PROIECTAREA TRANSFORMATORULUI DE MICA PUTERE

PROIECTAREA TRANSFORMATORULUI DE MICA PUTERE

Cuprins:

n        Principiul de functionare si elemente constructive .

n        Claificarea transformatoarelor (dupa destinatie , nr. faze , nr. infasurari).

n        Tehnologia de realizare a unui transformator de retea monofazic de mica putere.

n        Proiectarea transformatorului de retea dupa datele date

Date:

n        tensiunea īn primar U₁=220 V;

n        frecventa retelei f=50 Hz;

n        inductia magnetica maxima Bmax=1 T;

n        numar infasurari secundar: 2

U₂₁=40 V ( I₂₁= 0,6 A);

U₂₂=4 V ( I₂₂=0,7 A);

n        tipul bobinajului : cu izolatie īntre straturi ;

Introducere

Producerea energiei eletrice se realizeaza īn centrale electrice , prin transformarea unei alte forme de energie (energia chimica a combustibililor , enegia potentiala a apelor , energia atomica , energia eoliana etc.). De la centrale , energia electrica este transportata pe linii electrice pana īn apropierea de marii consumatori (orase , platforme industriale etc.) , de unde este distribuita la statii de transformare situate cāt mai aproape de centrele de greutate ale marilor consumatori . De la aceste statii se alimenteaza posturile de transformare , unde se gasesc racordurile la tablourile de alimentare a receptoarelor.

Aici intervin transformatoarele : ele transforma tensiunea de la resea (220V) in alte tensiuni mai mici la care se alimenteaza diferitele aparate casnice sau industriale. Transformatoarele pot fi :

coborātoare de tensiune

ridicatoare

rolul transformatorelor electrice

Transformatorul electric este un aparat electromagnetic constituit din doua sau mai multe infasurari imobile , intre care au loc un transfer de energie electrica si care modifica parametrii puterii electromagnetice transferate de la o retea primara de curent alternativ la o retea secundara tot de curent alternativ . Mai departe curentul alternativ este tr 626h79g ansformat in curent continuu cu ajutorul unor dispozitive denumite redresoare electrice.

In procesul de producere , transport si distributie a energiei electrice se folosesc tensiuni optime din punct de vedere tehnic si economic . Altfel , se folosesc tensiuni medii la generatoarele din centralele electrice, tensiuni īnalte pe liniile de transport si tensiuni joase pentru distributia la consumatori .

Transformatorul are rolul de transforma parametrii energiei electrice de curent alternativ (tensiunea, intensitatea curentului si uneori numarul de faze) dupa necesitati.

Clasificarea transformatoarelor electrice:

Dupa domeniul de utilizare :

transformatore de putere, pentru retelele de transport si distributie a energiei electrice ;

transformatoare de mica putere, cum sunt transformatoarele de siguranta, de izolare, de separare, de comanda, de alimentare etc. ;

transformatoare cu destinatie speciala, pentru retele cu conditii deosebite de functionare , de exemplu , pentru retele si instalatii subterane miniere , navale etc.;

transformatoare cu constructie speciala, de exemplu, pentru redresoare, pentru cuptoare electrice, pentru sudare etc. ;

transformatoare de masura, pentru conectarea indirecta a aparatelor de masura la tensiuni si curenti mari;

Dupa numarul de faze :

monofazate;

polifazate ( īntre acestea ,transformatorele trifazate sunt cele mai utilizate);

Dupa modul de racire :

transformatoare uscate, a caror parte activa se afla īntr-un dielectric solid (rasina, nisip) sau sunt racite cu un gaz.Cānd gazul de racire este aerul se numesc transformatoare īn aer , racirea facāndu-se fie prin circulatia naturala a aerului fie prin circulatie fortata cu ajutorul unui ventilator;

transformatoare īn ulei, care sunt cele mai utilizate. Partea activa a transformatorului (miezul si īnfasurarile) este cufundata in ulei special de transformator , īntr-o cuva de tabla prevazuta la exterior cu elemente de racire (ondule, tevi sau radiatoare) .Uleiul are rol de izolant dielectric si de agent de racire , transportānd caldura de la elementele active la elementele de racire. Circulatia uleiului poate fi naturala (datorita diferentei de densitate a uleiului rece de la fundul cuvei fata de uleiul cald din partea superioara) sau fortata ,cu ajutorul unei pompe. Racirea suprafetei exterioare a elementelor de racire poate fi cu circulatie naturala a aerului, cu cu circulatie fortata prin suflare cu aer , sau cu apa.

Constructia transformatoarelor :

La transformatoarele de putere (ex. tr.de putere trifazat in ulei), partile componente sunt:

circuitul magnetic;

īnfasurarile(cea de joasa si cea de īnalta tensiune);

schela;

cuva din tabla de otel;

comutatorul de prize;

conexiunile de la infasurari la comutator si borne;

capac,care īnchide etans cuva;

conservatorul de ulei;

alte parti anexe: filtru de aer, releu de gaze, termometru etc.

