Transformatorul de CA

Transformatorul de Curent Alternativ

Până în acest moment, am luat în considerare doar cazul în care cele două înfăşurări ale transformatorului aveau inductanţe identice, ducând la egalitatea tensiunilor şi a curenţilor în cele două înfăşurări. Această egalitate între înfăşurarea primară şi cea secundară nu este însă specifică tuturor transformatoarele. Dacă inductanţele celor două înfăşurări sunt diferite, prin modificarea raportului de spire dintre cele două, şi comportamentul transformatorului suferă modificări.

În configuraţia de mai sus, tensiunea secundarului este de aproximativ 10 ori mai mică decât tensiunea din primar (1 V faţa de 10 V), iar pe de altă parte, curentul din secundar este de aproximativ 10 ori mai mare decât curentul din primar (1 mA faţă de 0.1 mA). Ceea ce avem în circuitul de mai sus, este un dispozitiv ce coboară tensiunea de zece ori şi creşte curentul cu acelaşi factor (coborâtor de tensiune / ridicător de curent).

Vezi și

Definiţie

Acesta este un dispozitiv extrem de folositor. Cu ajutorul acestuia se pot foarte uşor multiplica sau împărţi valorile tensiunilor şi ale curenţilor în circuitele de curent continuu. Un transformator ce ridică nivelul tensiunii dinspre primar înspre secundar se numeşte transformator ridicător de tensiune, iar un transformator ce coboară nivelul tensiunii dinspre primare înspre secundar se numeşte coborâtor de tensiune.

Transformatorul de mai sus (vezi şi figura alăturată) este un transformator coborâtor de tensiune datorită faptului că numărul spirelor din înfăşurarea primară este mai mare decât cel din înfăşurarea secundară. Prin urmare, acesta transformă tensiunea ridicată şi curentul scăzut din primar în tensiune scăzută şi curent ridicat în secundar. Secţiunea mult mai mare a conductorului din secundar este necesară datorită creşterii curentului faţă de înfăşurarea primară.

Inversarea alimentării transformatorului

Oricare transformator poate fi alimentat şi invers, dinspre secundar spre primar, inversându-se astfel şi rolul acestuia: transformatorul coborâtor de tensiune devine ridicător de tensiune, şi invers. Totuşi, după cum am precizat în secţiunea precedentă, funcţionare eficientă a unui transformator se poate realiza doar prin proiectarea acestuia pentru anumite valori ale curenţilor şi tensiunilor. Prin urmare, dacă am fi să folosim un transformator „invers”, va trebui să respectăm parametrii iniţiali pentru tensiune şi curent în cazul fiecărei înfăşurări, altfel, transformatorul s-ar putea dovedi extrem de ineficient, iar în cazuri extreme, operarea lui necorespunzătoare poate duce la distrugerea acestuia datorită curenţilor sau tensiunilor în exces.

Notaţia transformatoarelor

În general, transformatoarele sunt astfel construite încât este imposibil de spus care este înfăşurarea primară şi care cea secundară. O convenţie folosită în industrie este notarea cu „H” a înfăşurării cu tensiune mai înaltă (primarul, într-un transformator coborâtor; secundarul, într-un transformator ridicător) şi cu „X” a înfăşurării cu tensiune mai joasă. Prin urmare, un transformator simplu ar trebui să aibă notaţiile „H₁”, „H₂”, „X₁” şi „X₂”.

Faptul că tensiunea şi curentul sunt „transformate” în direcţii opuse nu ar trebui să ne mire. Puterea este egală cu produsul dintre tensiune şi curent, iar transformatoarele nu pot produce putere, ci o pot doar converti.

Inductanţa înfăşurărilor transformatorului

unde,
L = inductanţa înfăşurării (H)
N = numărul spirelor din înfăşurare (1, pentru fir simplu)
μ = permeabilitatea absolută a miezului magnetic
A = aria înfăşurării (m²)
l = lungimea înfăşurării (m)

Dacă ne uităm mai atent la rezultatele obţinute cu circuitul de mai sus, putem vedea o legătură între raportul de transformare al transformatorului şi cele două inductanţe. Se observă că bobina primară are o inductanţă de 100 de ori mai mare decât cea secundară, iar raportul de transformare al tensiunii a fost de 10 la 1. Înfăşurarea cu o inductanţă mai mare va avea o tensiune mai mare şi un curent mai mic decât cealaltă. Din moment ce ambele bobine sunt înfăşurate în jurul aceluiaşi material (pentru un cuplaj magnetic cât mai eficient între ele), singurul parametru care nu este comun ambelor înfăşurări este numărul spirelor din fiecare înfăşurare în parte. Din formula inductanţei, putem observa că aceasta este direct proporţională cu pătratul spirelor înfăşurării:

transformator coborâtor de tensiune; principiul de transformare al curenţilor şi al tensiunilor

Astfel, putem deduce că cele două înfăşurări din exemplul de mai sus, cu un raport al inductanţelor de 100:1, ar trebui să aibă un raport al înfăşurărilor de 10:1 (10² = 100). Acesta este exact raportul descoperit între valorile tensiunilor şi ale curenţilor primare şi secundare (10:1).

Raportul de transformare al transformatorului

unde,
N₂ = numărul spirelor înfăşurării secundare
N₁ = numărul spirelor înfăşurării primare
k > 1 (N₂ > N₁) – transformator ridicător de tensiune
k < 1 (N₂ < N₁) – transformator coborâtor de tensiune
k = 1 (N₂ = N₁) – separator electric

Putem spune prin urmare, că raportul de transformare al unui transformator este egal cu raportul dintre numărul spirelor înfăşurărilor primare şi secundare.

Transformatorul de curent

Transformatorul de curent este o solutie simpla de masurare izolata galvanic în cazul particular, dar des întalnit, al curentului alternativ pur sinusoidal. La fel cu senzorii de curent magnetici acesta este construit de obicei pe un tor din material feromagnetic (fig. 11A). Transformatorul de curent functioneaza ca orice transformator, curentii din înfasurarile primar si secundar fiind legati de relatia:

i S NS = i P NP (4)

unde iP = curentul din primar;

iS = curentul din secundar;

NP = numarul de spire din primar;

NS = numarul de spire din secundar (fig. 11B).

Curentul din primar induce în secundar un curent care este transformat de rezistenta de sarcina RL într-o tensiune (fig. 11C). În aplicatiile tipice ale transformatorului de curent secundarul are mai multe spire decat primarul care de obicei are o singura spira. Astfel curentul din secundar are valori substantial mai mici si mai usor de masurat decat cele din primar.

Transformatorul de curent este o solutie simpla de masurare izolata galvanic în cazul curentului alternativ (A). Curentii primar si secundar sunt dati de relatia iP NP = iS NS (B). Utilizarea corecta presupune o rezistenta de valoare mica pe bornele înfasurarii secundare.RT .

Un transformator de curent ideal nu apare ca o sarcina inductiva, asa cum apare senzorul de curent cu efect Hall, ci ca un rezistor în serie cu înfasurarea primara. Valoarea acestui rezistor este data de relatia:

RP = RS (NP / NS)2

Rezistenta parazita produce în circuitul primar o cadere de tensiune la fel ca o rezistenta reala de aceasi valoare în serie cu primarul.

Comportarea neideala a transformatorului de curent necesita cateva precizari. În masuratorile de curenti la frecvente joase pana la moderate (<10 kHz) conteaza cuplajul mutual si reactanta secundarului. Cuplajul mutual reprezinta gradul în care fluxul generat de primar trece prin secundar si invers. Un transformator eficient are un cuplaj mutual mare. Miezurile toroidale si cele tip E favorizeaza cuplajul mare.

Reactanta secundarului este necesar sa fie, la frecventele de interes, semnificativ mai mare decat rezistenta sa totala (XLS > 10 RS) pentru a avea în secundar un curent care sa reflecte cu precizie curentul primar. Reactanta se poate calcula cu formula:

ZL = 2p f N2 AL / 109

unde f = frecventa de lucru în Hz:

N = numarul de spire;

AL = inductanta caracteristica în mH/1000 spire

ZR = reactanta inductiva în Ohm-i.

Fenomenul de saturatie se poate manifesta si în transformatoarele de curent, dar curentul alternativ necesar saturatiei este semnificativ mai mare decat cel din curent continuu deoarece curentul indus în secundar genereaza un flux magnetic în opozitie cu cel din primar (legea Lenz). Trebuie avut grija sa nu existe componente continui suprapuse peste curentul alternativ fiindca acestea pot satura rapid miezul si distorsiona masuratorile.

Electronica și Tc - Electrocasnice - Energetica - Electrice - Electromagnetice

miercuri, 4 iulie 2012