Construcția unui transformator simplu cu două înfășurări constă în bobinarea fiecărei înfășurări pe un miez separat de fier moale, formă care asigură circuitul magnetic necesar. Acest circuit magnetic, cunoscut mai des ca "miezul transformatorului", este proiectat să ofere o cale pentru curgerea câmpului magnetic, necesară pentru inducerea tensiunii între cele două înfășurări.

Dar, acest tip de construcție a transformatorului unde cele două înfășurări bobinate pe miezuri separate nu este foarte eficient, deoarece înfășurările primare și secundare sunt bine separate una de cealaltă. Aceasta are ca rezultat o cuplare magnetică slabă între cele două înfășurări, precum și cantități mari de scăpări ale fluxului magnetic din transformatorul propriu-zis. Dar, pe lângă construcția de formă "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 a transformatorului poate fi îmbunătățită prin aducerea celor două înfășurări în contact strâns una cu cealaltă, îmbunătățind astfel cuplarea magnetică. Creșterea și concentrarea circuitului magnetic în jurul bobinelor poate îmbunătăți cuplajul magnetic dintre cele două înfășurări, dar are și efectul creșterii pierderilor magnetice ale miezului transformatorului.

Pe lângă asigurarea unei căi de reluctanță scăzută pentru câmpul magnetic, miezul este proiectat pentru a împiedica circularea curenților electrici în interiorul miezului de fier. Curenții circulanți, numiți "curenți turbionari", determină încălzirea și pierderi de energie în interiorul miezului, reducând eficiența transformatoarelor.

Aceste pierderi se datorează în principal tensiunilor induse în circuitul de fier, care este supus în permanență câmpurilor magnetice alternative setate prin tensiunea de alimentare sinusoidală externă. O modalitate de a reduce aceste pierderi de putere nedorite este de a construi miezul transformatorului din tole laminate subțiri din oțel.

La toate tipurile de construcții de transformatoare, miezul central de fier este construit dintr-un material foarte permeabil, realizat din laminate din aliaj de oțel cu siliciu, subțire, asamblate împreună pentru a asigura traiectoria magnetică necesară cu minim de pierderi. Rezistivitatea foii de oțel în sine este mare reducând pierderile de curenți turbionari prin fabricarea laminatelor foarte subțiri.

Aceste laminate din oțel variază în grosime între 0,25 mm și 0,5 mm și, deoarece oțelul este un conductor, laminatele sunt izolate electric unul față de celălalt printr-o acoperire foarte subțire cu lac izolator sau prin utilizarea unui strat de oxid pe suprafață.

Construcția miezului transformatorului

În general, numele asociat construcției unui transformator depinde de modul în care înfășurările primare și secundare sunt bobinate în jurul miezului central de oțel laminat. Cele două modele mai comune și de bază ale construcției de transformare sunt transformator cu miez închis (closed core) și transformator tip cochilie (Shell-core).

În transformatorul de tip "miez închis" (forma miezului), înfășurările primare și secundare sunt bobinate în exterior și înconjoară inelul miezului. În transformatorul "tip cochilie" (forma shell), înfășurările primare și secundare trec în interiorul circuitului magnetic (miez) din oțel, care formează o cochilie în jurul înfășurărilor, după cum se arată mai jos.

Construcția miezului transformatorului

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

Bobinele nu sunt aranjate cu înfășurarea primară pe un picior și cea secundară pe celalalt, dar în schimb jumătate din bobina primară și jumătate din bobina secundară sunt plasate una peste cealaltă concentric pe fiecare picior pentru a crește cuplarea magnetică permițând practic tuturor liniilor magnetice de forță să treacă prin ambele înfășurări primare și secundare în același timp. Dar, cu acest tip de construcție a transformatorului, un mic procent din liniile magnetice de forță curge în afara miezului și acest lucru se numește "flux de scăpări".