La transformatoarele de mica putere , partile componente sunt:

carcasa electroizolanta;

bobinaj;

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

sistem de strāngere a miezului magnetic si de fixare a transformatorului de sasiul aparatului electronic( tr. cu manta sau cu prezoane);

Fig.1 Transformator cu Fig2. Transformator cu

Tipurile si caracteristicile transformatoarelor mici:

Aceasta grupa cuprinde transformatoarele uscate, monofazice si trifazate cu puteri nominale īntre 16 VA si 10 kVA. Printre acestea, cele mai importante tipuri sunt :

transformatorul de separare, care alimenteaza un singur consumator cu tensiune avānd valoarea aproximativ egala cu cea a tensiunii retelei si realizānd ca masura de protectie separarea electrica a consumatorului de retea;

transformatorul de comanda, care are o infasurare primara si una sau mai multe īnfasurari secundare, separate īntre ele , destinat alimentarii circuitelor de comanda ale instalatiilor electrice de automatizare si care realizeaza separarea electrica a circuitelor de comanda fata de retea

transformatorul de alimentare, destinat racordarii la retea a receptorelor, a amplificatoarelor, aparatelor de telecomunicatii, redresoarelor etc. El are una sau mai multe īnfasurari secundare, dintre care una poate fi pentru o tensiune mai mare decāt cea de la retea;

transformatorul de izolare, folosit pentru transmisia de energie intre retea si un aparat avānd potentiale foarte diferite, tensiunea de izolare fiind determinata nu numai de tensiunea nominala a transformatorului (de exemplu, transformator pentru tuburi R ntgen);

transformatoare de siguranta, pentru racordarea la retea a unor consumatori mici (unelte de māna, lampi portabile, aparate medicale etc.) cu o tensiune mica, ca masura īmpotriva tensiunii de atingere periculoase. La transformatoarele monofazate tensiunea secundara nu depaseste 50V, iar la transformatoarele trifazate 34V(intre faza si nul);

Din punctul de vedere al protectiei īmpotriva tensiunilor de atingere periculoase, transformatoarele mici se īmpart in:

transformatoare de clasa I de protectie, care au cel putin o izolatie functionala (izolatia intre infasurari si īntre infasurari si miez), o borna pentru legarea la nulul de protectie si o borna pentru legarea la pamānt;

transformatoare de clasa a-II-a de protectie, care au partile metalice accesibile, daca exista, separate de partile care pot fi puse sub tensiune īn cazul unui defect al izolatiei functionale (de exemplu, miezul) printr-o izolatie suplimentara numita izolatie de protectie.

Transformatorul de mica putere :

din tabla de ferosiliciu(STAS 673-60) , prin stantare īn matrita;

b) tratamentul termic al stantate (recoacerea la temperatura de cca. 850 ⁰C, urmata de racirea lenta), pentru detensionare mecanica si refacerea proprietatilor magnetice, afectate de procesul de prelucrare mecanica;

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

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

bobinarea transformatoarelor de retea se poate realiza, īn functie de cerintele tehnico-economice impuse, in doua tehnici:

1) īnfasurarea primara;

2) se introduc consecutiv doua straturi de folie de izolatie "trafo" (hartie speciala parafinata sau folie de poliester, cu grosimea de 30 m);

3) prima īnfasurare secundara, urmata de introducerea unui strat de izolatie, etc.;

4) īntreaga bobina se mai izoleaza in final si la exterior.

100 ⁰C, timp de cca. 1 ora.

Obsevatie:

10^-2 toor (pentru eliminarea urmelor de apa, de pe bobinaj si din hartia de izolatie trafo), dupa care se introduce impregnantul respectiv.

g) 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:

grosimea tolelor este si ea standardizata la valorile g₁=0,35mm si respectiv, g₂=0,5mm .

a²[mm]

sectiunea in fier S_Fe[cm²]-reprezinta aria sectiunii miezului magnetic situat in interiorul carcasei bobinate, figura 2a .Marimea sa :

a[mm] b[mm]

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

y = =

Pentru ca un transformator de retea sase poata realiza usor in productia de serie, valoarea optima pentru factorul de umplere este y₀=0,7 dar, in general se poate accepta o valoare y

Date initiale de proiectare:

valoarea efectiva a tensiunii din primar, reprezentand de regula, tensiunea retelei monofazice, de curent alternativ (110V sau 220V);

n_2k - numarul de spire din infasurarea secundara;

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

d_2k[mm] - diametrul conductorului de bobinaj, din infasurarea secundara;

a[mm] - tipul de tola STAS cese utilizeaza astfel incat , y_STAS

b[mm] - grosimea pachetului de tole;

N - numarul de tole necesar;

Metodologia_de proiectare:

I_2k

b) se calculeaza puterea absorbita in primar, P₁[W] , pentru un randament al transformatorului estimat la m

P₁[W] = = = 1,176 P₂[W]

Observatie:

Intr-un transformator de retea real exista pierderi prin magnetizare (histerezis) si prin cureti turbionari (Focault) 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, pirderile prin magnetizare se pot aprecia la cca. 8%, piederile prin curenti turbionari la cca. 2% si piederile prin efect Joule la cca. 5%, deci un total de pierderi estimat la cca.15%, ceea ce justifica randamentul de mai sus.

