Transformatorul electric: cum funcționeazăAnimații interactive pentru laborator – Mașini electrice

← Student Portal

Povestea fluxului, pas cu pas

Parametri

Punctele verzi din miez arată fluxul: poziția lor urmărește valoarea lui Φ, deci ele se mișcă doar când fluxul variază. Punctele roșii arată sensul și mărimea curenților. Animația este încetinită (în realitate frecvența este 50 Hz). Poți apăsa pe comutatorul din dreapta pentru a conecta sau deconecta becul.
mărimi primaremărimi secundarefluxmagnetizare (N1·i0)Transformator ideal, în afară de curentul de magnetizare; căderile de tensiune pe rezistențe sunt neglijate.

Ce trebuie reținut

Transformatorul nu produce energie: o mută dintr-un circuit în altul prin intermediul unui flux magnetic variabil, fără nicio legătură electrică între înfășurări. Tensiunea primară impune fluxul, iar fluxul impune tensiunea secundară.

u1 ≈ e1 = N1·dΦ/dt  ⇒  U1 = 4,44·f·N1·Φm

e2 = N2·dΦ/dt  ⇒  U1/U2 = N1/N2 = kT

N1·i1 − N2·i2 = N1·i0  ⇒  I1 ≈ I2·N2/N1  (P1 ≈ P2)

Încearcă: (1) conectează becul și micșorează R2: i2 și i1 cresc, dar curba fluxului nu se schimbă. Fluxul depinde de U1, f și N1, nu de sarcină. (2) Mărește N2 peste N1: transformatorul devine ridicător. (3) Scade N1 sub aproximativ 300 de spire: inducția din miez crește, miezul se saturează, iar curentul de magnetizare devine un impuls ascuțit, mult mai mare.

Alimentarea în c.a. este 220 V efectiv, 50 Hz. Secundarul rămâne practic în gol (becul de control consumă neglijabil). Datele sunt ale transformatorului din lucrare: R1 = 1,66 Ω, I1N = 4 A.

Alimentare în curent alternativ

Alimentare în curent continuu

De ce nu merge în curent continuu

Idee-cheieTransformatorul transferă energie numai prin variația fluxului. În curent continuu fluxul devine constant, deci dΦ/dt = 0 și nu se mai induce nimic.
e = N·dΦ/dt  ;  i1 = (u1 − e1)/R1

În curent alternativ

  1. Tensiunea u1 variază, deci și fluxul Φ variază: dΦ/dt ≠ 0.
  2. În primar se induce e1 = N1·dΦ/dt, aproape egală și opusă cu u1. Ea „frânează” curentul, așa că i1 rămâne mic (doar curentul de magnetizare).
  3. Același flux induce în secundar e2 = N2·dΦ/dt ≠ 0, deci energia poate fi transferată.
  4. Bobina are o impedanță mare:

În curent continuu

  1. După închiderea întrerupătorului fluxul crește cât timp u1 = N1·dΦ/dt. Secundarul primește doar un impuls scurt de tensiune.
  2. Fluxul nu poate crește la nesfârșit: miezul se saturează, iar în regim permanent fluxul este oricum constant, deci dΦ/dt = 0. Atunci e1 = 0 și e2 = 0, iar becul se stinge.
  3. Fără t.e.m. indusă, curentul este limitat doar de rezistența primarului: I = Ucc/R1.
  4. Pierderile Joule R1·I² cresc enorm, iar înfășurarea se încălzește rapid până la distrugerea izolației, dacă protecția nu declanșează.

Cifrele pentru transformatorul din lucrare

Modelul folosit: primar cu rezistența R1 în serie cu o inductivitate neliniară (curba de magnetizare cu saturație, care la saturație scade până la inductivitatea „în aer” a bobinei). Ecuația integrată în timp: dλ/dt = u1 − R1·i1, cu λ = N1·Φ. Tensiunea secundară este u2 = (dλ/dt)/kT, cu kT = 8,76.

A. Fluxul, inducția și curentul de magnetizare: de ce contează frecvența

Stânga sus: curba de magnetizare a miezului (inducția B în funcție de curentul de magnetizare). Punctul portocaliu arată starea miezului în timp. Dreapta sus: inducția maximă Bm în funcție de frecvență, la U1, N1 și SFe fixate. Jos: B(t) și curentul de magnetizare iμ(t) pe două perioade.
Φm = U1/(4,44·f·N1)  ;  Bm = Φm/SFe ≤ ≈1,6 T  ⇒  f ≥ U1/(4,44·N1·SFe·1,6)

Ce se vede: inducția este invers proporțională cu frecvența. Dacă f scade, B crește; la f → 0 (curent continuu) B → ∞ și miezul se saturează. De aceea, un transformator proiectat pentru 50 Hz nu poate fi alimentat la tensiunea nominală la 16,7 Hz, decât dacă tensiunea scade proporțional cu frecvența (regula U/f = constant, linia punctată din graficul Bm(f)). Invers, la 400 Hz același miez poate fi mult mai mic, motiv pentru care transformatoarele din aviație sunt ușoare.

B. Parametrii de catalog și ce înseamnă fiecare

Valorile din ultima coloană sunt calculate din măsurătorile transformatorului din lucrare (încercarea la mers în gol și în scurtcircuit din pagina „Transformatorul electric”).

C. Transformatorul în sarcină: tensiunea secundară și randamentul

Stânga: tensiunea secundară U2/U20 în funcție de încărcare, pentru cele trei tipuri de sarcină (punctul marchează sarcina aleasă). Dreapta: randamentul η(β) cu maximul la βopt.
ΔU% ≈ β·(usc,a·cos φ ± usc,r·sin φ)  ;  η = β·SN·cos φ / (β·SN·cos φ + P0 + β²·Psc)  ;  βopt = √(P0/Psc)

Ce se vede: pierderile în fier P0 sunt constante (depind de U și f), cele în cupru cresc cu β². Randamentul este maxim când cele două sunt egale. Sarcina inductivă coboară tensiunea secundară, iar cea capacitivă o poate ridica peste valoarea de mers în gol.