transportul energiei eleCtriCe la distanţe mari a. generatorul de curent alternativ generatorul de curent alternativ sau alterna to rul reprezintă un dispozitiv care transformă energia mecanică în energie electrică. Elementele de bază ale oricărui alternator (fig. 2.18, a) sunt: 1) sursa de câmp magnetic (magneţi permanenţi sau electromagneţi), numită inductor; 2) cadrul metalic (o bobină în care se induce t.e.m.), numit indus; 3) inelele metalice de contact și periu ţele alunecătoare pe ele. Partea mobilă a generatoru lui este numită rotor, iar cea fixă – stator. Inductorul și indusul reprezintă niște miezuri con fecţionate din oţel, pe care sunt înfășurate bobi nele cu numărul necesar de spire. Pentru asi gu rarea unui flux magnetic maxim, indusul și inductorul se construiesc de o asemenea formă geometrică, încât distanţa dintre ele să fie cât mai mică (fig. 2.18, a). În acest caz, vectorul inducţiei magnetice este mereu aproximativ perpendicular pe vectorul vitezei liniare a punctelor de pe suprafaţa indusului, asigurând, astfel, variaţia sinusoidală a t.e.m. Miezu rile de oţel au și ele o construcţie specială. Pentru micșorarea intensităţii curenţilor turbio nari și, respectiv, a pierde rilor de energie, miezurile sunt confecţionate din plăci subţiri (tole) de oţel, izolate între ele. Frecvenţa t.e.m. generată de alternator depinde de viteza de rotaţie a rotorului. Pentru obţinerea curentului alternativ de frecvenţă industrială (v = 50 Hz), rotorul (un electromagnet cu doi poli) trebuie să efectueze 50 rot/s, adică 3 000 rot/min. Asemenea turaţii mari însă nu pot fi întotdeauna realizate. Această dificultate este înlăturată prin utili zarea electromagneţilor cu mai mulţi poli magnetici 4, 6, 8, … . (În figura 2.18, b este reprezentat schema tic alternatorul cu 4 poli.) Perioada curentului alternativ generat în fiecare caz va fi egală cu timpul necesar pentru rotirea rotorului cu 1/2, 1/3, 1/4, … din lungimea cercului. Atunci, pentru obţinerea curentului alternativ de aceeași frecvenţă, viteza de rotaţie a rotorului va fi de 2, 3, 4, … ori mai mică.
1. Care este semnificaţia puterii active a unui circuit de curent alternativ şi cu ce este egală ea? 2. Ce reprezintă factorul de putere şi care sunt valorile posibile ale acestuia? 3. De ce în circuitele compuse numai din elemente reactive puterea activă este egală cu zero? 4. Ce reprezintă puterea reactivă a circuitului de curent alternativ şi cu ce este egală ea? 5. Cum se obţine triunghiul puterilor? 6. Ce reprezintă puterea aparentă în circuitele de curent alternativ? 7. Care sunt unităţile adoptate în SI pentru puterea activă, reactivă şi aparentă? 8. Un circuit serie format dintrun condensator de capa citate C = (5/9π)·10–3 F şi o bo bină de inductan
ţă L = (0,3/π) H şi rezistenţă R = 16 Ω este alimentat la un generator cu tensiunea U = 120 V şi frecvenţa ν = 50 Hz. Calculaţi: a) impedanţa cir cuitului; b) inten sitatea curentului din circuit; c) factorul de putere al circuitului; d) puterile activă, reactivă şi aparentă. 9. Un circuit serie este format dintrun rezistor şi o bobină cu rezistenţă neglijabilă. Dacă acest circuit este ali mentat la o tensiune alternativă, având valoarea efec tivă U = 240 V, defazajul dintre tensiune şi curent este ϕ1 = π/3. Dacă însă în circuit se conectează în serie şi un condensator cu reactanţa , defazajul devine ϕ2 = π/6. Determinaţi: a) rezistenţa rezisto ru lui; b) reactanţa bobinei; c) puterile activă, reactivă şi apa rentă pentru circuitul care conţine şi conden sator, dacă se cunoaşte că acesta este prepon derent inductiv.
