|
|
|
Transformatorul Electric
Capitolul 1 GENERALITATI
1.1 Scurt istoric
Transformatorul electric este un aparat static cu doua sau mai multe infasurari , cuplate magnetic, cu ajutorul caruia se transforma parametrii electrici (tensiunea si curentul) ai puterii electrice in curent alternativ, frecventa ramanand neschimbata.
Pentru realizarea unui cuplaj magnetic cat mai strans, infasurarile sunt asezate pe un miez feromagnetic. La frecvente mari (> 10kHz), transformatorul se realizeazafara miez feromagnetic.
Principiul de functionare al transformatorului a fost stabilit de M. Faraday in 1831 care a si construit primul transformator cu miez de fier si doua infasurari ; acest aparat a fost utilizat la inceput pentru demonstratia experimentala a fenomenului inductiei electromagnetice.
Transformatorul a fost folosit ulteriorpentru producerea tensiunilor electrice inalte in instalatii cu arc electric , de catre H. D. Ruhmkorff in 1851 si a fost perfectionat constructiv de catre S. A. Varley in 1851 care a realizat transformatorul cu miezul in manta si infasurarile pe galeti. In perioada 1844-1847, B. Iacobi utilizeaza bobina de inductie cu scantei pentru aprinderea explozivului in mine. In anul 1876 Iablochkov utilizeaza transformatorul cu miezul feromagnetic deschis pentru alimentarea in curent alternativ a arcului electric.
In anul 1885, Deri, Blathy si Zipernowsky patenteaza transformatorul monofazat cu miezul feromagnetic laminat, precum si functionarea in paralel a transformatoarelor electrice.
In anul 1891 M. Dolivo- Dobrovolsky proiecteaza transformatorul trifazat uscat cu coloane si in acelasi an Braun consttruieste primul transformator monofazat in ulei pentru tensiunea inalta de 30 kV, demonstrand totodata rolul dublu al uleiului in transformator :
mediu de racire pentru infasurari si miez ;
material izolant pentru infasurari.
Constructia Transformatoarelor
Transformatorul monofazoat pentru frecventa industriala, se construieste cu doua sau mai multe infasurari asezate pe un miez feromagetic inchis, pentru realizarea unui cuplaj magnetic foarte strasn ( figura). Transformatorul trifazat se realizeaza ca o unitate separata avand miezul feromagnetic de o constructie proprie.
La puteri foarte mari, transformatorul trifazat este construit din trei transformatoare monofazate, ale caror infasurari primare, respectiv secundare sunt conectate in stea, sau triunghi.
a)Miezul feromagnetic se construieste din tole de 0,35 mm grosime, taiate din tabla silicioasa puternic aliata, laminata la cald sau texturata ; tolele sunt izolate intre ele cu hartie, lac sau oxizi ceramici (izolatie denumita carlit). Miezul feromagnetic este format din coloane si juguri.
Pe coloane se aseaza infasurarile. Deoarece infasurarile se executa in afara miezului si ulterior se monteaza pe coloanele transformatorului, mizul feromagnetic se construieste din doua parti separabile, sau se executa din tole cu jug separabil. La transformatoarele de putere, jugul superior este construit demontabil. Sectiunea miezului la transformatoarele mici (pana la 1kVA ) este de forma patrata sau dreptunghiulara (fig.). La transformatoarele de puteri mai mari ( Sn>1 kVA) miezul feromagnetic are sectiunea realizata cu doua sau mai multe trepte, pentru a spori factorul de umplere al sectiunii transversale a bobinei.
Jugul este realizat deasemenea in trepte, de sectiune corespunzatoare, pentru a se asigura inchiderea fluxului in directie axiala de la o treapta a coloanei la treapta corespunzatoare a jugului, evitandu-se astfel inchiderea campului transversal pe pachetul de tole, ceea ce ar avea ca urmare aparitia unor pierderi suplimentare in zona de imbinare a jugului cu coloana.
Imbinarea jugului cu coloanele se poate efectua prin suprapunere (fig.) sau prin intretesare (fig.). La imbinarea prin suprapunere rezulta un intrefier cu o largime de 0,1 pana la 1mm ; in acest intrefier s eprevede o izolatie pentru a se evita scurtcircuitarea tolelor si cresterea pierderilor suplimentare prin curenti turbionari in zona de suprapunere. La imbinarea prin intretesere a jugului cu coloana, o tola a coloanei alterneaza cu o tola a jugului ; in zona de imbinare campul magnetic se inchide, in principal, prin izolatia dintre tole si prin tolele vecine ( fig.). Largimea intrefierului echivalent, la imbinarea prin intretesare, este de 0,02 pana la 0,06 mm. In practica se prefera imbinarea prin intretesare la transformatoare de puteri nominale Sn> 1 kVA.
Miezul feromagnetic se poate cu coloane sau in manta (fig. ). La transformatorul cu coloane, fiecare coloana poarta una sau mai multe infasurari. La acest tip de transformator, fluxul magnetic prin jug este egal cu fluxul prin coloane ; aria sectiunii jugului este de 1,05 1,15 ori aria sectiunii coloanei. La transformatorul cu miezul in manta, coloanele laterale sunt libere si indeplinesc rolul unor juguri ; ariile sectiunilor jugului si coloanelor laterale sunt ceva mai mari de jumatate din aria sectiunii coloanei care poarta infasurarile, deoarece fluxul magnetic din coloana se inchide prin jugurile si coloanele laterale. Transformatoarele se construiesc mai rar cu miezul in manta.
b)Infasurarile transformatorului sunt construite din conductor de cupru sau aluminiu ; conductoarele sunt izolate cu bumbac, email sau hartie. Transformatorul monofazat prezinta cel putin doua infasurari asezate pe miez. Una dintre infasurari se conecteaza la o surs de curent alternativ si este numita infasurare primara ; pe la bornele acestei infasurari, transformatorulia de la reteaua de alimentare o putere electromagnetica pe care o transmite prin intermediul campului electromagnetic circuitului secundar. La bornele celeilalte infasurari, numita infasurare secundara se conecteaza circuitele receptoare.
Convenim sa notam cu indicele 1, toate marimile caracteristice infasurarii primare, iar cu indicele 2, toate marimile caracteristice infasurarii secundare.
Fiecare dintre infasurarile transformatorului poate fi utilizata fie ca infasurare primara, fie ca infasurare secundara.
Sistemul de infasurarial transformatorului se cosntruieste cu infasurari cilindrice concentrice (fig. ) sau cu infasurari in galeti alternati (fig.).
La infasurarile cilindrice concentrice atat infasurarea primara cat si cea secundara sunt asezate suprapus pe aceeasi coloana. De regula, langa miez este asezata infasurarea de joasa tensiune, iar in exterior infasurarea de inalta tensiune.
Pentru reducerea fluxului magnetic de dispersie, transformatorul se poate realiza cu infasurari biconcentrice, constructie obisnuita prin divizarea unei infasurari in doua parti ( de regula se divizeaza infasurarea de joasa tensiune) si dispunerea acestora de-o parte si de alta a infasurarii nedivizate ca in fig.
La infasurarile galeti alternati, o portiune de infasurare de joasa tensiune alterneaza de-a lungul coloanei cu o portiune de infasurare de inalta tensiune. De regula, spre spre juguri se aseaza portiuni de infasurare apartinandinfasurarii de joasa tensiune.
La unele transformatoare monofazate speciale, infasurarile primara si secundara se aseaza pe coloane diferite in scopul sporirii inductivitatii de dispersie a infasurarii.
In constructia transformatoarelor normale de putere, se utilizeaza sistemul de infasurari cilindrice concentrice ; sistemul de infasurari in galeti alternanti se utilizeaza numai la transformatoarele speciale cu inductivitati de dispersie foarte mici.
Infasurarile se executa sub forma unor bobine cilindrice repartizate in lungul coloanei, sau sub forma unor bobine concentrate ( denumite galeti) asezaate alaturat.
Infasurarile cilindrice se executa in urmatoarele moduri :
Infasurarea cilindrica stratificata (fig.) se realizeaza cu conductorde sectiune circulara sau dreptunghiulara. Infasurarea cu grosimea mai mare de 3~4 cm se prevede cu canale axiale de racier.
Infasurarea cilindrica heicoidala (intr-un strat) se realizeaza cu unul, doua sau trei inceputuri, cu unul sau mai multe conductoare suprapuse si conectate in paralel (fig. )
La o sectiune a conductorului mai mare de 20 50 mm2 se procedeaza la divizarea conductoarelor, pentru a reduce pierderile suplimentare datorita refularii curentului.
La infasurarea cu mai multe conductoare in paralel si asezate suprapus, se efectueaza un numar determinat de transpozitii in vederea distribuirii cat mai uniforme a curentului prin toate conductoarele conectate in paralel.
Transformatoarele de puteri foarte mari, au infasurarea de joasa tensiune realizata intr-un strat, de tipul infasurarii cilindrice helicoidale, cu doua inceputuri, fiecare inceput avand 12 50 conductoare suprapuse. La aceste infasurari se poate efectua relativ simplu transpozitia conductoarelor, prin rotirea succesiva a acestora in cadrul manunchiului format de cele doua inceputuri, astfel incat toate conductoarele sa ocupe aceeasi pozitie in campul magnetic de dispersie ( fig. ). La infasurarea cu doua inceputuri se efectueaza un numar dublu de traspozitii in raport cu infasurarea cu un singur inceput, cu acelasi numar de conductoare suprapuse, pentru ca fiecare conductor sa ajunga sa ocupe toate pozitiile din fiecare inceput.
Pentru a asigura o buna racire a infasurarii, aceasta se prevede cu canale axiale de racire.
Infasurarile in galeti se executa cu galeti separati in cazul conductoarelor de sectiune circulara ( fig. ), sau cu galeti continui ( fig.) fiind denumita si infasurare spiralata, in cazul conductoarelor profilate.
Infasurarea in galeti continui se realizeaza printr-un procedeu de bobinare, care nu necesita intreruperea conductorului.
Galetii care au inceputul langa miez si sfarsitul in exterior, se executa normal.
Galetii care au inceputul in exterior si sfarsitul langa miez se executa rasturnati. Pentru aceasta se bobineaza mai intai galeti la fel ca si galetii normali asezand inceputul galetului la interiorul acestuia ; apoi se deplaseaza axial spirele prin desfacerea galetului si se reaseaza spirele acestuia, astfel incat sfarsitul galetului sa fie asezat la interior, iar inceputul la exterior, obisnuindu-se galetul in forma sa finala. In figurase arata succesiunea fazelor de bobinare la infasurarea in galeti continui.
Dupa modul de racire se deosebesc transformatoare uscate si transformatoare in ulei. Transformatoarele uscate au miezul si infasurarile asezate in aer ; in aceasta forma se executa transformatoarele pentru puteri pana la ordinul sutelor de kVA. La transformatoarele in ulei, miezul si infasurarile sunt asezate intr-o cuva umpluta cu ulei.
In figura este prezentata fotografia unui transformator decuvat, cu racire in ulei iar in figuraeste data fotografia unui transformatorincuvat. Cuva transformatorului este realizata din din tabla ondulata, sau este prevazutacu tevi de racire pentru a mari suprafata de racire prin fenomenul de convectie ; pe capacul cuvei sunt montate izolatoarele de trecere si conservatorulde ulei. Transformatoarele in ulei se executa pentru puteri mai mari de 50 kVA si la tensiuni mai mari de 6 kV. Uleiul are rolul de a ajuta transmisia caldurii de la partile active - miezul si infasurarile - la mediul de racire si constitue o izolatie electrica a infasurarilor atat una fata de alta, cat si fata de miezul si de partile constructive ale transformatorului. Uleiul din transformator trebuie sa prezinte o anumita rigiditate dielectrica. Pentru a mentine proprietatile salefizice, se evita contactul direct pe o suprafata mare dintre uleiul din transformator si aer. In acest scop, cuva transformatorului se revede cu un vas de expansiune, denumit conservator de ulei care asigura o suprafata relativ mica de contact cu aerul atmosferic si preia variatia volumului uleiului in functie de incalzirea transformatorului fata de temperatura minima a mediului ambiant considerata de - 40s C si temperatura maxima de + 40s C. Totodata, conservatorul de ulei asigura mentinerea nivelului minim necesar in izolatoarele de trecere cu ulei, montate pe capacul cuvei transformatorului.
Comunicatia conservatorului cu cu atmosfera se face prin filtru de aer prevazut cu substante hidroabsorbante. La transformatoarele mari , la suprafata de separatie intre aer si ulei se prevede o membrana elastica de cauciuc special care urmareste variatia nivelului uleiului in conservator.
Transformatorul in ulei se prevede cu un releu de gaze, denumit releu Buchholz, montat pe conducta de legatura dintre cuva si conservator. Releul are doua plutitoare, dintre care unul montat in partea superioara ( plutitorul 1 ) semnalizeaza prezenta gazelor acumulate in partea superioara a releului, iar celalalt , montat in calea curentului de trecere spre conducta ( plutitorul 2 ) , comanda intreruperea alimentarii transformatorului la defecte importante ivite in transformator, insotite de expulzarea rapida a uleiului prin conducta de legatura.
Transformatoarele cu ulei se mai echipeaza cu termometru sau indicator de temperatura la distanta , indicator de nivel de ulei in conservator , supapa de evacuarea gazelor si altele.
