Construcția transformatoarelor

Acest circuit magnetic, cunoscut mai frecvent sub numele de „miez de transformator”, este proiectat pentru a oferi un traseu în jurul căruia să circule câmpul magnetic, necesar pentru inducerea tensiunii între cele două înfășurări.

Cu toate acestea, acest tip de construcție a transformatoarelor, în care cele două înfășurări sunt înfășurate pe membre separate, nu este foarte eficient, deoarece înfășurările primare și secundare sunt bine separate una de cealaltă. Acest lucru are ca rezultat un cuplaj magnetic scăzut între cele două înfășurări, precum și cantități mari de scurgeri de flux magnetic din transformator în sine. Dar, pe lângă această construcție în formă de „O”, există diferite tipuri de „construcții de transformatoare” și modele disponibile care sunt folosite pentru a depăși aceste ineficiențe, producând un transformator mai mic și mai compact.

Eficiența unei construcții simple de transformatoare poate fi îmbunătățită prin aducerea celor două înfășurări în contact strâns una cu cealaltă, îmbunătățind astfel cuplajul magnetic. Creșterea și concentrarea circuitului magnetic în jurul bobinelor poate îmbunătăți cuplajul magnetic dintre cele două înfășurări, dar are și efectul de a crește pierderile magnetice ale miezului transformatorului.

Pe lângă faptul că asigură un traseu de joasă reluctanță pentru câmpul magnetic, miezul este proiectat pentru a preveni circulația curenților electrici în interiorul miezului de fier însuși. Curenții circulanți, numiți „curenți turbionari”, provoacă încălzire și pierderi de energie în interiorul miezului scăzând eficiența transformatoarelor.

Aceste pierderi se datorează în principal tensiunilor induse în circuitul de fier, care este supus în mod constant câmpurilor magnetice alternative configurate de tensiunea de alimentare sinusoidală externă. O modalitate de a reduce aceste pierderi nedorite de putere este construirea miezului transformatorului din lamele subțiri de oțel.

În toate tipurile de construcții de transformatoare, miezul central de fier este construit dintr-un material foarte permeabil realizat din lamele subțiri de oțel siliciu. Aceste laminări subțiri sunt asamblate între ele pentru a asigura calea magnetică necesară cu pierderi magnetice minime. Rezistivitatea foii de oțel în sine este ridicată, reducând astfel orice pierdere de curenți turbionari prin faptul că laminările sunt foarte subțiri.

Aceste laminări de oțel pentru transformatoare variază în grosime între 0,25 mm și 0,5 mm și, deoarece oțelul este un conductor, laminările și orice știfturi, nituri sau șuruburi de fixare sunt izolate electric unul de celălalt printr-un strat foarte subțire de lac izolator sau prin utilizarea unui strat de oxid pe suprafață.

Construcția miezului transformatorului

În general, denumirea asociată cu construcția unui transformator depinde de modul în care înfășurările primare și secundare sunt înfășurate în jurul miezului central din oțel laminat. Cele două modele cele mai comune și de bază de construcție a transformatorului sunt transformatorul cu miez închis și transformatorul cu miez de carcasă.

În transformatorul de tip „cu miez închis” (formă de miez), înfășurările primare și secundare sunt înfășurate în exterior și înconjoară inelul miezului. În transformatorul de tip „cu carcasă închisă” (formă de carcasă), înfășurările primare și secundare trec în interiorul circuitului magnetic din oțel (miez) care formează o carcasă în jurul înfășurărilor, așa cum se arată mai jos.

Construcția miezului transformatorului

În ambele tipuri de design al miezului transformatorului, fluxul magnetic care leagă înfășurările primare și secundare se deplasează în întregime în interiorul miezului, fără pierderi de flux magnetic prin aer. În construcția transformatorului de tip miez, o jumătate din fiecare înfășurare este înfășurată în jurul fiecărui picior (sau membru) al circuitului magnetic al transformatorului, așa cum se arată mai sus.

Înfășurările nu sunt dispuse cu înfășurarea primară pe un picior și cea secundară pe celălalt, ci, în schimb, jumătate din înfășurarea primară și jumătate din înfășurarea secundară sunt plasate una peste alta concentric pe fiecare picior, pentru a crește cuplajul magnetic, permițând practic tuturor liniilor de forță magnetică să treacă prin ambele înfășurări, primară și secundară, în același timp. Cu toate acestea, cu acest tip de construcție a transformatorului, un mic procent din liniile de forță magnetică circulă în afara miezului, iar acest lucru se numește „flux de scurgere”.

Miezurile transformatoarelor de tip coajă depășesc acest flux de scurgere, deoarece ambele înfășurări, primară și secundară, sunt înfășurate pe același picior sau ramură centrală, care are o suprafață de secțiune transversală dublă față de cele două ramuri exterioare. Avantajul în acest caz este că fluxul magnetic are două căi magnetice închise pentru a circula în jurul exteriorului bobinelor, atât pe partea stângă cât și pe partea dreaptă, înainte de a se întoarce înapoi la bobinele centrale.

Aceasta înseamnă că fluxul magnetic care circulă în jurul membrelor exterioare ale acestui tip de construcție a transformatorului este egal cu Φ/2. Deoarece fluxul magnetic are un traseu închis în jurul bobinelor, acest lucru are avantajul de a diminua pierderile în miez și de a crește randamentul general.

Laminarea transformatoarelor

Dar poate vă întrebați cum sunt înfășurate înfășurările primare și secundare în jurul acestor miezuri laminate din fier sau oțel pentru acest tip de construcții de transformatoare. Bobinele sunt înfășurate în primul rând pe un formator care are o secțiune transversală de tip cilindric, dreptunghiular sau oval pentru a se potrivi construcției miezului laminat. Atât la construcțiile de transformatoare de tip carcasă, cât și la cele de tip miez, pentru a monta înfășurările bobinelor, laminările individuale sunt ștanțate sau perforate din foi de oțel mai mari și formate în benzi de oțel subțire care seamănă cu literele „E”, „L”, „U” și „I”, așa cum se arată mai jos.

Tipuri de miez de transformator

Aceste laminări ștanțate, atunci când sunt conectate împreună, formează forma necesară a miezului. De exemplu, două ștanțe „E” plus două ștanțe „I” de închidere a capetelor pentru a obține un miez E-I care formează un element al unui miez de transformator standard de tip cochilie. Aceste laminări individuale sunt strâns lipite între ele în timpul construcției transformatoarelor pentru a reduce reluctanța întrefierului la îmbinări, producând o densitate de flux magnetic foarte saturată.

Laminările miezului de transformator sunt de obicei stivuite alternativ una față de cealaltă pentru a produce o îmbinare suprapusă, mai multe perechi de laminări fiind adăugate pentru a forma grosimea corectă a miezului. Această suprapunere alternată a laminelor conferă transformatorului și avantajul reducerii pierderilor de flux și a pierderilor de fier. Construcția transformatoarelor cu miez laminat E-I este folosită mai ales la transformatoarele de izolare, transformatoarele de creștere și descreștere a tensiunii, precum și la transformatoarele auto.

Dispoziții de înfășurare a transformatorului

Înfășurările transformatorului formează o altă parte importantă a construcției unui transformator, deoarece acestea sunt principalele conductoare purtătoare de curent înfășurate în jurul secțiunilor laminate ale miezului. Într-un transformator monofazat cu două înfășurări, vor fi prezente două înfășurări, așa cum se arată. Cea care este conectată la sursa de tensiune și care creează fluxul magnetic numită înfășurare primară, iar cea de-a doua înfășurare numită secundară în care este indusă o tensiune ca urmare a inducției reciproce.

Dacă tensiunea de ieșire secundară este mai mică decât cea a tensiunii de intrare primare, transformatorul este cunoscut sub numele de „transformator coborâtor de tensiune”. Dacă tensiunea secundară de ieșire este mai mare decât cea de intrare primară, se numește „transformator ridicător de tensiune”.

Tipul de fir utilizat ca principal conductor care transportă curentul în înfășurarea unui transformator este fie de cupru, fie de aluminiu. În timp ce firul de aluminiu este mai ușor și, în general, mai puțin costisitor decât firul de cupru, trebuie utilizată o secțiune transversală mai mare a conductorului pentru a transporta aceeași cantitate de curent ca și în cazul cuprului, astfel încât acesta este utilizat în principal în aplicațiile transformatoarelor de putere mai mari.

Transformatoarele de putere și tensiune de kVA mici utilizate în circuitele electrice și electronice de joasă tensiune tind să utilizeze conductoare de cupru, deoarece acestea au o rezistență mecanică mai mare și o dimensiune mai mică a conductorului decât tipurile echivalente de aluminiu. Dezavantajul este că, atunci când sunt complete cu miezul lor, aceste transformatoare sunt mult mai grele.

Înfășurările și bobinele transformatoarelor pot fi clasificate, în linii mari, în bobine concentrice și bobine sandwiched. În construcția transformatoarelor cu miez, înfășurările sunt de obicei dispuse concentric în jurul membrului miezului, așa cum se arată mai sus, înfășurarea primară de tensiune mai mare fiind înfășurată peste înfășurarea secundară de tensiune mai mică.

Înfășurările sandwichedate sau „clătite” constau din conductoare plate înfășurate în formă de spirală și sunt denumite astfel datorită dispunerii conductoarelor în discuri. Discurile alternative sunt realizate în spirală dinspre exterior spre centru într-un aranjament intercalat, bobinele individuale fiind stivuite împreună și separate de materiale izolatoare, cum ar fi hârtia sau foaia de plastic. Bobinele și înfășurările de tip sandwich sunt mai frecvente în cazul construcției cu miez de tip carcasă.

Înfășurările elicoidale, cunoscute și sub numele de înfășurări cu șuruburi, sunt un alt aranjament de bobine cilindrice foarte frecvent utilizat în aplicațiile transformatoarelor de joasă tensiune și curent ridicat. Înfășurările sunt alcătuite din conductori dreptunghiulari cu secțiune transversală mare, înfășurați pe partea sa laterală, cu toroane izolate înfășurate în paralel în mod continuu de-a lungul cilindrului, cu distanțiere adecvate inserate între spirele sau discurile adiacente pentru a minimiza curenții de circulație între toroane paralele. Bobina progresează spre exterior sub forma unei spirale asemănătoare cu cea a unui tirbușon.

Insolarea folosită pentru a preveni scurtcircuitarea conductoarelor într-un transformator este de obicei un strat subțire de lac sau de smalț în transformatoarele răcite cu aer. Acest lac subțire sau vopsea de smalț este vopsit pe fir înainte ca acesta să fie înfășurat în jurul miezului.

În transformatoarele de putere și de distribuție mai mari, conductorii sunt izolați unul față de celălalt folosind hârtie sau pânză impregnată cu ulei. Întregul miez și înfășurările sunt scufundate și sigilate într-un rezervor de protecție care conține ulei de transformator. Uleiul de transformator acționează ca un izolator și, de asemenea, ca un agent de răcire.

Orientarea punctelor transformatorului

Nu putem pur și simplu să luăm un miez laminat și să înfășurăm în jurul lui una dintre configurațiile de bobine. Am putea, dar am putea constata că tensiunea și curentul secundar pot fi defazate față de cele ale tensiunii și curentului primar. Cele două înfășurări ale bobinelor au o orientare distinctă a uneia față de cealaltă. Oricare dintre bobine ar putea fi înfășurată în jurul miezului în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers, astfel încât pentru a ține evidența orientărilor lor relative se folosesc „puncte” pentru a identifica un anumit capăt al fiecărei înfășurări.

Această metodă de identificare a orientării sau a direcției înfășurărilor unui transformator se numește „convenția punctelor”. Apoi, înfășurările unui transformator sunt înfășurate astfel încât să existe relații de fază corecte între tensiunile înfășurărilor, polaritatea transformatoarelor fiind definită ca fiind polaritatea relativă a tensiunii secundare în raport cu tensiunea primară, așa cum se arată mai jos.

Construcția transformatoarelor folosind orientarea prin puncte

Primul transformator prezintă cele două „puncte” alăturate pe cele două înfășurări. Curentul care părăsește punctul secundar este „în fază” cu curentul care intră în punctul din partea primară. Astfel, polaritățile tensiunilor de la capetele punctelor sunt, de asemenea, în fază, astfel încât atunci când tensiunea este pozitivă la capătul punctat al bobinei primare, tensiunea pe bobina secundară este, de asemenea, pozitivă la capătul punctat.

Cel de-al doilea transformator prezintă cele două puncte la capetele opuse ale înfășurărilor, ceea ce înseamnă că înfășurările bobinelor primare și secundare ale transformatorului sunt înfășurate în sensuri opuse. Rezultatul este că curentul care părăsește punctul secundar este cu 180o „defazat” față de curentul care intră în punctul primar. Astfel, polaritățile tensiunilor de la capetele punctelor sunt, de asemenea, defazate, astfel încât, atunci când tensiunea este pozitivă la capătul punctat al bobinei primare, tensiunea la nivelul bobinei secundare corespunzătoare va fi negativă.

Atunci, construcția unui transformator poate fi de așa natură încât tensiunea secundară poate fi fie „în fază”, fie „defazată” față de tensiunea primară. În cazul transformatoarelor care au mai multe înfășurări secundare diferite, fiecare dintre acestea fiind izolată electric una de cealaltă, este important să se cunoască polaritatea punctuală a înfășurărilor secundare, astfel încât acestea să poată fi conectate împreună în configurații de tip „serie-ajutor” (tensiunea secundară este însumată) sau „serie-opoziție” (tensiunea secundară este diferența).

Capacitatea de a regla raportul de înfășurare al unui transformator este adesea de dorit pentru a compensa efectele variațiilor tensiunii primare de alimentare, ale reglării transformatorului sau ale variației condițiilor de sarcină. Controlul tensiunii transformatorului se realizează, în general, prin modificarea raportului de spire și, prin urmare, a raportului de tensiune al acestuia, prin care o parte a înfășurării primare de pe partea de înaltă tensiune este deconectată, permițând o reglare ușoară. Se preferă taparea pe partea de înaltă tensiune, deoarece volții pe spire sunt mai mici decât pe partea secundară de joasă tensiune.

Schimbări de priză primară a transformatorului

În acest exemplu simplu, schimbările de priză primară sunt calculate pentru o variație a tensiunii de alimentare de ±5%, dar se poate alege orice valoare. Unele transformatoare pot avea două sau mai multe înfășurări primare sau două sau mai multe înfășurări secundare pentru a fi utilizate în diferite aplicații care furnizează tensiuni diferite de la un singur miez.

Pierderi în miezul transformatorului

Capacitatea fierului sau a oțelului de a transporta fluxul magnetic este mult mai mare decât în aer, iar această capacitate de a permite fluxul magnetic să circule se numește permeabilitate. Majoritatea miezurilor de transformator sunt construite din oțeluri cu conținut scăzut de carbon care pot avea permeabilități de ordinul a 1500, comparativ cu doar 1,0 pentru aer.

Aceasta înseamnă că un miez laminat din oțel poate transporta un flux magnetic de 1500 de ori mai bine decât cel din aer. Cu toate acestea, atunci când un flux magnetic circulă într-un miez de oțel al unui transformator, apar două tipuri de pierderi în oțel. Una denumită „pierderi prin curenți turbionari” și cealaltă denumită „pierderi prin histerezis”.

Pierderi prin histerezis

Pierderile prin histerezis ale transformatorului sunt cauzate de frecarea moleculelor împotriva fluxului de linii de forță magnetice necesare pentru magnetizarea miezului, care își schimbă în mod constant valoarea și direcția, mai întâi într-o direcție și apoi în cealaltă, datorită influenței tensiunii de alimentare sinusoidale.

Acest frecare moleculară determină dezvoltarea de căldură care reprezintă o pierdere de energie pentru transformator. Pierderea excesivă de căldură poate scurta peste timp durata de viață a materialelor izolatoare utilizate la fabricarea înfășurărilor și a structurilor. Prin urmare, răcirea unui transformator este importantă.

De asemenea, transformatoarele sunt proiectate să funcționeze la o anumită frecvență de alimentare. Scăderea frecvenței de alimentare va duce la creșterea histerezisului și la creșterea temperaturii în miezul de fier. Astfel, reducerea frecvenței de alimentare de la 60 Hertz la 50 Hertz va crește cantitatea de histerezis prezentă, a scăzut capacitatea VA a transformatorului.

Pierderi de curenți turbionari

Pierderile de curenți turbionari ale transformatorului, pe de altă parte, sunt cauzate de fluxul de curenți circulanți induși în oțelul cauzat de circulația fluxului magnetic în jurul miezului. Acești curenți circulanți sunt generați deoarece față de fluxul magnetic miezul se comportă ca o singură buclă de sârmă. Deoarece miezul de fier este un bun conductor, curenții turbionari induși de un miez de fier masiv vor fi mari.

