Transformatorul şi alternatorul.

În cea de-a 12-a lecție de curent alternativ vom discuta despre transformator și despre mașinile de curent alternativ.

Transformatorul este un aparat electric format din două bobine care este folosit pentru varierea tensiunii într-un circuit alternativ.

Vedeți aici o schemă simplificată sau principială a unui transformator și, după cum am spus, el este format dintr-o bobină numită bobina primară,

cea din partea stângă a desenului, care este conectată la o sursă de tensiune alternativă notată cu 1

și o bobină secundară, cea din dreapta desenului, care este conectată la un circuit sau rețea de curent alternativ care conține varii consumatori.

Cele două bobine sunt legate printr-un miez de fier, acest pătrat desenat în alb, prin care se propagă fluxul magnetic.

Deci, haideți să discutăm despre funcționarea, principiile de funcționare ale transformatorului.

După cum am spus, în bobina primară avem un curent alternativ și la bonele ei o tensiune alternativă notată cu I1, respectiv cu U1

și, în concluzie, atunci, prin această bobină se va induce un flux magnetic.

Deci, avem un flux magnetic variabil în timp în miezul de fier, acesta în alb.

În concluzie, avem două fenomene.

În primul rând, avem un fenomen de inducție electromagnetică în bobina secundară.

Deci, vom avea o tensiune electromotoare indusă notată cu E2 în bobina secundară,

dar, de asemenea, bineînțeles, vom avea o tensiune electromotoare indusă notată cu E1 și în bobina primară.

Aceasta va fi defazată în urma tensiunii inductoare cu 180 de grade sau pi radii.

În cazul ideal și anume bobinei ideale, adică în care nu are loc o disipare prea mare de căldură prin efect Joule

și flux magnetic doar prin miez.

În principiu, avem o intensitate a fluxului magnetic generat și în afara miezului de fier,

dar presupunem și în general este adevărat că marea majoritatea fluxului magnetic indus, acest filet, este prin miezul de fier.

Deci, în acest caz ideal în care aceste efecte secundare sunt minime, putem scrie următoarele ecuații.

Tensiunea electromotoare indusă în bobina primară, datorită legii Faraday,

poate fi scrisă ca egală cu variația fluxului în unitatea de timp,

înmulțită cu numărul de spire sau numărul de înfășurări ale bobinei primare.

Iar, după cum am spus, tensiunea electromotoare indusă E1 este egală cu tensiunea inductoare U1,

dar de semn opus, această datorită de fazaș.

Același lucru poate fi scris și pentru bobina secundară.

E2 este egal cu variația aceluiași flux, care este comun prin miezul de fier,

înmulțită cu numărul de spire N2 ale bobinei secundare și egală cu tensiunea curentului alternativ din secundar,

dar cu semnul minus. Avem același defazaj.

Din aceste două ecuații observăm că avem un factor comun, acest ΔFi pe ΔT.

Deci rezultă că U1 pe N1 este egal cu U2 pe N2 și egal amândouă cu ΔFi pe ΔT.

De aici rezultă că putem scrie următoare ecuație.

U1 pe U2 este egal cu N1 pe N2 și acest raport se notează cu K și se numește raportul de transformare al transformatorului.

Această ecuație ne furnizează principiul de funcționare al transformatorului și anume,

alegând un anumit raport între numărul de spire sau de înfășurări între cele două bobine,

putem stabili raportul dintre tensiunile curentului alternativ de la bornele secundarului și primarului.

Următorul factor pe care trebuie să-l luăm în considerare este randamentul acestui aparat electric transformatorului

și vom justifica că el este foarte aproape de 100%.

Deci randamentul este 1.

Înainte de a justifica acest fapt, haideți să vedem ce implicații are.

Deci vom demonstra imediat că randamentul transformatorului este foarte aproape de 1.

Asta implică că puterea curentului alternativ din primar este aproximativ egală cu puterea curentului alternativ din secundar.

