn.

Deoarece tolele coloanelor trebuie să rămână bine asamblate, formând piese rigide care să nu vibreze în eforturile electromagnetice, se procedează la o înfășurare strânsă cu chingă de bumbac, imediat după prima încheiere a cadrului.

18

Page 19: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

În cazul când înălțimea coloanelor este mai mare decât 500...600 mm, acestea, în loc de înfășurare cu chingă, se strâng cu buloane din loc în loc, pachetul de tole fiind strâns între două plăci mai groase de oțel, sau mai bine de alamă tare. Buloanele se izolează față de părțile frontale ale miezului cu rondele de preșpan. Lipsa de atenție la această operație de izolare a buloanelor poate duce la următorul accident: două dintre buloane, împreună cu plăcile metalice exterioare, pot forma o spiră în scurtcircuit, care în timpul funcționării va fi parcursă de un puternic curent de inducție. În consecință materialul se va topi și transformatorul va fi incendiat. La transformatoarele trifazate, coloanele și jugurile se pot asambla prin strângere (fig. 16 a,) sau prin îmbinare țesută (fig. 16, b).

În majoritatea cazurilor se folosește asamblarea miezurilor din tole așezate țesut, straturile de tole alternând așa cum se vede în figura 17, a și b.

Fig. 16 Asamblarea jugurilor cu coloane: a - asamblarea prin strângere b – asamblare țesută.

Fig. 17 Straturile consecutive de tole la un miez trifazat asamblat prin țesere:a – start fără soț b – strat cu soț.

19

Page 20: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

La acest fel de miez numărul tipurilor de tole este foarte mare, fiecare strat din pachet compunându-se din trei tipuri de tole.

Asamblarea se face prin strângere vu chingi de bumbac, miezurile mici, sau cu buloane, la cele mai mari, așa cum s-a arătat la miezurile monofazate tip sâmbure.

2.2. Schela transformatorului

Ansamblul de piese care susține miezul și înfășurările formează schela transformatorului. În compunerea schelei se folosesc piese masive de fontă și de oțel. La transformatoarele mai mici se folosesc piese de lemn de esență tare, bine uscat și fiert în ulei. În figura 18 este reprezentată construcția unei schele dintre cele mai simple.

Schela este asamblată prin tiranți, direct cu capacul cuvei în care se introduce transformatorul.

Schela trebuie să îndeplinească următoarele condiții:- Să țină strâns diferitele pachete de tole care compun miezul- Să strângă înfășurările în sens axial, fie rigid, fie elastic, prin intermediul

unor resorturi. Asamblarea trebuie să reziste la eforturile electromagnetice produse în înfășurare în momentul punerii transformatorului în sarcină sau în situația accidentală de scurtcircuit, până declanșează aparatele de protecție.

- Să susțină celelalte piese ale transformatorului ca, de exemplu: tuburi izolante, plăci de borne etc.

- Să permită ridicarea cu macaraua pentru scoaterea din cuvă a transformatorului

- Sa asigure distanțele de străpungere între înfășurări și partea metalică a transformatorului

- Să nu mărească mult pierderile prin histerezis și prin curenții turbionari- Să nu împiedice circulația naturală a lichidului de răcire a bobinelor și a

miezului- Să asigure un contact electric bun între miez și cuva transformatorului,

pentru a se putea realiza astfel legarea la pământ a miezului. Legătura între miez și schelă se face prin intermediul unei foi de cupru cositorite, care se întinde și se presează peste muchiile tolelor, introducându-se cu un capăt între două tole ale pachetului.

2.3. Înfășurările transformatorului

20

Page 21: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Se execută în general din conductoare din cupru. În ultimul timp s-a început confecționarea bobinelor și din conductoare de aluminiu, acest sistem prezentând însă dificultăți la lipire și la sudare. Se folosesc conductoare cu secțiune rotundă până la 8 , iar peste această valoare se întrebuințează bare cu secțiuni dreptunghiulare și, mai rar, pătrate.

Conductoarele cu secțiuni mici se livrează izolate cu fire de bumbac, de mătase, sau cu bandă de hârtie. Conductoarele cu secțiune rotunde se mai livrează și izolate cu diferite lacuri rezistente la ulei și la temperatură. La secțiuni mari conductoarele se izolează după înfășurare, deoarece există pericolul ca izolația de fire sau de lac să se deterioreze în timpul înfășurării. În cazul folosirii conductoarelor bară se cere ca aceasta să aibă colțurile puțin rotunjite. După bobinare, barele de cupru se supun unui tratament de recoacere, se decapează și apoi se izolează cu bandă de bumbac.

Fig. 18 Schela unui transformator: 1 – capac; 2 – tirant longitudinal; 3 – cârlig de ridicare; 4 – tirant transversal.