Fig. 2.18
a)
b)
39
b. randamentul liniei de transport. impactul asupra organismelor vii Energia electrică este produsă cu ajutorul gene ratoarelor la centrale electrice mari, amplasate, de obicei, în apropierea resurselor energetice naturale, iar consuma to rii se află la anumite distanţe de la ele. Astfel, utilizarea energiei electrice necesită con struc ţia unor linii de transport al acesteia. Orice linie de transport este caracterizată de pierderi de energie din cauza efectului termic al curentului electric: Aceste pierderi pot fi reduse prin micșorarea rezistenţei conductoarelor din care este alcătuită linia de transport sau a intensităţii curentului. Dacă l este lungimea liniei, iar S este aria secţiunii transversale a conductoarelor folosite, atunci și pierderile de putere prin efect termic într-o linie cu două conductoare sunt caracterizate de relaţia: , unde ρ este rezistivitatea conductoarelor. Întrucât lungimea liniei de transport este impusă de distanţa dintre consumator și generator, rezistenţa liniei poate fi mic șorată numai datorită măririi ariei secţiunii transversale a conductoarelor, adică majorării masei de metal folosit. Aceasta însă nu este rentabil din punct de vedere tehnic și economic. Rezultă că unica modalitate de reducere a pierderilor este micșorarea intensităţii curentului. Puterea curentului electric este egală cu produsul dintre intensitate și tensiune și, pentru a menţine constantă puterea curentului electric din linia de transport, este necesar să mă rim tensiunea de atâtea ori, de câte ori micșorăm intensitatea curentului. Tensiunile înalte, necesare în cazul transportului energiei electrice, nu pot fi obţinute direct la generatoarele de curent alternativ, dar nici nu sunt necesare pentru consumatori, aceștia folosind tensiuni mult mai joase. Din această cauză un element important al liniei de transport este dispozitivul de ridicare (coborâre) a tensiunii, numit transformator. În figura 2.20 este reprezentată schematic o linie de tensiune înaltă. În fiecare caz tensiunea din linia de transport este determinată de puterea transmisă și de distanţa la care trebuie transportată energia electrică, dar întot deauna ea este de ordinul sutelor de mii de volţi. Deoarece necesităţile consumatorilor sunt diferite, staţiunile de micșorare a tensiunii funcţionează în trepte. Astfel, pentru consumatorii mari se construiesc linii de transport cu tensiuni de ordinul zecilor de mii de volţi, iar consumatorii mici se alimentează de la linii cu tensiunea de 220 V.
100–800 kV
Centrală electrică
Staţiune de ridicare a tensiunii
Staţiune de coborâre a tensiunii
Consu matori
e bine să mai ştiţi Generatorul de curent continuu se deosebeşte de al ter nator numai prin con struc ţia co lec torului (fig. 2.19). Cele două inele pe care alunecă periuţele p1 şi p2 (v. fig. 2.1) se în locuiesc cu două semiinele, nu mite lamele (fig. 2.19, a), fie care dintre ele conectânduse la capetele cadrului metalic. Lamelele se rotesc îm preună cu cadrul, iar periuţele rămân fixe. După un timp egal cu o ju mă tate de perioadă, sensul curen tului prin laturile active ale cadrului se modifică, dar în acelaşi timp şi semiinelele îşi schimbă locurile. Astfel, la periuţa p1 tot timpul va fi un po tenţial negativ, iar la periu ţa p2 – po zitiv. Cu toate că prin circuitul exterior curentul are permanent acelaşi sens (conti nuu), după fie care jumătate de perioadă t.e.m. şi intensitatea curentului au valori nule (fig. 2.19, a). Cu alte cu vinte, variaţia alternativă a t.e.m. şi a inten sităţii curentului este trans for mată de către colector întro variaţie, nu mi tă pulsatorie. Pentru obţinerea unui curent continuu de pulsaţii mici se iau mai multe bobine (cadre metalice) aşezate sub unghiuri egale una faţă de alta. În acest caz, colec torul reprezintă un inel secţio nat, numărul de lamele fiind egal cu numărul bo bi nelor. În figura 2.19, b este repre zen tat colectorul cu patru lamele. Un generator cu asemenea colector, la care se conectează patru bobine, va genera un curent continuu de intensitate minimă diferită de zero şi pulsaţii evident mai mici.
