Transformatoare uscate. Inductante. Proiectare. Aplicatii

CUPRINS

Notatii

1. Transformatoare uscate de mica putere
1.1. Date initiale
1.2. Particularitatile proiectarii transformatoarelor uscate de mica putere
1.3. Alegerea inductiei in coloana
1.4. Alegerea sectiunii coloanei
1.5. Calculul numarului de spire
1.6. Calculul curentilor si alegerea conductoarelor de bobinaj
1.7. Dimensionarea infasurarii primare
1.8. Dimensionarea infasurarii secundare
1.9. Calculul pierderilor in infasurari
1.10. Calculul termic al infasurarilor
1.11. Calculul consumului de cupru
1.12. Dimensionarea miezului magnetic
1.12.1. Calculul inaltimii ferestrei
1.12.2. Calculul latimii ferestrei
1.12.3. Calculul lungimii miezului magnetic
1.12.4. Calculul inaltimii miezului magnetic
1.12.5. Calculul numarului de tole
1.13. Calculul pierderilor la mersul in gol
1.13.1.Pierderile la mersul in gol pentru transformatoare cu miezul magnetic cu sectiune rectangulara, realizat din tabla silicioasa laminata la cald
1.13.2. Pierderile la mersul in gol pentru transformatoare cu miezul magnetic realizat din tabla silicioasa laminata la rece
1.13.3. Cazul sectiunii dreptunghiulare a coloanelor si jugurilor
1.13.4. Cazul sectiunii transversale a jugului in trepte, separat printr-o linie dreapta de coloana cu care se invecineaza (sau jug asimetric fata de axa sa orizontala)
1.13.5. Cazul sectiunii transversale a jugului in trepte cu o forma simetrica fata de axa sa orizontala
1.13.6. Cazul miezului cu multe trepte la care greutatile se determina pe pachete de tole
1.13.7. Pierderile la mersul in gol la transformatoarele trifazate
avand coloanele si jugurile imbinate la 45°
1.14. Calculul curentului de mers in gol
1.14.1. Pierderile reactive pentru miezuri din tabla silicioasa laminata la cald
1.14.2. Pierderile reactive pentru miezuri din tabla silicioasa laminata la rece
1.14.3. Cazul sectiunii dreptunghiulare a coloanelor si jugurilor
1.14.4. Cazul sectiunii transversale a jugului in trepte, separat printr-o linie dreapta de coloana cu care se invecineaza (sau jug asimetric fata de axa sa orizontala)
1.14.5. Cazul sectiunii transversale a jugului in trepte cu o forma simetrica
fata de axa sa orizontala
1.14.6. Pierderile reactive la mersul in gol la transformatoarele trifazate cu imbinari la 45°
1.15. Calculul tensiunii de scurtcircuit
1.16. Calculul dimensiunilor de gabarit
1.17. Proiectarea autotransformatoarelor monofazate
1.18. Proiectarea transformatoarelor cu bobine alungite
1.19. Proba termica la transformatoarele uscate
1.20. Supraincarcarea transformatoarelor uscate
1.21. Socul de curent la cuplarea in gol a transformatoarelor

2. Dimensionarea transformatoarelor cu miezuri speciale
2.1. Transformator push-pull de 38 W la 100 kHz folosind coeficientul de geometrie al miezului, Kg
2.2. Transformator de separare de 250 W

3. Calculul inductantelor
3.1. Proiectarea inductantelor monofazate cu miez magnetic
3.2. Proiectarea inductantelor cu miez magnetic pentru circuite cu tensiune alternativa
3.3. Proiectarea inductantelor in aer. Aplicatie cu inductanta de 43 ?H, 1000 A

4. Aplicatii
4.1. Dimensionarea transformatoarelor de impuls cu miez din ferita tip „oala”
4.2. Dimensionarea transformatoarelor de curent pe ferita tip „oala”
4.3. Calculul protectiei redresoarelor alimentate de la retea printr-un transformator
4.4. Calculul transformatorului care alimenteaza puntea unui demaror
4.5. Aproximarea temperaturii de echilibru a doua bobine concentrice
4.6. Proiectarea unei inductante monofazate cu miez magnetic de 5,4 mH, 1200 A
4.7. Dimensionarea unui transformator uscat de 55,5 kVA, 400/140 V
4.8. Estimarea scaderii temperaturii infasurarilor in cazul reducerii sarcinii

Bibliografie.

