Transformatoarele sunt dispozitive electrice formate din două sau mai multe bobine de sârmă utilizate pentru a transfera energia electrică prin intermediul unui câmp magnetic variabil.

Unul dintre principalele motive pentru care folosim tensiuni și curenți alternativi în casele și locurile noastre de muncă este faptul că sursele AC pot fi generate cu ușurință la o tensiune convenabilă, transformate (de aici numele de transformator) în tensiuni mult mai mari și apoi distribuite în întreaga țară utilizând rețeaua națională de piloni și cabluri pe distanțe foarte lungi.

Motivul transformării tensiunii la un nivel mult mai ridicat este acela că tensiunile de distribuție mai mari implică curenți mai mici pentru aceeași putere și, prin urmare, pierderi mai reduse de I2R de-a lungul rețelelor de cabluri. Aceste tensiuni și curenți de transmisie AC mai mari pot fi apoi reduși la un nivel de tensiune mult mai scăzut, mai sigur și mai ușor de utilizat, în cazul în care acestea pot fi utilizate pentru alimentarea echipamentelor electrice în casele și locurile de muncă, toate acestea fiind posibil datorită transformatorului de tensiune de bază.

Transformatorul de tensiune poate fi gândit ca o componentă electrică, mai degrabă decât o componentă electronică. Un transformator este, în principiu, un dispozitiv electric pasiv electromagnetic static (sau staționar), care funcționează pe principiul legii inducției a lui Faraday prin convertirea energiei electrice de la o valoare la alta.

Transformatorul face acest lucru prin legarea a două sau mai multe circuite electrice folosind un circuit magnetic oscilant comun care este produs de transformatorul propriu-zis. Un transformator funcționează pe principii de "inducție electromagnetică", sub formă de inducție mutuală (reciprocă).

Inducția mutuală este procesul prin care o bobină de sârmă induce magnetic o tensiune într-o altă bobină situată în imediata apropiere a ei. Atunci, putem spune că transformatoarele funcționează în domeniul "magnetic", și își dau numele de la faptul că "transformă" un nivel de tensiune sau curent în altul.

Transformatoarele sunt capabile fie să crească, fie să scadă nivelele de tensiune și curent ale allimentării lor, fără modificarea frecvenței lor, sau cantitatea de energie electrică transferată de la o înfășurare la alta prin circuitul magnetic.

Un transformator de tensiune cu o singură fază constă, în principiu, din două bobine electrice de sârmă, una denumită "înfășurarea primară" și alta numită "înfășurarea secundară". Pentru acest tutorial vom defini partea "primară" a transformatorului ca parte care de obicei necesită putere, iar "secundar" ca parte care de obicei furnizează energie. Într-un transformator de tensiune monofazat, primarul este de obicei partea cu tensiunea mai mare.

Aceste două bobine nu sunt în contact electric una cu cealaltă, ci sunt înfășurate împreună în jurul unui circuit închis de fier magnetic, denumit "miez". Acest miez de fier moale nu este solid, ci este alcătuit din laminate individuale conectate împreună pentru a ajuta la reducerea pierderilor de miez.

Cele două înfășurări ale bobinelor sunt izolate electric una de cealaltă, dar sunt legate magnetic prin miezul comun, permițând transferarea energiei electrice de la o bobină la alta. Când un curent electric trece prin înfășurarea primară, se dezvoltă un câmp magnetic care induce o tensiune în înfășurarea secundară, așa cum este arătat mai jos.

Transformator de tensiune monofazat

Cu alte cuvinte, pentru un transformator nu există o conexiune electrică directă între cele două înfășurări de bobine, dându-i astfel și numele unui transformator de izolare. În general, înfășurarea primară a unui transformator este conectată la sursa de tensiune de intrare și convertește sau transformă puterea electrică într-un câmp magnetic. În timp ce sarcina înfășurării secundare este de a transforma acest câmp magnetic alternativ în energie electrică, producând tensiunea de ieșire necesară, așa cum se arată.

Construcția transformatorului (monofazat)

unde:
VP - este tensiunea primară
VS - este tensiunea secundară
NP - este numărul de înfășurări primare
NS - este numărul de înfășurări secundare
Φ (phi) - este legătura de flux

Observați că cele două înfășurări ale bobinelor nu sunt conectate electric, ci sunt legate numai magnetic. Un transformator monofazat poate funcționa pentru a mări sau micșora tensiunea aplicată la înfășurarea primară. Când un transformator este utilizat pentru a "mări" tensiunea pe înfășurarea secundară față de primar, se numește trans-formator Step-up (ridicător). Când se utilizează pentru a "micșora" tensiunea pe înfășurarea secundară în raport cu primarul, se numește un transformator Step-down (coborâtor).