Miezurile transformatorului de tip shell depășesc acest flux de scăpări, deoarece atât înfășurările primare cât și cele secundare sunt înfășurate pe același picior central care are de două ori aria secțiunii transversale a celor două picioare exterioare. Avantajul aici este că fluxul magnetic are două căi magnetice închise pentru a curge în jurul bobinelor, atât pe partea stângă, cât și pe partea dreaptă, înainte de a reveni la bobinele centrale.

Aceasta înseamnă că fluxul magnetic care circulă în jurul picioarelor exterioare ale acestui tip de construcție a transformatorului este egal cu Φ/2. Deoarece fluxul magnetic are o traiectorie închisă în jurul bobinelor, acest lucru are avantajul reducerii pierderilor în miez și al creșterii eficienței globale.

Tole laminate pentru transformatoare

Dar vă puteți întreba cum se bobinează înfășurările primare și secundare în jurul acestor miezuri laminate din fier sau oțel pentru aceste tipuri de construcții de transformatoare. Bobinele sunt în primul rând înfășurate pe un element care are o secțiune cilindrică, dreptunghiulară sau ovală pentru a se potrivi construcției miezului laminat. În ambele construcții ale transformatoarelor de tip cochilie și miez, pentru a monta înfășurările bobinelor, tolele laminate individuale sunt ștanțate din foi de oțel mai mari și formate în benzi din oțel subțire asemănător cu literele "E", "L", "U" și "I", după cum se arată mai jos.

Tipuri de miezuri de transformatoare

Aceste ștanțări de tole laminate, atunci când sunt conectate împreună, formează forma necesară a miezului. De exemplu, două tole "E" plus două tole de închidere de tip "I" (ele sunt întrețesute E+I și apoi I+Ǝ) pentru a da un miez EI care formează un element al unui miez standard de tip transformator de tip cochilie. Aceste tole individuale sunt bine strânse împreună în timpul construcției transformatoarelor pentru a reduce reluctanța spațiului de aer la îmbinări, producând o densitate a fluxului magnetic foarte saturată.

Tolele laminate ale transformatoruluir sunt de obicei stivuite alternativ unele cu altele pentru a produce o îmbinare de suprapunere cu mai multe perechi de tole adăugate pentru a obține grosimea corectă a miezului. Această stivuire alternativă a tolelor conferă transformatorului avantajul reducerii scăpărilor de flux și a pierderilor în fier. Construcția transformatorului cu miez din tole laminate E-I este utilizată în principal în transformatoare de izolare, transformatoare step-up și step-down, precum și autotransformatoare.

Aranjamente de înfășurări ale transformatoarelor

Înfășurările transformatorului formează o altă parte importantă a unei construcții de transformator, deoarece ele sunt conductoarele principale purtătoare de curent, înfășurate în jurul secțiunilor laminate ale miezului. Într-un transformator monofazat cele două înfășurări ar fi prezente așa cum se arată mai jos. Cea care este conectată la sursa de tensiune creează fluxul magnetic, este numită bobina primară, iar în a doua înfășurare, numită secundar, este indusă o tensiune ca urmare a inducției mutuale.

Dacă tensiunea de ieșire din secundar este mai mică decât tensiunea de intrare în primare, transformatorul este cunoscut ca un "transformator step-down (coborâtor)". Dacă tensiunea de ieșire din secundară este mai mare decât tensiunea de intrare în primar se numește "transformator step-up (ridicător)".

Tipul de sârmă utilizat ca conductor principal, care transportă curent într-o înfășurare de transformator, este fie cupru sau aluminiu. Deși sârma de aluminiu este mai ușoară și, în general, mai puțin costisitoare decât sârma de cupru, trebuie utilizată o arie mai mare a secțiunii conductorului pentru a transporta același curent ca și cuprul, astfel încât acesta este utilizat în principal în aplicații cu transformatoare de putere mai mari.