PREFATA:

Transformatorul, dispozitivul cel mai vechi de conversie a unor parametri ai energiei, a cunoscut in decursul anilor numeroase investigatii privind imbunatatirea performantelor, rezultat atat al unor cercetari teoretice privind solutiile functionale si constructive si regimurile de functionare, cat si al utilizarii unor noi materiale cu performante superioare: tole magnetice cu pierderi reduse, clase de izolatii noi, metode de incercare care sa se apropie de regimurile de functionare tot mai complexe pe care in special electronica de putere le presupune. Intr-un fel, s-ar parea ca tot ceea ce era de spus, s-a spus!

In proiectarea transformatoarelor clasice cu izolatia in ulei exista o bogata experienta, putandu-se aprecia ca astazi exista metodologii de calcul bine puse la punct, optimizari de solutii bazate pe modelari si aplicarea unor programe de calcul riguroase, intr-un fel performantele superioare datorandu-se mai putin unor elemente noi de calcul, cat in special dezvoltarilor constructive, a materialelor noi utilizate in constructia acestora.

In domeniul transformatoarelor speciale, din aceasta categorie de echipamente facand parte si transformatoarele uscate, exista mai putine date, firmele constructoare fiind mai putin deschise sa prezinte experientele lor reusite, care in ultima instanta se reflecta in performantele echipamentului si in competitivitatea concurentiala a firmei.

Subiectul lucrarii de fata, pe care autorii ing. Emil LAZARESCU si dr. ing. Ion POTARNICHE au prezentat-o spre publicare, are o importanta cu totul speciala, in sensul ca ea abordeaza un domeniu in care exista putine date comunicate de alti autori si ca transformatorul uscat de mica putere devine un element important intr-o actionare de putere, atat ca performanta, cat si ca varietate constructiv - functionala.

In proiectarea unui transformator uscat, transferul de caldura de la miez la infasurari se face mult mai dificil decat in cazul transformatoarelor in ulei din cauza coeficientilor de transfer diferiti ai caldurii in mediile de racire, ceea ce impune marirea sectiunii de fier pentru coloanele transformatorului, cresterea dimensiunii coloanelor si marirea canalelor de racire, reducerea inductiei in coloana si a densitatii de curent in infasurari.

Este evident ca optimizarea unei constructii este rezultatul luarii in considerare a acestor factori si alegerea celor mai potrivite solutii va trebui facuta in concordanta cu performantele care se cer unei anumite constructii de transformator.

Autorii avand sansa de a dezvolta numeroase tipuri de transformatoare, adesea fiecare din ele reprezentand un caz special, au acumulat o valoroasa experienta care se transfera in mod util catre cel care doreste sa proiecteze un asemenea transformator. Solutiile date de autori pentru anumite elemente constructive, geometrii, materiale propuse spre utilizare sunt completate cu relatii de calcul originale pe care acestia le-au stabilit, utilizat si validat prin rezultatele experimentale, confirmate in final prin concordanta intre performantele preconizate prin ipotezele de lucru cu cele obtinute pe standul de incercari.

Rezultatele comunicate de autori si metodologia de lucru propusa este cu atat mai valoroasa, cu cat, spre deosebire de transformatoarele cu racire in ulei unde lucrurile sunt in general cunoscute si exista numeroase standarde care reglementeaza diversele aspecte, in cazul transformatoarelor uscate nu exista decat doua standarde CEI, de unde si aprecierea ca exista multe lucruri care au nevoie sa fie abordate si adancite, ca domeniul este deschis aparitiei unor lucruri noi, prezenta lucrare fiind o contributie meritorie la
dezvoltarea domeniului.

Din acest punct de vedere, aceasta carte se inscrie in mod fericit in randul acelor aparitii care prezinta produse care s-au facut, care au la baza o experienta validata si pot fi aplicate cu succes in cazul dezvoltarii altor constructii derivate. Spre exemplu, pentru cazul transformatoarelor uscate de mica putere, autorii analizeaza situatia in care un transformator are mai multe secundare, admit anumite abateri ale raportului de transformare, prezinta caderi ale tensiunii secundare in sarcina intre anumite limite, valori pentru tensiunile de incercare sau elemente constructive care trebuie sa se incadreze intre anumite valori, solutii care au fost verificate cu succes in solutiile propuse si realizate de autori.