Dar, există o a treia condiție în care un transformator produce aceeași tensiune pe secundar, așa cum se aplică la înfășurarea primară. Cu alte cuvinte, ieșirea sa este identică în raport cu tensiunea, curentul și puterea transferată. Acest tip de transformator se numește "transformator de impedanță" și este utilizat în principal pentru adaptarea impedanței sau izolarea circuitelor electrice învecinate.

Diferența de tensiune dintre înfășurările primare și secundare este obținută prin modificarea numărului de spire ale înfășurării primare (NP) în comparație cu numărul de spire ale înfășurării secundare (NS).

Deoarece transformatorul este în principiu un dispozitiv liniar, există acum un raport între numărul de spire ale bobinei primare împărțit la numărul de spire ale bobinei secundare. Acest raport, a fost numit raport de transformare, mai cunoscut sub numele de "raport de spire" al transformatorului (TR). Această valoare a raportului de spire dictează funcționarea transformatorului și tensiunea corespunzătoare disponibilă pe bobina secundară.

Este necesar să se cunoască raportul dintre numărul spirelor de sârmă pe bobina primară în comparație cu înfășurarea secundară. Raportul spirelor, care nu are unități, compară cele două înfășurări în ordine și este scris cu două puncte, cum ar fi 3:1 (3-la-1). Acest lucru înseamnă că, în cazul în care există 3 volți pe bobina primară, va exista 1 volt pe bobina secundară, de 3 volți la 1 volt. Atunci, vedem că dacă raportul dintre numărul de spire se schimbă, tensiunile rezultate trebuie să se schimbe și ele cu același raport, și acest lucru este adevărat.

Transformatoarele sunt toate despre "rapoarte". Raportul dintre primar și secundar, raportul dintre intrare și ieșire și raportul de spire al oricărui transformator dat vor fi aceleași cu raportul de tensiune. Cu alte cuvinte, pentru un transformator: "raportul de spire = raportul de tensiune". Numărul efectiv de spire de sârmă pe orice înfășurare nu este, în general, important, doar raportul de spire și aceastã relație este dată de:

Raportul de spire al unui transformator

presupunând un transformator ideal și unghiurile de fază: ΦP ≡ ΦS.

Rețineți că ordinea numerelor atunci când se exprimă o valoare a raportului de spire ale transformatorului este foarte importantă, deoarece raportul de spire 3:1 exprimă o relație de transformare foarte diferită și o tensiune de ieșire alta decât una în care raportul de spire este 1:3 .

Principii de bază ale transformatorului. Exemplul nr. 1

Un transformator de tensiune are 1500 de spire de sârmă pe bobina primară și 500 de spire de sârmă pe bobina secundară. Care va fi raportul de transformare (T.R.) al transformatorului.

Acest raport de 3:1 (3-la-1) înseamnă pur și simplu că există trei înfășurări primare pentru fiecare înfășurare secundară. Pe măsură ce raportul se deplasează de la un număr mai mare spre stânga la un număr mai mic pe dreapta, tensiunea primară este deci coborâtă, așa cum se arată.

Principii de bază ale transformatorului. Exemplul nr. 2

Dacă la borna primară a aceluiași transformator de mai sus este aplicată o tensiune de 240 volți rms, care va fi tensiunea secundară, fără sarcină?

Din nou, se confirmă că transformatorul este un transformator "coborâtor", deoarece tensiunea primară este de 240 volți, iar tensiunea secundară corespunzătoare este mai mică, de 80 volți.

Atunci, scopul principal al unui transformator este transformarea tensiunilor la rapoarte prestabilite și putem vedea că înfășurarea primară are o anumită cantitate sau număr de înfășurări (bobine de sârmă) pe ea pentru a se potrivi tensiunii de intrare. Dacă tensiunea de ieșire secundară trebuie să fie aceeași cu tensiunea de intrare pe bobina primară, atunci același număr de spire ale bobinei trebuie să fie înfășurat pe miezul secundar, ca cel ce există pe miezul primar, oferind un raport uniform de spire de 1:1 (1-la-1). Cu alte cuvinte, o spiră de bobină pe secundar la o spiră de bobină pe primar.

Dacă tensiunea secundară de ieșire trebuie să fie mai mare decât tensiunea de intrare (transformator ridicător), atunci trebuie să existe mai multe spirei pe secundar, oferind un raport de spire de 1:N (1-to-N), unde N reprezintă numărul raportului de spire. De asemenea, dacă este necesar ca tensiunea secundară să fie mai mică decât cea primară (transformator coborâtor), atunci numărul de înfășurări secundare trebuie să fie mai mic, oferind un raport de spire de N:1 (N-la-1) .

