~ 1 ~

1. GENERALITATI. ELEMENTE CONSTRUCTIVE GENERALE

Transformatorul electric este un aparat static de curent alternativ, cu

dou sau mai multe nfurri cuplate magnetic, care convertete energia

electric de la parametrii primari U1, I1 ai puterii electrice la ali parametrii

secundari U2, I2 la aceiai frecven. Funcionarea sa are la baz fenomenul de

inducie electromagnetic.

Cele mai importante elemente constructive ale transformatoarelor sunt:

miezul feromagnetic (circuitul magnetic);

nfurrile;

schela (ansamblul de piese, n principal grinzile de presare a jugurilor;

consolideaz circuitul magnetic i strnge axial nfurrile);

construcia metalic;

accesoriile.

In figura 1este reprezentat un transformator de putere trifazat mpreuna

cu elementele sale constructive generale.

1 - termometru;

2 - izolator de nalt

tensiune;

3 - izolator de joas tensiune;

4 i 6 - capace filetate (pentru

umplerea cuvei);

5 - indicator de nivel pentru

ulei;

7 - conservator de ulei;

8 - miez feromagnetic;

9 - nfurare de joas

tensiune;

10 - nfurare de nalt

tensiune;

11 - capac filetat (pentru

golirea cuvei);

12 cuv;

13 - evi de rcire.

~ 2 ~

2. DATELE DE PROIECTARE GENERALE

Datele de proiectare sunt impuse n funcie de puterea pe care trebuie s

o asigure transformatorul i de conditiile n care acesta va funciona (n

paralel cu alte transformatoare, caracterul reelei secundare, etc.).

Puterea nominal a transformatorului este puterea aparent la bornele

circuitului secundar, exprimat n kVA, pentru care nu sunt depite

limitele de nclzire.

Tensiunea nominal primar este tensiunea care trebuie aplicat la

bornele de alimentare ale nfurrii primare a tranformatorului n

regimul su nominal de funcionare.

Tensiunea nominal secundar, la transformatoarele cu puteri peste 10

kVA, este tensiunea care rezult la bornele nfurrii secundare atunci

cnd transformatorul funcioneaz n gol i se aplic primarului

tensiunea nominal primar. La transformatoarele mici, cu puteri sub

10 kVA, teniunea nominal este cea corespunztoare curentului

secundar nominal.

Frecvena nominal a transformatorului, n condiii normale, se

consider frecvena de 50 Hz. n cazuri speciale, frecvena se specific

prin caiete de sarcin cu mrime nominal de baz.

Pierderile n fier (miezul magnetic): sunt pierderi independente de

sarcina care trece prin transformator; ele sunt ns proporionale cu

ptratul tensiunii aplicate transformatorului.

Pierderile n bobinaje: sunt pierderi proporionale cu ptratul sarcinii

care trece prin transformator.

~ 3 ~

3. TEMA DE PROIECT

Se va dimensiona un transformator electric trifazat n ulei avnd

urmtoarele date:

Puterea aparenta nominal: Sn = 110 [KVA]

Seciunea coloanei: qc=11.1* 10-3 [m2]

Tensiunea nominal pe partea de nalt tensiune: U1n(l)= 15 [KV]

Tensiunea nominal pe partea de joas tensiune: U2n(l) = 0.4 [KV]

Frecvena nominal: f= 50 [Hz]

Grupa de conexiuni (fig. 2): Y- z0- 5

Pierderile n fier: PFe= 380 [W]

Pierderile n bobinaj: pbn= 2300 [W]

Tensiunea de scurtcircuit nominal: USCn= 4.1 [%]

Miezul se realizeaz din tole laminate la rece caracterizate prin pierderi

specifice p10= 0.55 [W/ kg].

Infurrile se realizeaz din aluminiu.

Transformatorul se prevede pe partea de nalt tensiune cu prize i

comutator de reglare a tensiunii secundare de 5%.

Fig. 2

Marcarea bornelor stabilete urmtoarele reguli: la nfurrile de nalt

tensiune ale transformatoarelor se prescriu literele A, B, si C pentru

~ 4 ~

nceputurile lor i X, Y, Z pentru sfriturile acestora; la bornele nfurrilor

de joas tensiune se utilizeaz literele a, b,c respectiv x, y, z.

4. PARTILE CONSTRUCTIVE ALE TRANSFORAMTORULUI

Din punct de vedere constructiv transformatorul are dou pri

componente principale:

a) circuitul electric;

b) circuitul magnetic/ miezul.