Ceea ce, după cum am demonstrat în lecția trecută, implică că U1I1cosf1 este egal cu U2I2cosf2,

dar cei doi factori de putere din primar și secundar sunt egale, avem același defazaj.

Și deci U1I1 este aproximativ egal cu U2I2.

Combinând această ecuație cu ecuația aceasta pe care am demonstrat-o,

putem scrie ecuația finală care descrie comportarea transformatorului,

și anume că raportul de transformare, care prin definiție este raportul dintre tensiunile primarului și secundarului,

este egal cu raportul numerelor sau numerelor de spire ale celor două bobine

și egal cu raportul invers al curenților din secundar și primar.

Să revenim acum la randamentul transformatorului.

Prin definiție, randamentul transformatorului este raportul dintre puterea din secundar și puterea din primar.

Pentru că noi furnizăm energie în primar și o consumăm în secundar.

Această ecuație, acest raport mai poate fi scris ca puterea din secundar împărțită la puterea din secundar plus pierderile dintre secundar și primar.

Deci, diferența dintre puterile din primar și secundar este constituită de aceste pierderi, numite pierderi în fier și pierderi în cuplum, pe care le vom discuta imediat.

Din această discuție vom vedea că, într-adevăr, randamentul este aproape D1,

adică, în anumite situații, tehnologic putem realiza faptul că pierderile din fier și din cuplu sunt neglijabile.

Se numește pierdere în fier.

Pierderea pierdută în miezul de fier prin două tipuri de fenomene.

Primul fiind histerezisul și anume magnetizarea și demagnetizarea alternativă a fierului.

Fierul fiind supus în o perioadă îndelugată unor curenți, unor câmpuri magnetice, el însuși se magnetizează căpătând proprietăți magnetice care alternează în timp.

Iar acest lucru duce la reducerea câmpului magnetic indus.

Un al doilea tip de pierdere în miezul de fier sunt așa numiții curenți turbionari, numiți și curenți Foucault, care iau naștere în miezul de fier.

Acest tip de pierdere poate fi redus prin următorul tip de tehnologie.

Se înlocuiește miezul de fier cu un miez de tole subțiri din fier și siliciu izolate între ele.

Adică în loc să avem o bară groasă sub această formă de pătrat sau dreptunghi, vom avea foarte multe plane foarte subțiri puse una lângă alta și izolate între ele.

În felul acesta curenții turbionari dispar, iar prin alegerea unui material care reduce fenomenul de magnetizare al miezului, se obține o pierdere în miezul de fier foarte mică.

De aceea întotdeauna veți vedea în transformatoare miezul de fier fiind format de fapt din foarte multe astfel de fâșii de tole subțiri paralele și separate între ele, de izolatoare.

Pierderea în cupru este pierderea prin căldură în firele bobinelor, deci este efectul Joule.

Și ea poate fi redusă folosind conductoare subțiri și folosind în general anumite proprietăți ale conductorului din care sunt făcute bobinele.

Deci în felul acesta tehnologic se poate construi un transformator în care aceste tipuri de pierderi sunt minime și atunci randamentul este foarte aproape de 1.

Un transformator usual are randamente de 95-97%, dar el poate fi ridicat până la 99% în cazuri deosebite.

O aplicație a transformatorelor este următoarea.

Curentul electric pe care noi îl folosim în casă este produs de centrale electrice.

În centrale electrice, tensiunea curentului alternativ generat este de ordinul zecilor de kilovolți.

Din motive ce au de a face cu reducirea pierderilor pe linile de transport, am discutat despre acest lucru când am discutat despre randamentul curentului alternativ și anume pierderile pe linile de transport ale curentului alternativ și modalitățile de a le reduce.

Din motive legate de reducirea pierderilor, avem nevoie să creștem tensiunea curentului alternativ în linile de transport de la aproximativ 10 kV la aproximativ 40 kV.

Avem nevoie de tensiuni mari și curenți mici în linile de transport pentru a avea pierderi minime.