Transformatoarele mici de tensiune și putere kVA folosite în circuitele electrice și electronice de joasă tensiune au tendința de a folosi conductori de cupru, deoarece aceștia au o rezistență mecanică mai mare și o dimensiune mai mică a conductorilor decât tipurile de aluminiu echivalente. Dezavantajul este că atunci când sunt completate cu miezul lor, aceste transformatoare sunt mult mai grele.

Înfășurările și bobinele transformatoarelor pot fi în mare parte clasificate în bobine concentrice și bobine de tip sandwich. În construcția transformatorului de tip miez, înfășurările sunt de obicei dispuse concentric în jurul brațelor miezului, așa cum s-a arătat mai sus, cu înfășurarea primară de tensiune mai mare fiind înfășurată peste înfășurarea secundară cu tensiune mai mică.

Bobinele sandwich sau "clătite" constau din conductoare plane, înfășurate într-o formă spiralată, și sunt așa numite datorită aranjării conductoarelor în discuri. Discurile alternative sunt realizate în spirală dinspre exterior spre centru într-un aranjament intercalat, cu bobine individuale fiind așezate împreună și separate prin materiale izolante, cum ar fi hârtia sau foi de plastic. Bobinele și înfășurările de tip sandwich sunt mai comune cu construcția miezului de tip cochilie.

Înfășurările elicoidale, cunoscute sub denumirea de înfășurări șurub, sunt un alt aranjament obișnuit de bobină cilindrică utilizat în aplicații cu transformatoare de curenți mari și joasă tensiune. Înfășurările sunt alcătuite din conductoare dreptunghiulare cu secțiune mare, înfășurate pe latura lor, cu firele izolate înfășurate în paralel continuu de-a lungul lungimii cilindrului, cu distanțiere potrivite inserate între spire sau discuri adiacente pentru a minimiza curenții circulanți între firele paralele. Bobina progresează spre exterior ca o spirală asemănătoare cu cea a unui tirbușon.

Izolația utilizată pentru a împiedica scurtcircuitarea conductorilor împreună într-un transformator este de obicei un strat subțire de lac sau email în transformatoare răcite cu aer. Această vopsea subțire de lac sau email este vopsită pe sârmă înainte de a fi înfășurată în jurul miezului.

La transformatoarele de distribuție și puteri mai mari conductoarele sunt izolate unul de celălalt utilizând hârtie sau țesătură impregnate cu ulei. Întregul miez și înfășurările sunt imersate și etanșate într-un rezervor de protecție care conține ulei de transformator. Uleiul de transformator acționează ca un izolator și ca agent de răcire.

Convenția punctului pentru orientare

Nu putem pur și simplu să luăm un miez laminat și să înfășurăm una din configurațiile bobinei în jurul lui. Am putea, dar am putea constata că tensiunea secundară și curentul pot fi defazate cu tensiunea și curentul din primar. Cele două înfășurări ale bobinei au o orientare distinctă una față de cealaltă. Orice bobină ar putea fi înfășurată în jurul miezului în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, astfel că trebuie să ținem cont de orientările lor relative. "Punctele (dot)" sunt folosite pentru a identifica un anumit capăt al fiecărei înfășurări.

Această metodă de identificare a orientării sau direcției unei înfășurări a transformatoarelor se numește "convenția punctului". Atunci, o înfășurare a transformatoarelor este înfășurată astfel încât să existe relații de fază corecte între tensiunile înfășurărilor, polaritatea transformatoarelor fiind definită ca polaritatea relativă a tensiunii secundare față de tensiunea primară așa cum se arată mai jos.

Construcția transformatoarelor utilizând convenția punctului

Primul transformator prezintă cele două "puncte" ale acestuia pe cele două înfășurări. Curentul care părăsește punctul din secundar este "în fază" cu curentul care intră în punctul din primar. Astfel, polaritățile tensiunilor la capetele punctate 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.

Al doilea transformator prezintă cele două puncte la capetele opuse ale înfășurărilor, ceea ce înseamnă că înfășurările bobinelor primare și secundare ale bobinei sunt înfășurate în direcții opuse. Rezultatul este că curentul care părăsește punctul din secundar este 180° "defazat" față de curentul intră în punctul din primar. Deci, polaritățile tensiunilor la capetele punctate sunt de asemenea defazate, astfel încât atunci când tensiunea este pozitivă la capătul punctat al bobinei primare, tensiunea pe bobina secundară corespunzătoare va fi negativă.

Atunci, construcția unui transformator poate fi astfel încât tensiunea din secundar să fie "în fază" sau "defazată" în raport cu tensiunea din primar. În transformatoare care au un număr de diferite înfășurări secundare, fiecare dintre ele fiind izolată electric una de cealaltă, este important să se cunoască polaritatea punctului din înfășurările secundare astfel încât acestea să poată fi conectate împreună în serie (tensiunea din secundar este însumată) sau opuse în serie (tensiunea din secundar este diferența).

Abilitatea de a ajusta raportul de spire al unui transformator este adesea de dorit pentru a compensa efectele variațiilor în tensiunea de alimentare din primar, reglarea transformatorului sau condițiile de sarcină variabile. Controlul tensiunii transformatorului este efectuat, în general, prin schimbarea raportului de spire și, prin urmare, a raportului de tensiune prin care o parte a înfășurării primare de pe partea de înaltă tensiune este scoasă în exterior, permițând reglarea ușoară. Branșarea este preferată pe partea de înaltă tensiune, deoarece volții pe spiră sunt mai mici decât pe partea secundarului de joasă tensiune.

Schimbarea prizelor în primarul transformatorului

În acest exemplu simplu, schimbările de branșare la primar sunt calculate pentru o schimbare a tensiunii de alimentare de ± 5%, dar orice altă valoare poate fi aleasă. Unele transformatoare pot avea două sau mai multe înfășurări primare sau două sau mai multe înfășurări secundare pentru utilizare în diferite aplicații care furnizează tensiuni diferite de la un singur miez.

Pierderi în miezul transformatoarelor

Abilitatea fierului sau a oțelului de a transporta fluxul magnetic este mult mai mare decât a ​​aerului și această capacitate de a permite fluxului magnetic să curgă să se numească 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 purta un flux magnetic de 1500 de ori mai bun decât cel al aerului. Dar, atunci când un flux magnetic curge într-un miez de oțel din transformator, două tipuri de pierderi apar în oțel. Unul numit "pierderi prin curenți turbionari (eddy)", iar celălalt numit "pierderi prin histerezis".

Pierderi prin histerezis

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

Această frecare moleculară generează căldură, care reprezintă o pierdere de energie a transformatorului. Pierderile excesive de căldură pot duce la scurtarea duratei de viață a materialelor izolatoare utilizate în fabricarea înfășurărilor și structurilor. Prin urmare, răcirea unui transformator este importantă.

De asemenea, transformatoarele sunt proiectate să funcționeze la o anumită frecvență de alimentare. Scăderea frecvenței alimentării va avea ca rezultat un histerezis crescut și o temperatură mai mare în miezul de fier. Deci, reducerea frecvenței de alimentare de la 60 Hertz la 50 Hertz va crește cantitatea de histerezis prezent, scăzând capacitatea VA a transformatorului.

Pierderi prin curenți turbionari (Eddy)

Pierderile transformatorului prin curenți turbionari, pe de altă parte, sunt cauzate de fluxul de curenți circulanți indus în oțel datorită curgerii fluxului magnetic în jurul miezului. Acești curenți circulanți sunt generați deoarece fluxului magnetic al miezului acționează ca o singură buclă de sârmă. Deoarece miezul de fier este un conductor bun, curenții turbionari induși de un miez de fier solid vor fi mari.

Curenții turbionari nu contribuie cu nimic la utilitatea transformatorului, ci se opun curgerii curentului indus prin acționarea ca o forță negativă care generează încălzire rezistivă și pierdere de putere în interiorul miezului.

Laminarea miezului de fier

Pierderile prin curenți turbionari într-un miez de transformator nu pot fi eliminate complet, dar pot fi mult reduse și controlate prin reducerea grosimii miezului de oțel. În loc să aibă un miez de fier solid mare, calea magnetică este împărțită în mai multe forme de oțel presate subțiri numite "laminate".

Laminările utilizate într-o construcție de transformatoare sunt benzi foarte subțiri de metal izolat îmbinate pentru a produce un miez solid, dar laminat ,așa cum am văzut mai sus. Aceste straturi sunt izolate unul de celălalt printr-un strat de lac sau hârtie pentru a mări rezistivitatea efectivă a miezului, mărind astfel rezistența totală pentru a limita curgerea curenților turbionari.

Rezultatul acestei izolații constă în faptul că pierderea de putere indusă nedorită prin curenți turbionari în miez este redusă foarte mult și din acest motiv circuitul de fier magnetic al fiecărui transformator și alte mașini electromagnetice sunt laminate. Folosirea laminatelor într-o construcție a transformatorului reduce pierderile prin curenți turbionari.

Pierderile de energie, care apare ca o căldură datorată atât histerezisului, cât și curenților turbionari în calea magnetică, sunt cunoscute în mod obișnuit ca "pierderi prin miezul transformatorului", deoarece aceste pierderi apar în toate materialele magnetice, ca urmare a câmpurilor magnetice alternante. Pierderile prin miezul transformatorului sunt întotdeauna prezente într-un transformator ori de câte ori primarul este alimentat, chiar dacă nu este conectată nicio sarcină la înfășurarea secundarului. De asemenea, aceste histerezis și pierderi de curenți turbionari sunt uneori denumite "pierderi în fierul transformatoare", deoarece fluxul magnetic care cauzează aceste pierderi este constant la toate sarcinile.

Pierderi în cupru

Dar există și un alt tip de pierderi de energie asociată cu transformatoare numite "pierderi în cupru". Acestea se datorează, în principal, rezistenței electrice a înfășurărilor din primar și din secundar. Majoritatea bobinelor sunt realizate din sârmă de cupru cu rezistență în Ohmi (Ω). Această rezistență se opune curenților de magnetizare care curg prin ele.

Atunci când o sarcină este conectată la înfășurarea secundarului, curenți electrici mari circulă în ambele înfășurări de primar și secundar, pierderile de energie electrică și de putere (sau I2R ) apar ca căldură. În general, pierderile în cupru variază în funcție de curentul de sarcină, fiind aproape zero la fără sarcină și la o valoare maximă la sarcină maximă atunci când debitul de curent este la maxim.

O putere VA nominală a transformatoarelor poate fi mărită printr-un design și o construcție mai bună pentru a reduce aceste pierderi în miez și cupru. Transformatoarele cu puteri nominale mari necesită conductoare cu o secțiune transversală mare pentru a minimiza pierderile în cupru. Creșterea ratei de disipare a căldurii (o mai bună răcire) cu aer sau ulei forțat sau prin îmbunătățirea izolației transformatoarelor astfel încât să reziste la temperaturi mai ridicate poate crește puterea VA nominală a transformatoarelor.

Atunci putem defini un transformator ideal ca având:

• Nu există bucle de histerezis sau pierderi prin histerezis → 0

• Rezistivitate infinită a materialului de miez dă zero pierderi prin curenți Eddy → 0

• Rezistența zero a înfășurării dă zero pierderi în cupru I2R → 0

În următorul tutorial despre Transformatoare vom analiza încărcarea transformatorului la înfășurarea secundară în raport cu sarcina electrică și vom vedea efectul pe care îl are un transformator conectat "NO-load" și "ON load" pe curentul din înfășurarea primarului.