Fig. 2.19
Fig. 2.20
a) b)
40
Fig. 2.21
a) b)
De rând cu problemele tehnice analizate mai sus este necesar să menţionăm și problemele legate de impactul liniilor de transport al energiei electrice asupra mediului înconjurător și, în special, asupra organismelor vii. Princi palele tipuri de poluări ale mediului înconjurător sunt: poluarea sonoră (zgomote produse de conductoarele liniei electrice și, în special, de transfor ma toare, de descărcarea în coroană pe liniile de înaltă tensiune); poluarea electromagnetică (perturbaţii radio și ale emisiunilor de televi ziune, influenţa câmpurilor electric și magnetic asupra orga nismelor vii); poluarea ecologică (ocuparea tere nu rilor, defrișarea pădurilor ș.a.). Problemele legate de influenţa câmpurilor electric și magnetic asupra organismelor vii formează obiectul unor cercetări speciale începute relativ nu de mult. Studiile efectuate în cazul influenţei câmpurilor electri ce intense asupra organismului uman au scos în evidenţă simptome de oboseală, slăbiciune, scăderea atenţiei, senzaţii de ameţeală și insomnii. În prezent se consi deră că pentru om nu există pericole doar în cazul câmpurilor electrice cu intensităţi de până la 5 kV/m. Acţiunea câmpului magnetic asupra organis melor vii încă nu este studiată complet, de aceea nu sunt stabilite nici limitele admise și nici efectele concrete ale acestuia. c. transformatorul O aplicaţie practică foarte importantă a fenomenului inducţiei electromag ne tice este transformato rul. În figura 2.21 sunt reprezentate: a) construcţia transfor ma torului; b) simbolul lui în schemele electrice. Cel mai simplu transfor ma tor constă din două bobine cu numărul de spire diferit N1 și N2, înfășurate pe același miez de fier ce formează un circuit magnetic închis. Circuitul format din sursa de alimentare și una din bobinele transfor ma torului este numit primar, iar cel format de a doua bobină și consuma tor – secun dar. În funcţie de necesităţi, pe același miez pot fi înfășurate mai multe bobine. În
aseme nea cazuri transformatorul conţine un sin gur circuit primar și mai multe secundare. Dacă la transfor mator nu este conectat niciun consumator, adică circuitul secundar este întrerupt, atunci se spune că transformatorul funcţionează în gol. Să presupunem că bobina cu N1 spire este conectată la o sursă de tensiune alternativă u1 și transforma torul funcţionează în gol. În circuitul primar apare curentul de intensitate i1 care generează un flux magne tic variabil Acest flux străbate spirele ambelor bobine indiferent de exis tenţa miezului de fier. Rolul acestuia este de a mări valoarea de ampli tu dine a fluxului magnetic și, în același timp, de a concentra liniile de inducţie mag netică ale câmpului. Astfel, atât bobina circuitului primar, cât și a celui secundar vor fi străbătute practic de același flux și cuplajul magnetic dintre bobine devine mai eficient. Conform legii inducţiei electromagnetice, în bobi nele primară și secundară ale transforma torului apar, respectiv, t.e.m. de autoin duc ţie e1 și de inducţie e2: şi , unde ΔΦ este variaţia fluxului magnetic printr-o spiră, aceeași pentru ambele bobine. Din împărţirea acestor relaţii rezultă că raportul t.e.m. de autoin duc ţie din bobina pri mară și cea de inducţie din bobina secundară este egal cu raportul numerelor cores pun zătoare de spire: (2.45) La funcţionarea transformatorului în gol, curentul prin bobina secundară i2 = 0, de aceea t.e.m. e2 este egală cu tensiunea u2 de la bornele ei. Prin bobina primară însă circulă curentul (numit de funcţionare în gol) de intensitate i1 mică. Întrucât rezis tenţa ei R1 este, de obicei, foarte mică, căderea de tensiune Din acest motiv, valoa rea t.e.m. e1 este aproximativ egală cu cea a tensiunii de alimentare u1, adică: (2.46) Semnul „–” arată că t.e.m. e1 și tensiunea de alimentare u1 sunt în opoziţie de fază. Folosind relaţia (2.45), obţinem:
sau pentru valorile efective: (2.47)
41
Raportul K al tensiunilor de la bornele bobinelor transformatorului la funcţio na rea lui în gol este numit coeficient de transformare. Pentru valoarea K < 1 din (2.47) rezultă că U2 > U1 și transformatorul este nu mit ri dicător de tensiune, iar pentru K > 1 rezultă U2 < U1 și este numit coborâtor de ten siune. Transformatoarele caracterizate de raportul K ≈ 1 sunt folosite pentru separarea electrică a circuitelor, cuplajul realizându-se doar prin inducţie electro mag netică. Asemenea transfor matoare, de obicei, sunt folosite pentru acordarea circui telor în radiotehnică. Dacă la bornele bobinei secundare se conectează un consumator de rezistenţă R2, prin circuitul secun dar apare un curent de intensitate i2, care generează un flux magnetic variabil Ф2. Acest flux modifică valoa rea fluxului magnetic total din miezul transfor ma toru lui și egalitatea aproximativă (2.46) nu are loc. Din această cauză valoarea efec tivă I1 a intensităţii curentului din circuitul primar crește, generând un flux magnetic Ф1 prin spirele bobinei primare care, conform regulii lui Lentz, este în opoziţie de fază faţă de fluxul Ф2. Cu cât rezistenţa R2 a consu ma torului este mai mică (curentul I2 este mai mare), cu atât curentul I1 din circuitul primar devine mai mare. În timpul funcţionării transforma toru lui, în miezul lui se stabilește o stare de echilibru dintre fluxurile magnetice Ф1 și Ф2, astfel încât: Ф1 ≈ Ф2. (2.48) În conformitate cu (1.21), fluxul magnetic este proporţional cu intensitatea curentului din bobină și cu numărul ei de spire, adică și .
Înlocuind aceste relaţii în (2.48) pentru coeficientul de transformare (2.47), obţinem: (2.49) Din (2.49) rezultă că dacă U2 << U1, atunci în bobina secundară a transformatorului (coborâtor de tensiune) se obţin curenţi de intensitate foarte mare. Asemenea transformatoare se folosesc în dispozitivele destinate pentru sudură electrică. Întrucât produsul dintre tensiune și intensitatea curentului semnifică puterea electrică, din (2.49) mai rezultă că puterea din circuitul primar este aproxima tiv egală cu puterea din cel secundar P1 ≈ P2. Conchidem că energia furnizată consumatorului la bornele bobinei secundare este aproximativ egală cu cea din bobina primară. Evident, egalitatea aproximativă a puterilor din circuitele primar și secundar este deter mi nată de pierderile , care au loc în transformator. Cu cât pierderile în transformator sunt mai mici, cu atât randamentul lui η este mai mare:
În scopul reducerii pierderilor descrise mai sus, la construirea transforma toa re lor se întreprind anumite măsuri de prevenire a acestora. Bobinele de tensiune joasă prin care circulă curenţi de intensitate înaltă se confecţionează din sârmă de cupru cu diametru mare, astfel mic șorându-se pierderile prin efect termic. Miezul transformatorului se construiește dintr-un aliaj spe cial, numit ferosiliciu, sub formă de plăci subţiri (tole) izolate între ele, de obicei, cu lac. Funcţio nând în condiţii nominale, transformatoarele au un randa ment foarte înalt, atingând valori de până la 98%.
Verificaţi-vă cunoştinţele
8. Cum se defineşte randamentul transformatorului? 9. Bobina primară a unui transformator conţine 1000 de spire şi este conectată la o sur să de alimentare de 220 V. Determinaţi coeficientul de transformare şi numă rul de spire din bobina secundară, dacă la bornele ei tensiunea este de 1,1 kV. 10. Un transformator coborâtor de tensiune este conectat la o sursă de alimentare cu tensiunea de 220 V. Care este inten sitatea curentului în circuitul primar, dacă în cel secundar circulă un curent de 22 A la o tensiune de 36 V? 11. Puterea consumată de un transformator este de 45 W. Deter minaţi intensitatea curentului din circuitul bobinei secundare, dacă la bornele ei este o tensiune de 9 V, iar transformatorul funcţionează cu un randament de
1. Care este semnificaţia puterii active a unui circuit de curent alternativ şi cu ce este egală ea? 2. Ce reprezintă factorul de putere şi care sunt valorile posibile ale acestuia? 3. De ce în circuitele compuse numai din elemente reactive puterea activă este egală cu zero? 4. Ce reprezintă puterea reactivă a circuitului de curent alternativ şi cu ce este egală ea? 5. Cum se obţine triunghiul puterilor? 6. Ce reprezintă puterea aparentă în circuitele de curent alternativ? 7. Care sunt unităţile adoptate în SI pentru puterea activă, reactivă şi aparentă? 8. Un circuit serie format dintrun condensator de capa citate C = (5/9π)·10–3 F şi o bo bină de inductan
ţă L = (0,3/π) H şi rezistenţă R = 16 Ω este alimentat la un generator cu tensiunea U = 120 V şi frecvenţa ν = 50 Hz. Calculaţi: a) impedanţa cir cuitului; b) inten sitatea curentului din circuit; c) factorul de putere al circuitului; d) puterile activă, reactivă şi aparentă. 9. Un circuit serie este format dintrun rezistor şi o bobină cu rezistenţă neglijabilă. Dacă acest circuit este ali mentat la o tensiune alternativă, având valoarea efec tivă U = 240 V, defazajul dintre tensiune şi curent este ϕ1 = π/3. Dacă însă în circuit se conectează în serie şi un condensator cu reactanţa , defazajul devine ϕ2 = π/6. Determinaţi: a) rezistenţa rezisto ru lui; b) reactanţa bobinei; c) puterile activă, reactivă şi apa rentă pentru circuitul care conţine şi conden sator, dacă se cunoaşte că acesta este prepon derent inductiv.