Pe linia generalizarii unor experiente capatate de autori in cazul transformatoarelor uscate uzuale, lucrarea prezinta in capitolele Dimensionarea transformatoarelor cu miezuri speciale (cap. 2) si Calculul inductantelor (cap. 3) rezultate de mare utilitate, intrucat exista putine metodologii de proiectare si existenta unor rezolvari poate fi utila din punctul de vedere al sistematizarii tehnicilor de lucru.

Aplicatiile electronicii de putere au nevoie in cadrul unor anumite scheme de transformatoare de puteri mici - cu miezuri speciale - care, asigurand anumiti parametri, sa functioneze la frecvente care variaza intr-o gama larga de valori, de la zeci de Hz - la sute de kHz (transformatoare push-pull, transformatoare de separare). Exemplele de calcul date reprezinta un instrument util pentru un proiectant de transformator special, realizat in
constructie uscata.

Din randul contributiilor aduse de lucrare trebuie remarcat ca fiind de mare utilitate modul in care autorii, folosind experienta de la proiectarea transformatoarelor uscate mici - adaugand unele probleme specifice ce vizeaza o inductanta - prezinta modalitatile de proiectare a inductantelor monofazate cu miez magnetic sau a inductantelor in aer.

Daca pana acum am semnalat elementele teoretice de interes pe care le prezinta lucrarea in domeniul proiectarii unor transformatoare speciale si inductante, exista un ultim capitol al lucrarii, Aplicatii (cap. 4), care prezinta cititorului o serie de probleme - de mare interes - pe care autorii le-au intalnit in practica proiectarii, realizarii fizice, testarii si urmaririi in exploatare, informatii care pot fi utile oricarui tehnician care ar lucra in aceste domenii.

Lucrarea prezinta o serie de aplicatii de real interes care vizeaza dimensionarea transformatoarelor de impuls cu miez de ferita tip oala, dimensionarea unor transformatoare de curent, calculul protectiei redresoarelor alimentate de la retea printr-un transformator, calculul unui transformator care alimenteaza redresorul unui demaror, modul in care scade temperatura infasurarii in cazul reducerii sarcinii, informatii care intaresc viziunea de ansamblu pe care autorii, lucrand in domeniul actionarilor electrice, au tratat transformatorul ca pe un element care, desi are propriile sale relatii de calcul, este in stransa concordanta cu functiile ansamblului in care este integrat.

Aceste date sunt de mare utilitate pentru un cititor, intrucat ele se refera la ansamblul transformator - echipament, sub multiplele functii pe care acest complex trebuie sa-le realizeze, sau sa sufere o serie de influente in functionare, care ar putea altera performanta ansamblului.

Lucrarea de fata este printre putinele aparitii actuale care ofera specialistului o modalitate de proiectare a transformatoarelor uscate de mici dimensiuni - in constructii normale si speciale - validata prin practica realizarii si exploatarii acestora. Valoarea acesteia creste prin aceea ca „nu este o carte din carti”, ci o carte rezultata din activitatea unui colectiv cu o experienta si rezultate deosebite in domeniu si sunt convins ca va fi primita de cititor cu un autentic interes.

Prof. dr. ing. Florin Teodor TANASESCU
Secretar General al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania
Presedintele Comitetului Electrotehnic Roman

CUVANTUL AUTORILOR:

Domeniul transformatoarelor si inductantelor electrice nu se bucura, in general, de o bibliografie prea generoasa. Lucrarea de fata, elaborata ca rezultat al unor necesitati concrete aparute in activitatea de cercetare si proiectare de la ICPE - in prezent la ICPE ACTEL - completeaza zone de cunoastere inca incerte sau netratate in literatura de specialitate.

Faptul ca pana in 1989 importul de materiale era interzis, dublat de faptul ca asupra produselor noi, rezultat al cercetarii, care urmau sa fie transferate pentru productia in serie la fabrici de profil din tara actiona imperativul de buna functionare incepand chiar cu faza de omologare, s-a transformat intr-o necesitate de optimizare a proiectarii si utilizarii materialelor tehnologice, inclusiv a transformatoarelor si inductantelor.