Și în final, când curentul alternativ ajunge la dumneavoastră în casă, deci pentru consumul casnic, avem o tensiune de 220 V.

Deci, după cum vedem, de la producția lui până la consumul lui, tensiunea curentului alternativ variază foarte mult.

Întâi crește și apoi scade mult.

În consecință, avem nevoie de transformatoare ridicătoare de tensiune pentru a transporta curentul produs și apoi de transformatoare coborătoare de tensiune pentru a-l furniza consumatorilor casnici,

cărora nu le putem da curenți cu tensiuni de ordinul 10 kV. Ar fi mult prea periculos.

În această imagine vedeți un transformator ridicător de tensiune care este folosit pentru a furniza curent electric rețelei de transport a curentului electric.

Să trecem acum la mașini de curent alternativ.

Ele sunt de două feluri. Primul fel de mașini de curent alternativ se numesc generatoare electrice, în care energia mecanică este transformată în energie electrică pe baza inducției electromagnetici.

Cel de-al doilea tip este motoare electrice și este opusul generatoarele electrice, în care energia electrică este invers transformată în energie mecanică folosind forța electromagnetic, forța de interacție dintre un curent electric și un câmp magnetic.

Cel mai cunoscut tip de generator electric este alternatorul, despre care vom discuta acum.

Alternatorul sau generatorul monofazat este format din două componente principale. Prima se numește rotor, care are un număr par de electromagneți cu poli alternanți și cel de-al doilea se numește stator, care are bobine în care are loc inducție electromagnetică.

Vedeți aici schema alternatorului și haideți să o discutăm pe scurt.

Deci, în interior, vedem rotorul, care e partea mobilă a alternatorului, el putându-se roti în jurul axului propriu, generând astfel fluxul magnetic prin folosirea unui număr par de electromagneți cu poli alternanți.

Deci, electromagneții sunt aceștia, sud-nord, sud-nord, și au poli alternanți.

Felul în care se generează aceste câmpuri magnetice este prin alimentarea lor cu curent continuu. Deci, acești poli sunt conectați la o sursă de curent continuu, care furnizează un așa-numit curent de excitație.

În concluzie, ei vor genera câmpuri magnetice, dar care sunt constante, pentru că curentul de excitație este un curent continuu.

Felul în care producem un flux magnetic variabil este prin rotirea rotorului. Deci, avem un câmp magnetic constant în magnitudinea lui, dar rotindu-se. Și, în felul acesta, producem un flux magnetic variabil în stator.

Dar, înainte de a ajunge la stator, felul prin care are loc rotația rotorului este prin folosirea unui motor pe axul rotorului. Motorul este, de obicei, o turbină.

Spre exemplu, axul rotorului este conectat la o turbină hidraulică sau eoliană sau cu aburi. Deci, avem vari modalități prin care putem genera, folosind alte tipuri de energie mecanică, hidraulică, eoliană, putem genera rotirea rotorului.

Și, odată ce acea energie pune în mișcare rotorul, rotorul are un câmp magnetic constant, dar, prin rotație, fluxul magnetic în stator va fi variabil. Statorul este partea fixă, cea exterioară, a alternatorului, în care se induce curentul alternativ, al cărui sens e arătat de aceste săgeți.

Deci, practic, ce avem? Avem bobinaje, bobine, cu un număr foarte mare de spire sau de înfășurări, care sunt fixe, dar care sunt străbătute de acest flux magnetic variabil, datorită rotației rotorului.

Ele sunt arânjate în așa fel încât curentul alternativ indus să aibă același sens în tot circuitul și, în concluzie, vom obține la bornele statorului un curent alternativ.

Această imagine va arată alternatorul dintr-un automobil.

Dacă ridicați capota unui automobil, printre multele piese din ale automobilului, veți vedea și un alternator.

După cum vedeți, aici avem o curea care pune în rotație rotorul din interior al alternatorului.