Circuitul electric este format din doua nfurari (primar si secundar)

realizate din aluminiu, aeazate pe circuitul magnetic. Infurrile constituie

una din prile cele mai importante ale unui transformator. Transformatorul

trebuie calculat i executat astfel nct mrimile sale de baz (pierderile n

nfurri, tensiunea de scurtcircuit i nclzirile) s fie n concordan cu

valorile prescrise de norme. In acelai timp, nfurrile trebuie s asigure

transformatorului o rigiditate dielectric suficient precum i stabilitate

dinamic i termic mare, astfel nct s garanteze buna funcionare a

acestuia i la supratensiunile care apar n exploatare.

Circuitul magnetic sau miezul reprezint calea de nchidere a fluxului

magnetic principal al transformatorului, flux produs de solenaia de

magnetizare a nfurrii primare. Este format din tole laminate la rece izolate

ntre ele.

Miezul magnetic al transformatorului este alctuit din coloane i juguri.

Coloana transformatorului reprezint partea sistemului magnetic pe care sau

n jurul creia sunt dispuse nfurrile transformatorului. Jugul

transformatorului reprezint partea sistemului magnetic care servete la

nchiderea sistemului magnetic.

~ 5 ~

In figura 3 sunt reprezentate miezul magnetic de tip coloane i

nfurrile primare i secundare ale unui transformator electric trifazat.

Fig. 3

LFe= 3Lc +2Lj

5. ETAPE DE CALCUL

5.1. Se verific valorile factorului Cc cu relaia:

= 3

qc seciunea de fier a coloanei;

Valoarea factorului Cc trebuie s se ncadreze ntre urmtoarele valori

pentru tole laminate la rece:

~ 6 ~

Cc= 4 6 104 m2

12

qc= 11.1 103 [m2]; Sn= 110 103 [VA];

11.1 103= Cc 110 103

350 11.1 103= Cc 27.08

Cc= 0.41 103 = . m2

12

5.2. Se alege inducia magnetic n coloanele miezului:

Inducia magnetic n coloanele miezului are valori (pentru tole laminate

la rece) cuprinse n general ntre:

Bc= 1.55 1.75 [T]

Valoarea aleas: Bc= 1.65 [T]

5.3. Se calculeaz numrul de spire al nfurrii de joas tensiune:

- pentru conexiune zig- zag se aplic formula:

= 2

3

4.44

- se ine seama de faptul c =2 ()

3

~ 7 ~

Njt z= 2

3

0.4

3 103

4.44501.6511.1 103 = 65.6

Pentru ca nfurarea s se poata executa este necesar ca Njt z s fie

numr ntreg, iar deoarece conexiunea este de tip zig- zag, numrul de spire

trebuie s fie i par.

= 66 spire

5.4. Se recalculeaz valoarea induciei n coloan:

=2

3

U jt f

4.44fN jt z qc=

2

3

0.4

3 103

4.44506611.1 103= 1. 64 [T]

Obs. cu aceast valoare recalculat se va opera pe ntreg parcursul

proiectului.

5.5. Se stabilete diametrul cercului circumscris coloanei, care se execut n

trepte, cu ajutorul relaiei:

= 4

unde ine seama de creterea de sectiune datorit izolatiei dintre tole, iar

de faptul c seciunea n trepte ocup o arie mai mic dect cercul circumscris.

Valoarea lui se alege n funcie de numrul de trepte, respectiv de putere.

Astfel, avem urmtoarele valori:

= 0.91 ( 5 trepte, Sn < 200 [KVA]);

= 0.93 ( 6 trepte, Sn > 200 [ KVA]);

~ 8 ~

Valoarea lui depinde de natura izolaiei dintre tole; pentru izolaii folosite n prezent (lac pe baz de ulei, pelicula de sticl, etc.) valoarea lui este cuprins ntre 0.9 si 0.92. Alegem: = 0.91; = 0.91.

= 4

3.14

11.1 103

0.910.91 = 17.075 103 = 0.13 [m]

5.6. Se calculeaz lungimea ideal n fier:

=

unde: Fe - masa specific a tolelor de transformator (=7.6 103);

pc - pierderile specifice pe unitatea de mas a coloanei; acestea se

calculeaz cu relaia:

= 10 2

n care: p10 - pierderile specifice la IT (pentru tole laminate la rece: p10= 0.5 0.6 [W/kg]);

kFe- factorul care ine seama de creterea pierderilor n urma nrutirii calitii tolelor prin tantarea lor la dimensiunile necesare (kFe=

1.05 1.35).

pc= 1.2 0.55 (1.64)2= 1.78

= 380

11.1 103 7.6 1031.78= 2.53 [m]