Aceste componente au fost integrate in majoritatea solutiilor personalizate - produse din 1950 in cadrul ICPE, si mai tarziu, din 1992 pana astazi la ICPE ACTEL - in domenii din cele mai speciale precum: forajul marin si terestru, producerea, transportul si distributia energiei electrice, industrie, transportul feroviar si naval etc.

Caracterul puternic personalizat al echipamentelor amintite a fost transferat si transformatoarelor si inductantelor pe care le contineau. Aceste produse devenite unicat raspund unor cerinte speciale legate de gabarit, forma constructiva, putere, tensiuni, curenti, temperatura de functionare si altele, care isi gasesc rezolvarea prin modul de proiectare si de realizare constructiva prezentat in lucrare.

Corectitudinea metodei abordate este confirmata in zeci de ani de functionare neintrerupta a echipamentelor aflate in exploatare, atat in tara, cat si in strainatate, in conditii adesea mai dificile decat cele pentru care au fost proiectate. Spre exemplificare, in ultimul capitol se prezinta un numar de aplicatii practice considerate de autori ca reprezentative pentru scopul propus.

Noul imperativ european sub forma asigurarii eficientei energetice de la producator pana la consumatorul final este un nou concept care a fost luat in calcul la proiectarea produselor ce fac obiectul acestei carti.

Lucrarea contine pe langa relatiile de calcul necesare, unele originale si un numar de informatii sub forma de tabele, grafice si schite care permit proiectantului sa-si realizeze proiectul fara a mai avea nevoie sa consulte alte lucrari sau cataloage.

Lucrarea se doreste a fi utila tinerilor ingineri si specialistilor consacrati, care lucreaza in domeniul actionarilor electrice si nu numai. Prin prezentarea fluenta, simpla, cu numeroase precizari constructive si tehnologice, lucrarea se adreseaza si celor care au o alta specializare inginereasca.

Multumim Editurii AGIR pentru sprijinul acordat in vederea publicarii ei.

Autorii

DESPRE AUTORI:

Ing. Emil LAZARESCU s-a nascut la 02.04.1942 in localitatea Telega, judetul Prahova si a urmat cursurile Facultatii de Electrotehnica, sectia Masini si Aparate Electrice, din cadrul Institutului Politehnic din Bucuresti, obtinand diploma de inginer in iulie 1965.

Dupa absolvire, ca inginer si apoi cercetator stiintific principal II, a desfasurat timp de 47 de ani diferite activitati de cercetare, proiectare, coordonare productie, masurari si punere in functiune in cadrul Institutului de Cercetari pentru Industria Electrotehnica (ICPE), ulterior la S.C. ICPE-ACTEL S.A.

Ca responsabil de tema sau colaborator a elaborat proiecte pentru: Instalatia de alimentare a baii de cromare dura a tijelor servomotoarelor destinate CHE Portile de Fier; Statia de comanda a instalatiei de foraj F320 DE; Echipamentele de excitatie statica pentru grupurile de 31,5 MVA si 50 MVA ale CHE „Stejaru”; Echipamentul de excitatie statica al CET „Pallas”; Echipamentele electrice ale microcentralelor de c.a. din cadrul platformelor de foraj marin nr.2-7; Echipamentele electrice ale microcentralelor de c.a. ale platformelor marine de extractie nr.8-10 etc.

A realizat peste cinci sute de proiecte de inductante cu miez magnetic sau in aer, precum si de transformatoare, acestea din urma fiind in ulei, uscate, normale sau speciale (cu shunt magnetic, de compundaj, de incercari la scurtcircuit, alimentate cu trenuri de impulsuri dreptunghiulare etc.) cu tensiuni pana la 20 kV si puteri de la 0,5 VA la 15 MVA, aferente proiectelor de echipamente de actionare electrica omologate la ICPE sau mai tarziu realizate de ICPE ACTEL.