Fig. 2.18
a)
b)
39
b. randamentul liniei de transport. impactul asupra organismelor vii Energia electrică este produsă cu ajutorul gene ratoarelor la centrale electrice mari, amplasate, de obicei, în apropierea resurselor energetice naturale, iar consuma to rii se află la anumite distanţe de la ele. Astfel, utilizarea energiei electrice necesită con struc ţia unor linii de transport al acesteia. Orice linie de transport este caracterizată de pierderi de energie din cauza efectului termic al curentului electric: Aceste pierderi pot fi reduse prin micșorarea rezistenţei conductoarelor din care este alcătuită linia de transport sau a intensităţii curentului. Dacă l este lungimea liniei, iar S este aria secţiunii transversale a conductoarelor folosite, atunci și pierderile de putere prin efect termic într-o linie cu două conductoare sunt caracterizate de relaţia: , unde ρ este rezistivitatea conductoarelor. Întrucât lungimea liniei de transport este impusă de distanţa dintre consumator și generator, rezistenţa liniei poate fi mic șorată numai datorită măririi ariei secţiunii transversale a conductoarelor, adică majorării masei de metal folosit. Aceasta însă nu este rentabil din punct de vedere tehnic și economic. Rezultă că unica modalitate de reducere a pierderilor este micșorarea intensităţii curentului. Puterea curentului electric este egală cu produsul dintre intensitate și tensiune și, pentru a menţine constantă puterea curentului electric din linia de transport, este necesar să mă rim tensiunea de atâtea ori, de câte ori micșorăm intensitatea curentului. Tensiunile înalte, necesare în cazul transportului energiei electrice, nu pot fi obţinute direct la generatoarele de curent alternativ, dar nici nu sunt necesare pentru consumatori, aceștia folosind tensiuni mult mai joase. Din această cauză un element important al liniei de transport este dispozitivul de ridicare (coborâre) a tensiunii, numit transformator. În figura 2.20 este reprezentată schematic o linie de tensiune înaltă. În fiecare caz tensiunea din linia de transport este determinată de puterea transmisă și de distanţa la care trebuie transportată energia electrică, dar întot deauna ea este de ordinul sutelor de mii de volţi. Deoarece necesităţile consumatorilor sunt diferite, staţiunile de micșorare a tensiunii funcţionează în trepte. Astfel, pentru consumatorii mari se construiesc linii de transport cu tensiuni de ordinul zecilor de mii de volţi, iar consumatorii mici se alimentează de la linii cu tensiunea de 220 V.
100–800 kV
Centrală electrică
Staţiune de ridicare a tensiunii
Staţiune de coborâre a tensiunii
Consu matori
e bine să mai ştiţi Generatorul de curent continuu se deosebeşte de al ter nator numai prin con struc ţia co lec torului (fig. 2.19). Cele două inele pe care alunecă periuţele p1 şi p2 (v. fig. 2.1) se în locuiesc cu două semiinele, nu mite lamele (fig. 2.19, a), fie care dintre ele conectânduse la capetele cadrului metalic. Lamelele se rotesc îm preună cu cadrul, iar periuţele rămân fixe. După un timp egal cu o ju mă tate de perioadă, sensul curen tului prin laturile active ale cadrului se modifică, dar în acelaşi timp şi semiinelele îşi schimbă locurile. Astfel, la periuţa p1 tot timpul va fi un po tenţial negativ, iar la periu ţa p2 – po zitiv. Cu toate că prin circuitul exterior curentul are permanent acelaşi sens (conti nuu), după fie care jumătate de perioadă t.e.m. şi intensitatea curentului au valori nule (fig. 2.19, a). Cu alte cu vinte, variaţia alternativă a t.e.m. şi a inten sităţii curentului este trans for mată de către colector întro variaţie, nu mi tă pulsatorie. Pentru obţinerea unui curent continuu de pulsaţii mici se iau mai multe bobine (cadre metalice) aşezate sub unghiuri egale una faţă de alta. În acest caz, colec torul reprezintă un inel secţio nat, numărul de lamele fiind egal cu numărul bo bi nelor. În figura 2.19, b este repre zen tat colectorul cu patru lamele. Un generator cu asemenea colector, la care se conectează patru bobine, va genera un curent continuu de intensitate minimă diferită de zero şi pulsaţii evident mai mici.