S_fe[cm²] = 1,2

n₀ =

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

U_max = -n, dar f_max=B_max S_Fe ,iar U_max= U_ef

In regim permanent armonic(sinusoidal), derivarea unei marimi este echivalenta cu inmultirea acesteia cu w pf, astfel se obtine:

U_ef = 2 p n B_max S_Fe ,de unde n₀ = are expresia:

n₀ = =

Pentru f=50Hz, B_M=B_max=1,2T si S_Fe relati de mai sus devine:

n₀[sp/V] = =

Cifra teoretica de mai sus ,38, se majoreaza la valoarea 45 48, intrucat miezul magnetic nu trebuie sa ajunga la saturatie nici la tensiunea de 242V (220+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.60 ⁰C) 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=0,8 1,2T

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

n₁=n₀ U₁

Observatie:

Valoarea rezultata n₁ se rotunjeste, prin adaos, la urmatoarea valoare intreaga.

f) se determina numarul de spire din secundarul k, n_K2 , cu relatia:

n_K2=1,1 n₀ U_2K

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 rezultanta pentru n_K2 , se rotunjeste prin adaos, la urmatoarea valoare intreaga.

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

I₁[A] =

h) se dimensioneaza diametrele conductoarelor de bobinaj d₁[mm], pentru primar, respectiv d_2K[mm] , pentru secundarul k, cu relatia:

d_1;2K[mm] = 0.65

Observatie:

Relatia de mai sus s-a dedus pentru o desitate de curent maxim admisibila . Valoarea rezultata prin calcul pentru diametru conductorului, d_1;2K ,se rotunjeste prin adaos la valoarea standardizata, din tabelul urm. , dupa cum urmeaza:

- pentru d_1;2K 0,7 mm; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizata imediat inferiora, este 2,5%;

- pentru 0,7 d_1;2K 1mm; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizata imediat inferiora, este >5%;

- pentru d_1;2K>1mm ; numai daca depasirea de catre valoarea calculata a valorii standardizata imediat inferiora, este >10%;

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

A₁[cm²] = A₂[cm²] = =

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:

A_t[cm²] = A₁[cm²] + A₂[cm²]

k) se dimensioneaza tola necesara, respectiv se determina marimea parametrului a[mm] ,pentru un factor de umplere optim y₀=0,7 , cu relatia:

a[mm] = = 6,9

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 implineasca conditia:

y_STAS unde y_STAS =

tabelul 1

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

b[mm] =

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

N[tole] =

Observatie:

Numarul de tole obtinut N, se rotunjeste la valoarea intreaga prin adaos.

Proiectarea transformatorului de mica putere:

tipul bobinajului : cu izolatie intre straturi ;

- evaluam puterea din secundar :

P₂=U₂₁ I₂₁ + U₂₂ I₂₂ = 40 0.7 = 26.8 W

calculam puterea absorbita in primar pentru un randament h

P₁ = = = 31.5 W

determinam sectiunea miezului magnetic :

S_fe = 1,2 = 1,2 = 6.73 (cm²)

- calculez numarul de spire/V n₀ , necesar:

n₀ = = = sp/V;

n₀ pentru ca miezul magnetic nu trebuie sa ajunga la saturatie

n₀ = sp/V= 6.68 sp/V;

calculez numarul de spire din primar :

n₁ = n₀ U₁ = 6.68 220 = 1469.6 (spire) ,insa putem rotunji la 1470 spire pentru a putea fi retinut mai usor de operatorii masinii de bobinat ; toleranta fiind mai mica de 1

t = = 0,0003 <

calculez numarul de spire din fiecare infasurare secundara :

n₂₁ = 1,1 n₀ U₂₁ = 1,1 spire)

n₂₂ = 1,1 n₀ U₂₂ = 1,1 spire)

,dar vom lua prin rotunjire

spire)  

- evaluez curentul din primar :

I₁ = = = 0,143 [A]

- dimensionez conductoarele din primar si secundar:

d₁ = 0,65 = 0,245 mm

d₂₁ = 0,65 = 0,5 mm

d₂₂ = 0,65 = 0,54 mm

,dar voi alege

d₁=0,25 mm, d₂₁=0,5 mm, d₂₂=0,55 mm

- calculez ariile ocupate:

A₁== = 1,5 (cm²)

A₂== = 1,47 (cm²)

A_t =A₁+A₂=1,5+1,47=2,97 (cm²)

dimensionez tola :

a=6,9 =11.9 (mm) voi lua tole E12,5 (a_STAS=12.5 mm)

verific coeficientul de umplere , y_STAS :

y_STAS== = =0.645

y_STAS

- calculez grosimea pachetului de tole b[mm] :

b[mm] = == 26.92;

- calculez si numarul de tole :

N===76.9 (tole) ,dar voi lua prin adaos N=77 (tole);