Acțiunea transformatorului

Am văzut că numărul spirelor bobinei pe înfășurarea secundară în comparație cu înfășurarea primară, raportul de spire, afectează cantitatea de tensiune disponibilă pe bobina secundară. Dar dacă cele două înfășurări sunt izolate electric una de cealaltă, cum se produce această tensiune secundară?

Am spus anterior că un transformator constă în principal din două bobine înfășurate în jurul unui miez comun de fier moale. Atunci când o tensiune alternativă (VP) este aplicată bobinei primare, curentul trece prin bobină care, la rândul său, creează un câmp magnetic în jurul său, numit inductanță mutuală, de către acest flux de curent în conformitate cu Legea inducției electromagnetice a lui Faraday. Intensitatea câmpului magnetic se acumulează pe măsură ce fluxul de curent crește de la zero la valoarea sa maximă care este dată de dΦ/dt.

Deoarece liniile magnetice de forță configurate prin acest electromagnet se extind în exteriorul bobinei, miezul de fier moale formează o cale pentru (și concentrează) fluxul magnetic. Acest flux magnetic leagă spirele ambelor înfășurări pe măsură ce crește și scade în direcții opuse sub influența alimentării AC.

Dar, intensitatea câmpului magnetic indus în miezul de fier moale depinde de cantitatea de curent și de numărul de spire în bobină. Când curentul este redus, intensitatea câmpului magnetic se reduce.

Atunci când liniile magnetice ale fluxului circulă în jurul miezului, ele trec prin spirele înfășurării secundare, cauzând o tensiune indusă în bobina secundară. Valoarea tensiunii induse va fi determinată de: N.dΦ/dt (Legea lui Faraday), unde N este numărul de spire ale bobinei. De asemenea, această tensiune indusă are aceeași frecvență ca și tensiunea din înfășurarea primară.

Atunci, putem vedea că aceeași tensiune este indusă în fiecare spiră de bobină a ambelor înfășurări, deoarece același flux magnetic leagă spirele ambelor înfășurări. Ca urmare, tensiunea indusă totală în fiecare înfășurare este direct proporțională cu numărul de spire în acea înfășurare. Dar, amplitudinea de vârf a tensiunii de ieșire disponibile pe înfășurarea secundară va fi redusă dacă pierderile magnetice ale miezului sunt ridicate.

Dacă vrem ca bobina primară să producă un câmp magnetic mai puternic pentru a depăși pierderile magnetice ale miezurilor, putem trimite fie un curent mai mare prin bobină, fie păstrăm același curent care curge, și creștem numărul de spire ale bobinelor (NP) înfășurărilor. Produsul dintre amperi și spire se numește "amperi-spire", și determină forța de magnetizare a bobinei.

Deci, presupunând că avem un transformator cu o singură spiră în primar, și doar o spiră în secundar. Dacă un volt este aplicat la o spiră a bobinei primare, presupunând că nu există pierderi, trebuie să circule suficient curent și suficient flux magnetic generat pentru a induce un volt în singura spiră din secundar. Adică, fiecare înfășurare suportă același număr de volți pe spiră.

Deoarece fluxul magnetic variază sinusoidal, Φ = Φmax sinωt, atunci relația de bază dintre emf indusă (E) într-o înfășurare cu bobină de N spire este dată de:

emf = spire x rata de schimbare

unde:

ƒ - este frecvența fluxului în Hertz, = ω/2π
N - este numărul de înfășurări ale bobinei.
Φ - este cantitatea de flux în weberi

Aceasta este cunoscută sub numele de ecuația EMF a transformatorului. Pentru emf din primar, N va fi numărul de spire din primar (NP), iar pentru emf din înfășurarea secundară, N va fi numărul de spire din secundar (NS).

Rețineți că, deoarece transformatoarele necesită un flux magnetic alternativ pentru a funcționa corect, ele nu pot fi folosite pentru transformarea sau alimentarea tensiunilor sau a curenților DC , deoarece câmpul magnetic trebuie variabil pentru a induce o tensiune în bobina secundară. Cu alte cuvinte, transformatoarele NU funcționează la tensiuni DC staționare, doar pentru tensiuni alternative sau pulsatoare.