Fig. 2.19
Fig. 2.20
a) b)
40
Fig. 2.21
a) b)
De rând cu problemele tehnice analizate mai sus este necesar să menţionăm și problemele legate de impactul liniilor de transport al energiei electrice asupra mediului înconjurător și, în special, asupra organismelor vii. Princi palele tipuri de poluări ale mediului înconjurător sunt: poluarea sonoră (zgomote produse de conductoarele liniei electrice și, în special, de transfor ma toare, de descărcarea în coroană pe liniile de înaltă tensiune); poluarea electromagnetică (perturbaţii radio și ale emisiunilor de televi ziune, influenţa câmpurilor electric și magnetic asupra orga nismelor vii); poluarea ecologică (ocuparea tere nu rilor, defrișarea pădurilor ș.a.). Problemele legate de influenţa câmpurilor electric și magnetic asupra organismelor vii formează obiectul unor cercetări speciale începute relativ nu de mult. Studiile efectuate în cazul influenţei câmpurilor electri ce intense asupra organismului uman au scos în evidenţă simptome de oboseală, slăbiciune, scăderea atenţiei, senzaţii de ameţeală și insomnii. În prezent se consi deră că pentru om nu există pericole doar în cazul câmpurilor electrice cu intensităţi de până la 5 kV/m. Acţiunea câmpului magnetic asupra organis melor vii încă nu este studiată complet, de aceea nu sunt stabilite nici limitele admise și nici efectele concrete ale acestuia. c. transformatorul O aplicaţie practică foarte importantă a fenomenului inducţiei electromag ne tice este transformato rul. În figura 2.21 sunt reprezentate: a) construcţia transfor ma torului; b) simbolul lui în schemele electrice. Cel mai simplu transfor ma tor constă din două bobine cu numărul de spire diferit N1 și N2, înfășurate pe același miez de fier ce formează un circuit magnetic închis. Circuitul format din sursa de alimentare și una din bobinele transfor ma torului este numit primar, iar cel format de a doua bobină și consuma tor – secun dar. În funcţie de necesităţi, pe același miez pot fi înfășurate mai multe bobine. În
aseme nea cazuri transformatorul conţine un sin gur circuit primar și mai multe secundare. Dacă la transfor mator nu este conectat niciun consumator, adică circuitul secundar este întrerupt, atunci se spune că transformatorul funcţionează în gol. Să presupunem că bobina cu N1 spire este conectată la o sursă de tensiune alternativă u1 și transforma torul funcţionează în gol. În circuitul primar apare curentul de intensitate i1 care generează un flux magne tic variabil Acest flux străbate spirele ambelor bobine indiferent de exis tenţa miezului de fier. Rolul acestuia este de a mări valoarea de ampli tu dine a fluxului magnetic și, în același timp, de a concentra liniile de inducţie mag netică ale câmpului. Astfel, atât bobina circuitului primar, cât și a celui secundar vor fi străbătute practic de același flux și cuplajul magnetic dintre bobine devine mai eficient. Conform legii inducţiei electromagnetice, în bobi nele primară și secundară ale transforma torului apar, respectiv, t.e.m. de autoin duc ţie e1 și de inducţie e2: şi , unde ΔΦ este variaţia fluxului magnetic printr-o spiră, aceeași pentru ambele bobine. Din împărţirea acestor relaţii rezultă că raportul t.e.m. de autoin duc ţie din bobina pri mară și cea de inducţie din bobina secundară este egal cu raportul numerelor cores pun zătoare de spire: (2.45) La funcţionarea transformatorului în gol, curentul prin bobina secundară i2 = 0, de aceea t.e.m. e2 este egală cu tensiunea u2 de la bornele ei. Prin bobina primară însă circulă curentul (numit de funcţionare în gol) de intensitate i1 mică. Întrucât rezis tenţa ei R1 este, de obicei, foarte mică, căderea de tensiune Din acest motiv, valoa rea t.e.m. e1 este aproximativ egală cu cea a tensiunii de alimentare u1, adică: (2.46) Semnul „–” arată că t.e.m. e1 și tensiunea de alimentare u1 sunt în opoziţie de fază. Folosind relaţia (2.45), obţinem:
sau pentru valorile efective: (2.47)