~ 9 ~

5.7. Se calculeaz lungimea unei coloane cu relaia:

=

3+ 2

Valorile lui se aleg n mod obinuit ntre 1 1.8, iar are valori cuprinse ntre 1.05 1.35 (pentru transformatoare de putere mai mic tinde s ia valori spre limita superioar). Astfel, impunem urmtoarele valori:

= 1.4 ; = 1.35. Rezult valoarea lungimii coloanei:

= 2.53

3+ 21.4

1.35

= 0.5 [m]

5.8. Se calculeaz lungimea jugului cu relaia:

= = 1.4* 0.5= 0.7 [m]

5.9. Se calculeaz sectiunea jugului cu relaia:

= = 1.35 11.1 103= 14.99 [m]

5.10. Se calculeaz numrul de spire al nfurarii de nalt tensiune cu relaia:

=

4.44

~ 10 ~

i se rotunjeste la valoarea ntreag cea mai apropiat.

Nit z= 15

3 103

4.44501.6411.1 103 = 2142.94

Rotunjit =2143 spire

5.11. Se calculeaz raportul de transformare impus:

=

=

15

3 103

0.4

3 103

= 37.5

- se calculeaz raportul de transformare real corespunztor numerelor de

spire:

=

- deoarece conexiunea pe partea de joas tensiune este zig- zag, n relaia de

mai sus se introduce Njt = 3

2 Njt z ;

=

= 2143

3

2 66

= 37.4928

- se va verifica dac numerele de spire sunt corect determinate; pentru ca

aceast sarcin s fie ndeplinit trebuie respectat inegalitatea:

kk

k 100 < 0.5 %

~ 11 ~

kk

k 100 =

37.537.4928

37.5 100 = 0. 0192< 0. 5

5.12. Se calculeaz limea ferestrei:

3

2

= 0.7 3 0.131

2 = 0. 16 [m]

5.13. Se calculeaz suma limilor radiale ale celor dou nfurri:

1 + 2 = 2 3 24

2

~ 12 ~

Valoarile sumei limilor radiale trebuie s fie la transformatoarele cu

miez din tole laminate la rece si nfurri din Al, dup experiena UECP,

urmtoarele:

1 + 2 = 36 80 [mm],

valorile mai mici referindu- se la transformatoarele de putere mic, iar cele

mari la transformatoarele de puteri mari.

Valorile distanelor de izolaie sunt stabilite n tabelul 2.9. anexat la final,

astfel fiind impuse urmtoarele valori: = 17 [mm], 3= 10 [mm], 4= 15 [mm], S= 40 [mm].

+ =0.16 17 103 2 102 2 15 103

2=

0.160.0170.040.03

2

= 0.073

2= 0. 036 [m]

1 + 2 = 0.036

1 1 2 2

1=1.52 2.5 2= 0. 036 = . [m]

= . [m]

5.14. Se calculeaz nlimea bobinajului:

= 2

= 0.5 2 40 103

3= 0. 47 [m]

~ 13 ~

5.15. Se calculeaz seciunile de conductoare necesare pe pareta de IT,

respectiv JT cu relaiile:

1=3 1 1

2

( 1 +

2

)

2=3 2 2

2

( 1 + 2 )

n care: - I1 si I2 sunt curenii nominali (de faz) pe partea de nalt tensiune, respectiv joas tensiune; se calculeaz astfel:

=

3 1 ()=

110103

3 15

3 103

= 110 3

315= 4. 23 [A]

=

3 2 ()=

110103

3 0.4

3 103

= 110 3

30.4= 158. 77 [A]

- lm1 si lm2 reprezint lungimile medii ale spirelor nfurrii

primare, respectiv secundare:

= ( + 2 3 + 2 2 + 2 4 + 1)=

= 3. 14 ( 0.13 + 2 102 + 2 0.0146 + 2 15 103 + 0.0219 )=

= 0. 73 [m]

= ( + 2 3 + 2)= 3. 14 (0.13 + 2 102 + 0.0146)= 0. 52 [m]

- rezistivitatea are valoarea = 0.0362 106 [m] pentru

nfurri din aluminiu i valoarea = 0.0216 106 [m] pentru nfurri

~ 14 ~

din cupru; deoarece nfurrile cerute trebuie s fie din aluminiu, vom

considera:

= 0.0362 106 [m]

- = 1 dac conexiunea pe partea de j.t. este stea sau triunghi,

respectiv = 3

2 pentru conexiunea zig zag.