Dacă o înfășurare primară a transformatoarelor a fost conectată la o alimentare DC, reactanța inductivă a înfășurării ar fi zero, deoarece DC nu are frecvență, astfel încât impedanța efectivă a înfășurării va fi, prin urmare, foarte scăzută și egală numai cu rezistența cuprului utilizat. Astfel, înfășurarea va trage un curent foarte mare de la sursa de curent continuu, determinând-o să se supraîncălzească și în cele din urmă să se ardă, pentru că așa cum știm I = V/R.

Principii de bază ale transformatorului. Exemplul nr. 3

Un transformator monofazic are 480 de spire pe înfășurarea primară și 90 pe înfășurarea secundară. Valoarea maximă a densității fluxului magnetic este 1,1 T când 2200 volți, 50 Hz, este aplicată la înfășurarea primară a transformatorului. Calculați:

a). Fluxul maxim în miez.

b). Aria secțiunii transversale a miezului.

c). emf indusă în secundar

Puterea electrică într-un transformator

Un alt parametru de bază al transformatorului este puterea sa nominală.Puterea nominală a unui transformator este obținut prin simpla multiplicare a curentului cu tensiunea pentru a obține volt-amperi (VA). Transformatoarele monofazice mici pot fi clasificate numai în volt-amperi, dar transformatoarele de putere mult mai mari sunt evaluate în unități de kilovolt-amperi (kVA), unde 1 kilovolt-amper este egal cu 1000 volt-amperi, și unități de Megavoltamperi, (MVA) unde 1 megavolt-amper este egal cu 1 milion volt-amperi.

Într-un transformator ideal (ignorând orice pierderi), puterea disponibilă în bobina secundară va fi aceeași cu puterea în bobina primară, sunt dispozitive de wataj constant și nu schimbă puterea, ci numai raportul tensiune/curent. Astfel, într-un transformator ideal raportul de putere este egal cu unu (unitate) deoarece produsul tensiune V înmulțită cu curentul I va rămâne constant.

Deci, puterea electrică la un nivel de tensiune/curent pe primar este "transformată" în putere electrică, la aceeași frecvență, la același nivel de tensiune/curent pe partea secundară. Deși transformatorul poate crește tensiunea (sau coborî), nu poate să-și intensifice puterea. Astfel, atunci când un transformator crește o tensiune, coboară curentul și viceversa, astfel încât puterea de ieșire este întotdeauna la aceeași valoare ca și puterea de intrare. Atunci, putem spune că puterea primară este egală cu puterea secundară (PP = PS).

Puterea într-un transformator

Puterea_Primar = Puterea_Secundar

P_(PRIM) = P_(SEC) = V_P I_P cosϴ_P = V_S I_S cosϴ_S

unde: ϴP este unghiul de fază în primar și ϴS este unghiul de fază în secundar.

Rețineți că, deoarece pierderea de putere este proporțională cu pătratul curentului transmis, adică: I2R, creșterea tensiunii, să spunem dublarea (×2), ar scade curentul cu aceeași valoare (÷ 2), în timp ce se furnizează aceeași cantitate de putere la sarcină și reducând astfel pierderile cu factorul 4. Dacă tensiunea a fost mărită cu un factor de 10, curentul ar scădea cu același factor reducând pierderile globale cu factor de 100.

Randamentul transformatorului

Un transformator nu necesită părți mobile pentru a transfera energie. Acest lucru înseamnă că nu există pierderi de frecare sau de rezistența aerului asociate cu alte mașini electrice. Dar, transformatoarele suferă de alte tipuri de pierderi, numite "pierderi în cupru" și "pierderi în fier", dar, în general, acestea sunt destul de mici.

Pierderea în cupru, cunoscută și sub denumirea de pierdere I2R, este energia electrică care se pierde în căldură ca urmare a circulației curenților în jurul bobinelor de cupru ale transformatoarelor, de unde și numele. Pierderile în Cu reprezintă cea mai mare pierdere în funcționarea unui transformator. Puterea reală pierdută poate fi determinată (în fiecare înfășurare) prin ridicarea la pătrat a amperilor și înmulțirea cu rezistența în ohmi a înfășurării (I2R).

Pierderile în fier, cunoscute sub numele de histerezis, sunt cauzate de întârzierea moleculelor magnetice din miez, ca răspuns la fluxul magnetic alternativ. Această întârziere (sau defazaj) se datorează faptului că aceasta necesită putere pentru a se inversa moleculele magnetice; ele nu se inversează până când fluxul nu atinge suficientă forță pentru a le inversa.

Inversarea lor are ca rezultat frecare, iar frecarea produce căldură în miez, care este o formă de pierdere de putere. Histerezisul, în cadrul transformatorului, poate fi redus prin fabricarea miezului din aliaje speciale de oțel.