Curenții turbionari nu contribuie cu nimic la utilitatea transformatorului, dar în schimb se opun fluxului de curent indus acționând ca o forță negativă care generează încălzire rezistivă și pierderi de putere în interiorul miezului.

Laminarea miezului de fier

Pierderile de curenți turbionari în interiorul unui miez de transformator nu pot fi eliminate complet, dar ele pot fi mult reduse și controlate prin reducerea grosimii miezului de oțel. În loc de a avea un singur miez mare și solid de fier ca material magnetic al miezului transformatorului sau al bobinei, calea magnetică este împărțită în mai multe forme subțiri de oțel presat numite „laminări”.

Laminările folosite în construcția unui transformator sunt benzi foarte subțiri de metal izolat îmbinate împreună pentru a produce un miez solid, dar laminat, așa cum am văzut mai sus. Aceste laminări sunt izolate unele de altele printr-un strat de lac sau de hârtie pentru a crește rezistivitatea efectivă a miezului, mărind astfel rezistența generală pentru a limita fluxul curenților turbionari.

Rezultatul tuturor acestor izolații este că pierderile de putere induse de curenții turbionari nedoriți în miez sunt mult reduse și, din acest motiv, circuitul de fier magnetic al fiecărui transformator și al altor mașini electromagnetice sunt toate laminate. Utilizarea laminațiilor în construcția unui transformator reduce pierderile de curenți turbionari.

Pierderile de energie, care apar sub formă de căldură atât din cauza histerezisului, cât și a curenților turbionari din calea magnetică, sunt cunoscute în mod obișnuit sub denumirea de „pierderi în miezul transformatorului”. Deoarece aceste pierderi apar în toate materialele magnetice ca urmare a câmpurilor magnetice alternative. Pierderile în miezul transformatorului sunt întotdeauna prezente într-un transformator ori de câte ori primarul este alimentat, chiar dacă la înfășurarea secundară nu este conectată nicio sarcină. De asemenea, aceste pierderi de histerezis și pierderile prin curenți turbionari sunt uneori denumite „pierderi în fierul transformatorului”, deoarece fluxul magnetic care cauzează aceste pierderi este constant la toate sarcinile.

Pierderi de cupru

Dar mai există și un alt tip de pierderi de energie asociate transformatoarelor, numite „pierderi de cupru”. Pierderile de cupru ale transformatoarelor se datorează în principal rezistenței electrice a înfășurărilor primare și secundare. Majoritatea bobinelor transformatoarelor sunt realizate din sârmă de cupru care are o rezistență în Ohmi, ( Ω ). Această rezistență se opune curenților magnetizanți care trec prin ele.

Când o sarcină este conectată la înfășurarea secundară a transformatoarelor, în ambele înfășurări, primară și secundară, curg curenți electrici mari, pierderile de energie electrică și putere ( sau I2 R ) se produc sub formă de căldură. În general, pierderile de cupru variază în funcție de curentul de sarcină, fiind aproape zero la gol și la un maxim la sarcină maximă, când fluxul de curent este maxim.

Capacitatea VA a unui transformator poate fi crescută printr-o proiectare mai bună și o construcție mai bună a transformatorului pentru a reduce aceste pierderi în miez și cupru. Transformatoarele cu valori nominale mari de tensiune și curent necesită conductori cu secțiune transversală mare pentru a contribui la minimizarea pierderilor de cupru ale acestora. Creșterea ratei de disipare a căldurii (o răcire mai bună) prin aer forțat sau ulei sau prin îmbunătățirea izolației transformatoarelor, astfel încât să reziste la temperaturi mai ridicate, poate, de asemenea, să crească valoarea VA a unui transformator.

Atunci putem defini un transformator ideal ca având:

• Nici bucle de histerezis sau pierderi de histerezis → 0
• Rezistența infinită a materialului miezului care dă zero pierderi de curent Foucault → 0
• Rezistența nulă a înfășurării care dă zero pierderi de cupru I2*R → 0

În următorul tutorial despre transformatoare ne vom uita la Încărcarea transformatorului de la înfășurarea secundară în raport cu o sarcină electrică și vom vedea efectul pe care îl are un „NO-„.sarcină” și un transformator conectat la „ON-load” are asupra curentului înfășurării primare.