Cunoscnd toate mrimile necesare, putem calcula seciunile de conductoare:

=3 0.0362106 2143 (4.23)2

2300 (

3

2 0. 73 +

0.52

3

2

)= 2. 232

=3 0.0362106 66 (158.77)2

2300 (

3

2 0. 73 + 0. 52) = 90. 51

5.16. Se calculeaz densitile de curent:

1= 1

1 si 2=

2

2

- valorile densitilor de curent trebuie s respecte urmtoarele valori

admise, tinand cont de materialul din care sunt confecionate nfurrile:

J= (1.8 2.5) 106 [A/m2] pentru nfurri din Al;

J= (2.5 4.5) 106 [A/m2] pentru nfurri din Cu;

J1= 4.23

2.232106 = 1.895 106 [A/m2]

~ 15 ~

J2= 158.77

90.51106 = 1.75 106 [A/m2]

5.17. Se impun valori standardizate pentru seciunile conductoarelor i se

recalculeaz valorile densitilor de curent:

qb1 stas = 2. 011 106 [A/m2]

qb2 stas = 87. 7 106 [A/m2]

= 4.23

2.011 106 = 2.1 [A/]

= 158.77

87.7106 = 1.81 [A/]

Dup aceste etape se poate trece la calculul preliminar de aezare a

nfurrilor pe coloane.

5.18. Calculul tensiunii de scurtcircuit:

Avnd dimensiunile geometrice ale miezului i ale nfurrilor pentru

care PFe si Pb se verific, este necesar doar calculul tensiunii de scurtcircuit ce

rezult pentru aceste dimensiuni.

Componenta activ este:

= 1

1 100

unde rezistena de scurtcircuit este = 1 + 22; rezistenele R1si R2

se calculeaz cu relaia:

~ 16 ~

=

(i= 1,2), unde coeficientul de cretere a rezistenei prin refularea curentului se

consider :

kr1 1 , kr2 1. 03

R1 = lm 1 N1

qb 1 kr1 = 0.0362 10

6 0.73 2143

2.011 106 1

R2 = lm 2 N2

qb 2 kr2 = 0.0362 10

6 0.52 66

87.7 106 1.03

= 28. 161 [%] k = 37.4928 = 0. 015 [%]

= R1 + k2R2 = 28. 161+ 37.4928

2 0. 015 = 49.247 [%]

= 49.2474.23

15

3 103

100 = 2.405 [%]

Componenta reactiv este:

= 1

1 100

~ 17 ~

unde reactana de scurtcircuit este:

Xsc = 2f 0 N12

lm 1 +lm 2 2hb

(4 + 1+2

3 ) kR

n care kR = 0.98 ; 0 = 4 10

7.

Xsc = 2 3.14 50 4 3.14 107 21432 0.73+0.52

20.47 (15 103 +

0.0219 +0.0146

3 ) 0.98 = 1811.188 1.33 (15 103 + 0.012 ) 0.98 =

= 63.732

Deoarece conexiunea este de tip zig- zag pe partea de j.t., reactana de

scurtcircuit este de 1. 03 1. 04 ori mai mare dect cea calculat.

= 1. 035 63.732 = 65.963 []

= 65.963 4.23

15

3 103

100 = 3.222 [%]

Dup calcularea componentei active, respectiv a componentei reactive,

putem calcula tensiunea de scurtcircuit cu formula:

= 2 +

2

= 2.4052 + 3.2222 = 4.021 [%]

~ 18 ~

6. ACCESORII

6.1. Prizele de reglaj

Transformatorul este dotat cu prize de reglaj pe nfurarea de tensiune

superioar, aa cum sunt prevzute majoritatea transformatoarelor pentru ca

raportul de transformare sa poat fi modificat. Prizele se prevd, de

preferin, la mijlocul nfurrii (figura 4,a) sau la captul nfurrii (figura

4,b).

Fig.3.6. nfurri cu prize pentru reglajul tensiunii

a - prize de reglaj la captul nfurrii; b - prize de reglaj la mijlocul

nfurrii

6.2. Comutatoare de reglare a tensiunii secundare

Comutatorul are rolul de a modifica numrul de spire aflate n circuit, ceea ce implica modificarea tensiunii secundare. Pentru o parte dintre transformatoare (n special transformatoarele din posturi) reglajul tensiunii (trecerea de pe o priz pe alta) nu se poate face dect n absena tensiunii, prin intermediul unor comutatoare cilindrice sau liniare, acionate manual sau cu motor electric. De regul, aceste transformatoare au trei sau cinci prize: 0 i 5%, respectiv 0 i 2x2,5%. In cazul nostru, transformatorul este prevazut cu comutator de reglare a tensiunii secundare cu trei prize de 5%.

~ 19 ~

6.3. Conservatorul de ulei

Conservatorul de ulei este dispozitivul care asigur spaiul necesar

dilatrii uleiului. Acesta este situat n partea superioar a transformatorului i

are form cilindric.