Intensitatea pierderii de putere într-un transformator determină eficiența acestuia. Eficiența unui transformator se reflectă în pierderea de putere (wataj) între înfășurările primare (de intrare) și secundare (ieșire). Atunci, randamentul rezultat al unui transformator este egal cu raportul puterii de ieșire a înfășurării secundare PS la puterea de intrare a înfășurării primare PP și, prin urmare, este mare.

Un transformator ideal este 100% eficient deoarece oferă toată energia pe care o primește. Transformatoarele reale, pe de altă parte, nu sunt 100% eficiente, iar la sarcină maximă, randamentul unui transformator este între 94% și 96%, ceea ce este foarte bun. Pentru un transformator care funcționează cu o tensiune constantă și o frecvență constantă, cu o capacitate foarte mare, eficiența poate fi de 98%. Eficiența (randamentul) η a unui transformator este dată de:

Randamentul transformatorului

unde: intrarea, ieșirea și pierderile sunt exprimate în unități de putere.

În general, atunci când se ocupă de transformatoare, wații din primar sunt numiți "volt-amperi" VA pentru a le diferenția de cei din secundar. Atunci, ecuația randamentului de mai sus poate fi modificată la:

Uneori este mai ușor să ne amintim relația dintre intrarea, ieșirea și eficiența transformatoarelor prin utilizarea imaginilor. Aici cele trei cantități de VA, W și η au fost suprapuse intr-un triunghi, oferind puterea in wați în partea de sus cu volt-amperi și eficiența în partea de jos. Acest aranjament reprezintă poziția reală a fiecărei cantități în formulele de eficiență.

Triunghiul randamentului transformatorului

și transpunerea cantităților din triunghiul de mai sus ne dă următoarele combinații ale aceleiași ecuații:

Atunci, pentru a găsi Wați (ieșire) = VA x eff., sau pentru a găsi VA (intrare) = W/eff., sau pentru a găsi eficiența eff. = W/VA, etc.

Rezumat Principii transformatoare

Un transformator schimbă nivelul de tensiune (sau nivelul curentului) pe bobina de intrare la o altă valoare pe bobina de ieșire folosind un câmp magnetic. Un transformator constă din două bobine izolate electric și operează pe principiul lui Faraday de "inducție reciprocă", în care o EMF este indusă în bobina secundară a transformatoarelor prin fluxul magnetic generat de tensiunile și curenții care circulă în înfășurările bobinei din primar.

Atât bobina primară, cât și cea secundară sunt înfășurate în jurul unui miez comun de fier, realizat prin laminare individuală, pentru a reduce curentul turbionar și pierderile de putere. Înfășurarea primară a transformatorului este conectată la sursa de alimentare de curent alternativ, care trebuie să aibă o natură sinusoidală, în timp ce bobina secundară alimentează sarcina.

Putem reprezenta transformatorul în formă de diagramă bloc după cum urmează:

Reprezentarea de bază a transformatorului

Raportul dintre înfășurările primare și secundare ale transformatoarelor una față de cealaltă produce fie un transformator de tensiune ridicător, fie un transformator de tensiune coborâtor, cu raportul dintre numărul de spire din primar și numărul de spire din secundar fiind numit "raportul de spire "sau" raportul transformatorului ".

Dacă acest raport este mai mic decât unitatea n <1, atunci NS este mai mare decât NP și transformatorul este clasificat ca un transformator ridicător. Dacă acest raport este mai mare decât unitatea n > 1, adică NP este mai mare decât NS, transformatorul este clasificat ca un transformator coborâtor. Rețineți că transformatorul monofazat step-down poate fi de asemenea utilizat ca transformator step-up pur și simplu prin inversarea conexiunilor sale și transformarea înfășurării de joasă tensiune în primar și invers atâta timp cât transformatorul funcționează în limitele puterii VA nominale proiectate.

Dacă raportul de spire n = 1, atunci atât primarul cât și secundarul au același număr de înfășurări, deci tensiunile și curenții sunt aceiași pentru ambele înfășurări.

Acest tip de transformator este clasificat ca un transformator de izolare deoarece ambele înfășurări primare și secundare ale transformatorului au același număr de volți pe spiră. Eficiența unui transformator este raportul dintre puterea pe care o furnizează la sarcina și puterea pe care o absoarbe din sursă. Într-un transformator ideal nu există pierderi, deci nici o pierdere de putere, atunci Pin = Pout.

În următorul tutorial despre principiile transformatorului, vom examina construcția fizică a unui transformator și vom vedea diferitele tipuri de miez magnetic și straturile laminate folosite pentru a susține înfășurările primarului și secundarului.