41
Raportul K al tensiunilor de la bornele bobinelor transformatorului la funcţio na rea lui în gol este numit coeficient de transformare. Pentru valoarea K < 1 din (2.47) rezultă că U2 > U1 și transformatorul este nu mit ri dicător de tensiune, iar pentru K > 1 rezultă U2 < U1 și este numit coborâtor de ten siune. Transformatoarele caracterizate de raportul K ≈ 1 sunt folosite pentru separarea electrică a circuitelor, cuplajul realizându-se doar prin inducţie electro mag netică. Asemenea transfor matoare, de obicei, sunt folosite pentru acordarea circui telor în radiotehnică. Dacă la bornele bobinei secundare se conectează un consumator de rezistenţă R2, prin circuitul secun dar apare un curent de intensitate i2, care generează un flux magnetic variabil Ф2. Acest flux modifică valoa rea fluxului magnetic total din miezul transfor ma toru lui și egalitatea aproximativă (2.46) nu are loc. Din această cauză valoarea efec tivă I1 a intensităţii curentului din circuitul primar crește, generând un flux magnetic Ф1 prin spirele bobinei primare care, conform regulii lui Lentz, este în opoziţie de fază faţă de fluxul Ф2. Cu cât rezistenţa R2 a consu ma torului este mai mică (curentul I2 este mai mare), cu atât curentul I1 din circuitul primar devine mai mare. În timpul funcţionării transforma toru lui, în miezul lui se stabilește o stare de echilibru dintre fluxurile magnetice Ф1 și Ф2, astfel încât: Ф1 ≈ Ф2. (2.48) În conformitate cu (1.21), fluxul magnetic este proporţional cu intensitatea curentului din bobină și cu numărul ei de spire, adică și .
Înlocuind aceste relaţii în (2.48) pentru coeficientul de transformare (2.47), obţinem: (2.49) Din (2.49) rezultă că dacă U2 << U1, atunci în bobina secundară a transformatorului (coborâtor de tensiune) se obţin curenţi de intensitate foarte mare. Asemenea transformatoare se folosesc în dispozitivele destinate pentru sudură electrică. Întrucât produsul dintre tensiune și intensitatea curentului semnifică puterea electrică, din (2.49) mai rezultă că puterea din circuitul primar este aproxima tiv egală cu puterea din cel secundar P1 ≈ P2. Conchidem că energia furnizată consumatorului la bornele bobinei secundare este aproximativ egală cu cea din bobina primară. Evident, egalitatea aproximativă a puterilor din circuitele primar și secundar este deter mi nată de pierderile , care au loc în transformator. Cu cât pierderile în transformator sunt mai mici, cu atât randamentul lui η este mai mare:
În scopul reducerii pierderilor descrise mai sus, la construirea transforma toa re lor se întreprind anumite măsuri de prevenire a acestora. Bobinele de tensiune joasă prin care circulă curenţi de intensitate înaltă se confecţionează din sârmă de cupru cu diametru mare, astfel mic șorându-se pierderile prin efect termic. Miezul transformatorului se construiește dintr-un aliaj spe cial, numit ferosiliciu, sub formă de plăci subţiri (tole) izolate între ele, de obicei, cu lac. Funcţio nând în condiţii nominale, transformatoarele au un randa ment foarte înalt, atingând valori de până la 98%.
Verificaţi-vă cunoştinţele
8. Cum se defineşte randamentul transformatorului? 9. Bobina primară a unui transformator conţine 1000 de spire şi este conectată la o sur să de alimentare de 220 V. Determinaţi coeficientul de transformare şi numă rul de spire din bobina secundară, dacă la bornele ei tensiunea este de 1,1 kV. 10. Un transformator coborâtor de tensiune este conectat la o sursă de alimentare cu tensiunea de 220 V. Care este inten sitatea curentului în circuitul primar, dacă în cel secundar circulă un curent de 22 A la o tensiune de 36 V? 11. Puterea consumată de un transformator este de 45 W. Deter minaţi intensitatea curentului din circuitul bobinei secundare, dacă la bornele ei este o tensiune de 9 V, iar transformatorul funcţionează cu un randament de
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu