Calculul Electromagnetic al unui Transformator

Transformatorul electric este o construcţie electrotehnică destinată transformării unui sistem de curenţi variabili în unul sau mai multe sisteme de curenţi variabili având intensităţi sau tensiuni în general diferite, dar de aceeaşi frecvenţă. Această construcţie efectuează un transfer de putere electrică, de la o sursă de curent alternativ, cu anumiţi parametri, spre un receptor pentru care parametrii puterii sunt de obicei diferiţi.

La baza funcţionării transformatorului stă legea inducţiei electromagnetice (a tensiunii induse) conform căreia un curent electric variabil creează un flux variabil care induce în înfăşurările, a căror suprafaţă o traversează, o tensiune de asemenea, variabilă. Fluxul variabil este produs de curentul înfăşurării primare, iar tensiunea indusă este obţinută în înfăşurări, de la bornele înfăşurării secundare putându-se alimenta un receptor. În condiţii normale de funcţionare se consideră tensiunea aplicată înfăşurării primare de amplitudine (valoarea efectivă) constantă iar frecvenţa tensiunii primare (sau curentului), de asemenea constantă, f1. Frecvenţa tensiunii obţinute în înfăşurarea secundară este, evident f1.

Transformatoarele în ulei este acele tipuri de transformatoare la care părţile active sunt plasate într-o baie de ulei care realizează răcirea prin convecţie, adică, uleiul, în contact cu transformatorul, transferă căldura spre pereţii unei cuve prevăzute cu radiatoare sau ţevi.

Elemente de bază pentru proiectarea transformatorului:

Mărimile electrice de bază.

În cazul unui transformator pe plăcuţa indicatoare datorită normelor în vigoare se trec valorile mărimilor de linie (tensiune, curent), prin urmare şi datele din tema de proiectare sunt tot mărimi de linie. Pentru proiectarea şi dimensionarea unui transformator trifazat se utilizează mărimile electrice de fază, prin urmare, din datele iniţiale, în funcţie de grupa de conexiuni ale înfăşurărilor transformatorului se deduc aceste mărimi.

În cazul înfăşurărilor conectate în stea relaţiile sunt:

;

În cazul înfăşurărilor conectate în triunghi relaţiile sunt:

Izolaţia principală a transformatorului în ulei

17 Distanţe minime de izolaţie pentru înfăşurările de joasă tensiune – JT în mm Tabel 1

SN[kVA] Uînc[kV] loj oj acj aoj lcj

20-100 5 15 - - 4 -

160-800* 5* loj = loi Carton 2x0,5 5

1000-2500 5 Ca la IT 4 6 15 18

20-500 16,22,28 4 6 12 25

630-1600 16,22,28 4 6 15 25

>1600 16,22,28 4 8 17,5 25

 630 38 5 10 20 30

 630 50 5 13 23 45

 630 80 6 19 30 60

b) Distanţe minime de izolaţie pentru înfăşurările de joasă tensiune – ÎT în mm

Izolaţia principală a transformatorului.

Pentru o coordonare cât mai eficientă a izolaţiei, la înfăşurările cu bobine concentrice, înfăşurarea cu tensiunea mai joasă (j.t.) şi un nivel de izolare scăzut, se aşează în interior iar cea de înaltă tensiune (î.t.), către exterior.

Valorile acestor distanţe de izolaţie pentru transformatoarele în ulei, se dau în tabel.

Tabla electrotehnică şi solicitările magnetice utilizate în construcţia transformatorului.

Miezurile transformatoarelor sunt formate din pachete de tole (aliaje din Fe-Si cu 2,8-4,8% Si), tăiate din tablă electrotehnică la cald sau la rece. Pentru transformatoarele trifazate se foloseşte tabla laminată la rece, cu cristale orientate, deoarece respectă condiţia ca liniile de câmp să se închidă pe direcţia de laminare a materialului. Izolarea se face pe ambele feţe cu peliculă de silicaţi de magneziu, în aşa fel încât coeficienţii de umplere a fierului (în secţiune transversală a pachetului) sunt: 0,95-0,96. Alierea cu Si conduce la creşterea rezistivităţii şi la diminuarea pierderilor în fier prin curenţii turbionari ai materialului.

Valorile utilizate pentru inducţia în coloanele transformatoarelor de putere, cu răcire în ulei, sunt cuprinse între 1,3 T şi 1,7 T pentru tablele laminate la rece cu cristale orientate. Pentru sortul de tablă folosit este foarte importantă valoarea pierderilor specifice în funcţie de inducţie, valori prezentate în anexa 9.

În general, la transformatoarele mici cu puteri sub 5 kVA valorile inducţiilor din coloană se aleg către limitele inferioare sau sub aceste limite, pentru a nu creşte prea mult curentul la funcţionarea în gol.

Valorile inducţiei magnetice maxime în coloană Bc, a păturii de curent A şi a densităţii de curent J, pentru transformatoare cu înfăşurări din cupru.

Tabel 2

Categoria mici Mijlocii şi mari

Răcirea cu aer cu ulei

SN[kVA]  1 1-5 5-10 10-50 50-100 100-1000 1600-10000 >10000

Bc[T] 1-1,1 1,2-1,35 1,25-1,4 1,45-1,6 1,55-1,65 1,65-1,7 1,67-1,71 1,68-1,73

A[A/cm] 80-120 150-180 175-210 200-250 220-300 250-400 400-600 500-750

J[A/mm2] 2,5-3 2,2-2,5 2,3-2,7 2,3-3,0 2,4-3,2 2,5-3,3 2,6-3,5 3,2-4,2

Notă:

1. La transformatoare mici valoarea inducţiei magnetice Bc este indicată pentru cazul când miezul feromagnetic se confecţionează din tablă laminată la rece cu cristale neorientate, cu grosimea de 0,5 mm; în celelalte cazuri se consideră tablă laminată la rece cu cristale orientate groasă de 0,3 mm.

2. Pentru transformatoarele în ulei cu înfăşurări din aluminiu, densitatea de curent J se ia mai mică cu 30-40% faţă de cea din tabel, pentru puterea respectivă, adică JAl(ulei) (0,6-0,7) JCu (ulei)

3. Pentru transformatoarele mijlocii, cu înfăşurări din cupru şi răcire cu aer (uscate), se recomandă pentru densitatea de curent următoarele limite:

JCu(aer) (0,5-0,6) JCu (ulei)

pentru cazul în care transformatorul uscat are înfăşurările în clasa de izolaţie A;

JCu(aer) JCu (ulei)

pentru cazul în care transformatorul uscat are înfăşurările în clasa de izolaţie F (prin JCu(ulei) se înţeleg valorile din tabel)