Înfășurările primare și secundare ale transformatoarelor normale se construiesc în următoarele forme:

- Înfășurări concentrice simple- Înfășurări biconcentrice- Înfășurări alternate.Transformatoarele cu înfășurări concentrice sunt mai răspândite datorită

ușurinței cu care se poate realiza izolația între înfășurările de înaltă și de joasă tensiune. Acest tip de înfășurare este folosit pentru toate puterile și tensiunile.

Modul de așezare a celor două înfășurări este reprezentat în fig. 19, a.Înfășurarea de joasă tensiune se așează lângă coloană, fiind mai ușor de

asigurat izolația acesteia față de masa metalică. Înfășurarea de înaltă tensiune se montează concentric, în exterior, între

înfășurări lăsându-se un spațiu care servește la răcirea și la izolarea electrică a acestor două înfășurări. Pentru asigurarea izolației se poate așeza între cele două înfășurări concentrice și un cilindru confecționat dintr-un material electroizolant.

La transformatoarele mici și cu tensiuni până la 3 000 V, înfășurările se execută pe o carcasă. Se înfășoară pe carcasă înfășurarea de joasă tensiune, și apoi se aplică un strat izolant, peste care se înfășoară înfășurarea de înaltă tensiune.

La înfășurările biconcentrice, modul de așezare a celor două înfășurări este arătat în figura 19, b. în acest caz, una dintre înfășurări – în general cea de joasă tensiune – se dirijează în două părți așezate de o parte și de alta a celeilalte

21

Page 22: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

înfășurări. Prin această așezare se obțin o tensiune de scurtcircuit mai mică, precum și o răcire bună.

Înfășurările biconcentrice se folosesc, în general, la transformatoarele mari.Așezarea înfășurărilor de joasă și de înaltă tensiune, în cazul unei înfășurări

alternate, este reprezentată în figura 19, c. În acest caz, înfășurările sunt alcătuite din înfășurări plate – numite galeți – care se așează alternând între ele. Înfășurările de joasă tensiune sunt legate în serie, ca și cele de înaltă tensiune. Înfășurarea alternată se folosește pentru transformatoare cu o tensiune maximă de 20 000 V și cu puteri relativ mici. În cazul conductoarelor din bare dreptunghiulare cu dimensiuni mai mari, modul de așezare prezintă o deosebită importanță.

Astfel, o secțiune de 300 , cu laturile 12 X 25 mm se poate așeza ca în figura 20, a sau ca în figura 20, b. În primul caz, spirala de cupru va fi străbătută de mai puține linii de forță ale fluxului de scăpări decât în cazul așezării barei pe muchie (ca în fig. 20, b). S-a constatat, însă, că așezarea conductorului pe muchie provoacă pierderi suplimentare prin curenți turbionari în cupru, ajungându-se, în unele situații, până la 50% din pierderile Joule-Lenz obișnuite. Rezultă deci că este mai avantajos să se așeze bara ca în figura 20, a, ba mai mult să se divizeze această secțiune în mai multe conductoare legate în paralel. Astfel, în locul barei de 300 se pot lua două conductoare de 150 , cu dimensiunile de 10 X 15 mm, așezându-le ca în figura 20, c, rezultând prin aceasta pierderi în cupru mai mici și o manipulare mai ușoară.

22

Page 23: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 19 Așezarea înfășurărilor pe jug: a – înfășurări concentrice; b – înfășurări biconcentrice; c – înfășurări alternate.

Fig. 20 Așezarea conductoarelor din bare dreptunghiulare: a – așezarea barelor pe lat; b – pe muchie, c – spiră divizată în trei părți.

2.4. Prizele de reglaj și comutatorul

Prizele de reglaj permit modificarea raportului de transformare (în limite restrânse), astfel ca transformatorul să poată fi conectat în rețele de distribuție în care există căderi de tensiune sau supratensiuni mici. În general, la transformatoarele folosite în rețele de distribuție prizele de reglaj se iau de pe înfășurarea de înaltă tensiune, deoarece conductorul, fiind mai subțire, ușurează execuția. De asemenea, curentul fiind mai mic, permite folosirea unui comutator de prize de o construcție mai simplă. Prizele de reglaj se scot de la mijlocul înfășurării, pentru a nu se produce dezechilibrări.

În figura 21 sunt prezentate scoaterea legăturilor și conectarea lor la un comutator de prize.

Prin cepe trei poziții ale comutatorului se pot realiza, în general, următoarele tensiuni: Un+5%, un și Un – 5%.

Manevrarea comutatorului se face printr-o manetă aflată deasupra capacului. Schimbarea poziției comutatorului se face la funcționarea în gol sau la sarcini foarte mici. Numai la construcții speciale ale comutatorului se poate face un reglaj sub sarcină.

23

Page 24: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 21 Comutator de prize pentru transformator trifazat.2.5. Cuva, capacul și căruciorul de transport

La transformatoarele în ulei, întregul sistem electromagnetic (miezul și înfășurările) este închis într-o cuvă de oțel umplută cu ulei de transformator.

Uleiul, pe lângă calitățile sale izolante, servește la evacuarea căldurii spre exterior. Aceasta este transmisă aerului înconjurător prin intermediul cuvei. Suprafața de răcire a pereților cuvei poate fi mărităm fie prin ondularea pereților (fig. 22, a), fie prin țevi de răcire (fig. 22, b), care fac legătura, în exteriorul cuvei, între partea de sus și partea de jos a acesteia. Astfel se produce o circulație continuă a uleiului. Construcții speciale prevăd răcitoare cu apă în interiorul cuvei sau ventilatoare exterioare, care suflă în permanență aer rece spre cuvă.

Cuva se construiește din tablă oțel, grosimea fiind determinată și de greutatea pe care o are de suportat. La transformatoarele mici se construiesc uneori și cuve netede fără ondulații sau țevi de răcire.

24

Page 25: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 22 Cuva transformatorului: a – cuva cu pereți ondulați; b – cuvă cu țevi de răcire.

Pentru ușurința transportului, cuva este fixată pe un cărucior cu roți. ea este vopsită în interior cu o vopsea rezistentă la ulei. Construcția cuvei și a țevăriei trebuie să permită curățarea lor în timpul exploatării. Fundul cuvei este prevăzut cu un robinet de golire a uleiului, cuva trebuie prevăzută de asemenea cu o bornă de pământ a întregii construcții metalice a transformatorului.

Capacul asigură o închidere etanșă a cuvei, fiind fixat de asemenea prin buloane. La majoritatea transformatoarelor, capacul este fixat pe schela transformatorului, astfel încât, la ridicarea lui, să fie scos în același timp din cuvă și transformatorul. Capacul se confecționează din tablă de oțel, suficient de groasă pentru a rezista eforturilor la care este supus la decuvări și în cazul când miezul nu se sprijină pe fundul cuvei.

Pe capac se găsesc izolatoarele prin care trec bornele de legare ale transformatorului la rețea, termometrul care indică temperatura straturilor superioare de ulei, urechile de ridicare, mânerul comutatorului de prize, țeava de legătură a conservatorului de ulei, supapa de siguranță – care la unele transformatoare lipsește.

Etanșarea capacului cu cuva se realizează printr-o garnitură de klingherit sau de cauciuc insolubil în ulei.

2.6. Bornele și izolatoarele

Legătura înfășurărilor cu rețeaua de distribuție se face prin intermediul bornelor. Izolarea bornelor la trecerea lor prin capac și fixarea lor pe capac se fac cu ajutorul izolatoarelor.

Bornele se confecționează din cupru sau din alamă și au secțiunea potrivită cu valoarea curentului care le străbate. La cele două capete, bornele sunt filetate pentru a se putea efectua racordarea înfășurărilor și a rețelei.

În majoritatea cazurilor izolatoarele (fig. 23) este dată în mod special pentru a se mări linia de fugă a arcului electric ce s-ar putea produce la înălțimi exagerate.

Izolatoarele sunt fixate pe flanșe de susținere (fig. 23), care, la rândul lor, se fixează pe capac.

25

Page 26: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

Fig. 23 Secțiune printr-un izolator: 1 – capacul cuvei; 2 – garnitură de klingherit; 3 – flanșă de susținere; 4 – chit de garnitură; 5 – izolator de porțelan; 6 – capișon de fontă; 7 – bornă.

Prinderea izolatorului de flanșe se face cu un chit special, preparat din litargă (oxid de plumb) și glicerină. Chitul de litargă se prepară astfel: se încălzește litarga la 50…C, pentru deshidratare, și apoi se macină fin și se cerne.

CAPITOLUL IIINorme de protecție și securitatea muncii

In toate atelierele si locurile de munca in care se folosește energia electrica, se asigura protecția împotriva electrocutării.

Prin electrocutare se înțelege trecerea unui curent electric prin corpul omenesc. Tensiunea la care este supus omul la atingerea unui obiect intrat accidental sub tensiune este numita tensiune de atingere.

Gravitatea electrocutării depinde de o serie de factori:

• rezistenta electrica a corpului omenesc: rezistenta medie a corpului (pielea este singurul organ izolator) este de 1 000 Ω si poate avea valori mai mari pentru o piele uscata si valori mult mai mici (chiar 200 Ω) pentru o piele uda sau rănită;

- frecventa curentului electric. Curentul alternativ cu frecventa intre 10 și 100 Hz este cel mai periculos. La frecvente de circa 500000 Hz excitațiile nu sunt periculoase chiar pentru intensități mari ale curentului electric;- durata de acțiune a curentului. Daca durata de acțiune a curentului este mai mica de 0,001 s, efectul nu este periculos.

26

Page 27: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

• calea de trecere a curentului prin corp. Cele mai periculoase situații sunt cele in care curentul electric trece printr-un circuit in care intra si inima sau prin locuri de mare sensibilitate nervoasa (ceafa, gatul, tâmpla, încheietura mâinii ) ;• valorile curenților care produc electrocutarea. Acestea se pot calcula simplu cu legea lui Ohm:I= U/R , unde R este suma rezistentelor electrice din circuit.

Valorile limita ale curenților nepericuloși sunt 10 mA în c.a. și 50 mA în c.c.

Efectele trecerii curentului electric prin corpul omenesc se pot grupa în: electroșocuri si electrotraumatisme. Când valoarea intensității curentului electric este mai mica de 1 mA, nu se simte efectul socului electric. La valori de 10 mA se produc comoții nervoase in membre : construcțiile mușchilor fac ca desprinderea omului de obiectul aflat sub tensiune sa se facă greu. Peste valori de 10 mA se produce fibrilația inimii si oprirea respirației. Electrotraumatismele se datorează efectului termic al curentului electric și pot provoca orbirea, metalizarea pielii, arsuri.

La alegerea masurilor pentru protecția împotriva electrocutării se tine seama de periculozitatea locului de munca. Exista trei categorii de locuri de munca:- locuri de munca cu grad mic de pericol ( pardoseala izolatoare, umiditate

maxima 70%, fără elemente conductoare in contact electric cu pământul, variații de temperatura intre 15 si 30°C);

- locuri de munca periculoase ( umiditate intre 75% si 97%, variații de temperatura intre 30°C si 35°C, pulbere conductoare, obiecte conductoare in legătura cu pământul in zona de manipulare ocupând o suprafață sub 60%);

- locuri de munca foarte periculoase (umiditate peste 97%, mediu coroziv, temperatura peste 35°C, obiecte conductoare în legătura cu pământul care ocupa o suprafața mai mare de 60% din zona de manipulare).

Electrocutările se pot produce prin atingere directă sau indirectă.

Măsuri de protecție aplicate instalațiilor si echipamentelor electrice

Pentru a se realiza protecția la electrocutare prin atingere directa, instalațiile și echipamentele electrice se construiesc astfel încât elementele aflate in mod normal sub tensiune sa nu poată fi atinse. Pentru aceasta se folosește închiderea in carcase, conductoarele de legătură se izolează, se amplasează liniile electrice la înălțimi mari unde nu pot fi atinse întâmplător, elementele aflate sub tensiune in locuri deschise se izolează cu împrejmuiri protectoare, in locuri foarte periculoase se folosesc tensiuni reduse de lucru ( 24 V ).

Echipamentele electrice cu protecție împotriva electrocutării prin atingerea pieselor sub tensiune poarta pe ele simboluri conform STAS 3999 - 75. Protecția echipamentelor electrice in construcție normala se realizează si la alte solicitări. Conform standardului amintit, simbolizarea gradelor normale de protecție se face prin literele IP, urmate de trei cifre caracteristice:- prima cifra la valori intre 0 si 6 si simbolizează gradul de protecție apersoanelor contra atingerii părților sub tensiune si gradul de protecție împotriva

27

Page 28: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

pătrunderii in interiorul carcasei a corpurilor străine solide de o anumita dimensiune;- a doua cifra poate lua valori intre 0 si 8 si simbolizează gradul de protecție împotriva pătrunderii apei;- a treia cifra poate lua valori intre 0 si 5 si simbolizează gradul de protecție împotriva solicitărilor mecanice.

Pentru evitarea accidentelor prin atingere directa, se mai practica: folosirea unor tensiuni cat mai reduse (valori standardizate), egalizarea potențialelor, izolarea fata de pământ, utilizarea unor pardoseli din materiale electroizolante.

Protecția împotriva electrocutării prin atingere directa se poate realiza prin: legarea la nul, legarea la pământ separarea de protecție, izolarea suplimentara de protecție, legarea intre ele a tuturor obiectelor metalice ce pot fi atinse concomitent in zona de manipulare, deconectarea automata.

28

Page 29: TRANSFORMATORUL TRIFAZAT

ANEXĂ - Detalii constructive ale unui transformator trifazat

BIBLIOGRAFIE

T. Cănescu, V. Rusescu – „Manualul electricianului” – editura de stat didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1961

R. Dromereschi, V. Gavril, L. Ionescu „Instalaţii electrice” – M.A.S.T, 2007

Niculae Mira, Constantin Neguş – „Instalaţii şi echipamente electrice” – editura didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1994.

29


Top Related