In perioada 2000-2011, ca responsabil de contract, a realizat tema „Stand pentru rodarea, caracterizarea si incercarea masinilor electrice pana la 1500 kW folosite in tractiunea feroviara”, a participat la elaborarea temei „Ghiduri de buna practica pentru realizarea de economii de energie electrica”, a participat la modernizarea echipamentelor electrice ale platformei de foraj marin „Atlas”, la proiectarea, realizarea si incercarea echipamentelor pentru forajul terestru destinat functionarii in zona arctica etc. A efectuat cercetari de specialitate in cadrul unor Programe Nationale de Cercetare - Dezvoltare - Inovare.

Are 5 brevete de inventii si numeroase lucrari publicate in volumele unor conferinte sau reviste de specialitate.

Dr. ing. Ion POTARNICHE s-a nascut la 15.07.1951, in localitatea Posta Calnau, Judetul Buzau si a urmat cursurile Facultatii de Electrotehnica din cadrul Institutului Politehnic din Bucuresti, obtinand diploma de inginer in iulie 1975.

In perioada 1975-1977 a lucrat la I.I.S. Electroaparataj Bucuresti ca inginer stagiar la omologarea aparatelor de joasa tensiune, dupa care s-a angajat la Institutul de Cercetari pentru Industria Electrotehnica (ICPE) Bucuresti unde a activat pana in 1992 ca: inginer informatician in Centrul de Calcul (1977-1978), cercetator stiintific la laboratorul LEAAMP cu activitate in domeniul echipamentelor pentru standuri de proba pentru actionari electrice (1978-1982), cercetator stiintific principal III cu activitate in domeniul echipamentelor de actionare motoare de c.c. si surse de curenti intensi (1982-1990), cercetator stiintific principal II cu activitate in domeniul echipamentelor de actionari pentru foraj marin si tractiune navala (1990 - 1992). Din 1992 si pana in prezent lucreaza la S.C. ICPE ACTEL S.A. (societate desprinsa din ICPE), avand titlul de cercetator stiintific principal I. In februarie 1994 devine Director general al ICPE ACTEL.

In perioada 1984-2004 a sustinut in paralel cu activitatile amintite si o activitate didactica la UPB, iar intre 2002-2008 a fost conferentiar la Universitatea Valahia, facultatea Inginerie Electrica.

In anul 1996 Universitatea Politehnica din Bucuresti ii confera titlul de doctor inginer in urma sustinerii tezei de doctorat intitulata „Contributii la stabilirea campurilor electromagnetice de distributie speciala, utilizate in protectia catodica a navelor maritime si fluviale”.

Are experienta in managementul proiectelor din cadrul unor Programe Nationale de Cercetare - Dezvoltare - Inovare (RELANSIN, LEONARDO DA VINCI, AMTRANS, CEEX s.a.), coordonand 20 contracte de cercetare aplicativa, dintre care amintim: Echipament de redresare si reglare ERR 600/30 - 380 protectii catodice nave (1992-1993); Convertizor pentru propulsie CMP 700 - 01 (1993-1995); Model miniaturizat de redresare de curenti intensi pentru aplicatii electrochimice (1995-1998); Les Strategies des disseminations de nouvelles technologies utilisees dans les equipements (1998-2000); Sistem de optimizare a amestecului de combustie a cuptoarelor din industria metalurgica (2000-2003); Sistem performant de actionare cu motoare cu turatie variabila pentru reglarea debitului sau presiunii in coloanele de irigatii (2004-2006); Tehnologie de producere autonoma a energiei electrice cu module fotoelectrice in centrala 30 kW conectata la retea PV-GRID (2006); Componente electrotehnice pentru centrale eoliene (200 - 800kW) (2007-2009); Microcentrale electrice inovative, bazate pe resurse regenerabile (eolian - hidraulic), cu extinderea plajei vitezelor de utilizare a fluidelor de lucru dincolo de limitele uzuale (2007-2010) s.a.

Are 9 brevete de inventii, 4 carti publicate, 93 lucrari publicate in volumele unor conferinte si altele 37 in reviste de specialitate (Revistele Electrotehnica; Electrotehnica - Electronica - Automatica; Energetica; Tehnica si Tehnologie; Petroleum Industry Review).

Este membru de onoare al CNR-CME, vicepresedinte al asociatiilor patronale F.P.ENERGIA si APREL, consultant stiintific al FEPA-CM, membru al asociatiilor patronale PRPC si FEPA-CM, membru AGIR, precum si membru (c) al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania.