TRANSFORMATOARE USCATE: INDUCTANTE. Proiectare. Aplicatii

  CUPRINS:
Notaţii...........................................................................................................................XVII
1. Transformatoare uscate de mică putere ......................................................................1
1.1. Date iniţiale...............................................................................................................1
1.2. Particularităţile proiectării transformatoarelor uscate de mică putere.......................6
1.3. Alegerea inducţiei în coloană....................................................................................9
1.4. Alegerea secţiunii coloanei .....................................................................................13
1.5. Calculul numărului de spire ....................................................................................16
1.6. Calculul curenţilor şi alegerea conductoarelor de bobinaj ......................................17
1.7. Dimensionarea înfăşurării primare..........................................................................23
1.8. Dimensionarea înfăşurării secundare ......................................................................24
1.9. Calculul pierderilor în înfăşurări.............................................................................25
1.10. Calculul termic al înfăşurărilor .............................................................................29
1.11. Calculul consumului de cupru...............................................................................38
1.12. Dimensionarea miezului magnetic ........................................................................38
1.12.1. Calculul înălţimii ferestrei.........................................................................38
1.12.2. Calculul lăţimii ferestrei............................................................................39
1.12.3. Calculul lungimii miezului magnetic ........................................................40
1.12.4. Calculul înălţimii miezului magnetic ........................................................41
1.12.5. Calculul numărului de tole ........................................................................41
1.13. Calculul pierderilor la mersul în gol .....................................................................41
1.13.1.Pierderile la mersul în gol pentru transformatoare cu miezul magnetic
cu secţiune rectangulară, realizat din tablă silicioasă laminată la cald......43
1.13.2. Pierderile la mersul în gol pentru transformatoare cu miezul
magnetic realizat din tablă silicioasă laminată la rece...............................44
1.13.3. Cazul secţiunii dreptunghiulare a coloanelor şi jugurilor..........................50
1.13.4. Cazul secţiunii transversale a jugului în trepte, separat printr-o linie
dreaptă de coloana cu care se învecinează (sau jug asimetric
faţă de axa sa orizontală)...........................................................................52
1.13.5. Cazul secţiunii transversale a jugului în trepte cu o formă simetrică
faţă de axa sa orizontală ............................................................................53
1.13.6. Cazul miezului cu multe trepte la care greutăţile se determină
pe pachete de tole......................................................................................54
1.13.7. Pierderile la mersul în gol la transformatoarele trifazate
având coloanele şi jugurile îmbinate la 45°...............................................57
1.14. Calculul curentului de mers în gol ........................................................................60
1.14.1. Pierderile reactive pentru miezuri din tablă silicioasă laminată la cald.....62
1.14.2. Pierderile reactive pentru miezuri din tablă silicioasă laminată la rece.....63
1.14.3. Cazul secţiunii dreptunghiulare a coloanelor şi jugurilor..........................66
1.14.4. Cazul secţiunii transversale a jugului în trepte, separat printr-o linie
dreaptă de coloana cu care se învecinează (sau jug asimetric
faţă de axa sa orizontală)...........................................................................67
1.14.5. Cazul secţiunii transversale a jugului în trepte cu o formă simetrică
faţă de axa sa orizontală ............................................................................68
1.14.6. Pierderile reactive la mersul în gol la transformatoarele
trifazate cu îmbinări la 45°........................................................................69
TRANSFORMATOARE USCATE. INDUCTANŢE. PROIECTARE. APLICAŢII
XVI
1.15. Calculul tensiunii de scurtcircuit...........................................................................70
1.16. Calculul dimensiunilor de gabarit .........................................................................73
1.17. Proiectarea autotransformatoarelor monofazate....................................................75
1.18. Proiectarea transformatoarelor cu bobine alungite................................................78
1.19. Proba termică la transformatoarele uscate.............................................................94
1.20. Supraîncărcarea transformatoarelor uscate ...........................................................96
1.21. Şocul de curent la cuplarea în gol a transformatoarelor ........................................97
2. Dimensionarea transformatoarelor cu miezuri speciale...........................................98
2.1. Transformator push-pull de 38 W la 100 kHz folosind coeficientul
de geometrie al miezului, Kg ...................................................................................98
2.2. Transformator de separare de 250 W....................................................................106
3. Calculul inductanţelor ...............................................................................................112
3.1. Proiectarea inductanţelor monofazate cu miez magnetic ......................................112
3.2. Proiectarea inductanţelor cu miez magnetic pentru circuite
cu tensiune alternativă...........................................................................................117
3.3. Proiectarea inductanţelor în aer. Aplicaţie cu inductanţa de 43 H, 1000 A ........120
4. Aplicaţii.......................................................................................................................137
4.1. Dimensionarea transformatoarelor de impuls cu miez din ferită tip „oală” ..........137
4.2. Dimensionarea transformatoarelor de curent pe ferită tip „oală”..........................139
4.3. Calculul protecţiei redresoarelor alimentate de la reţea printr-un transformator...141
4.4. Calculul transformatorului care alimentează puntea unui demaror.......................143
4.5. Aproximarea temperaturii de echilibru a două bobine concentrice.......................160
4.6. Proiectarea unei inductanţe monofazate cu miez magnetic de 5,4 mH, 1200 A ...160
4.7. Dimensionarea unui transformator uscat de 55,5 kVA, 400/140 V ......................168
4.8. Estimarea scăderii temperaturii înfăşurărilor în cazul reducerii sarcinii ...............180
Bibliografie .................................................................................................................186
  PREZENTARE:
Domeniul transformatoarelor şi inductanţelor electrice nu se bucură,
în general, de o bibliografie prea generoasă. Lucrarea de faţă, elaborată ca
rezultat al unor necesităţi concrete apărute în activitatea de cercetare şi
proiectare de la ICPE - în prezent la ICPE ACTEL - completează zone de
cunoaştere încă incerte sau netratate în literatura de specialitate.
Faptul că până în 1989 importul de materiale era interzis, dublat de faptul
că asupra produselor noi, rezultat al cercetării, care urmau să fie transferate
pentru producţia în serie la fabrici de profil din ţară acţiona imperativul de
bună funcţionare începând chiar cu faza de omologare, s-a transformat într-o
necesitate de optimizare a proiectării şi utilizării materialelor tehnologice,
inclusiv a transformatoarelor şi inductanţelor.
Aceste componente au fost integrate în majoritatea soluţiilor personalizate
- produse din 1950 în cadrul ICPE, şi mai târziu, din 1992 până astăzi la
ICPE ACTEL - în domenii din cele mai speciale precum: forajul marin şi
terestru, producerea, transportul şi distribuţia energiei electrice, industrie,
transportul feroviar şi naval etc.
Caracterul puternic personalizat al echipamentelor amintite a fost transferat
şi transformatoarelor şi inductanţelor pe care le conţineau. Aceste produse
devenite unicat răspund unor cerinţe speciale legate de gabarit, formă
constructivă, putere, tensiuni, curenţi, temperatură de funcţionare şi altele,
care îşi găsesc rezolvarea prin modul de proiectare şi de realizare constructivă
prezentat în lucrare.
Corectitudinea metodei abordate este confirmată în zeci de ani de
funcţionare neîntreruptă a echipamentelor aflate în exploatare, atât în ţară,
cât şi în străinătate, în condiţii adesea mai dificile decât cele pentru care au
fost proiectate. Spre exemplificare, în ultimul capitol se prezintă un număr de
aplicaţii practice considerate de autori ca reprezentative pentru scopul propus.
Noul imperativ european sub forma asigurării eficienţei energetice de
la producător până la consumatorul final este un nou concept care a fost luat
în calcul la proiectarea produselor ce fac obiectul acestei cărţi.
CUVÂNTUL AUTORILOR
XIII
Lucrarea conţine pe lângă relaţiile de calcul necesare, unele originale
şi un număr de informaţii sub formă de tabele, grafice şi schiţe care permit
proiectantului să-şi realizeze proiectul fără a mai avea nevoie să consulte
alte lucrări sau cataloage.
Lucrarea se doreşte a fi utilă tinerilor ingineri şi specialiştilor consacraţi,
care lucrează în domeniul acţionărilor electrice şi nu numai.
Prin prezentarea fluentă, simplă, cu numeroase precizări constructive
şi tehnologice, lucrarea se adresează şi celor care au o altă specializare
inginerească.
Mulţumim Editurii AGIR pentru sprijinul acordat în vederea publicării ei.

Autorii
  PREFATA:
Transformatorul, dispozitivul cel mai vechi de conversie a unor
parametri ai energiei, a cunoscut în decursul anilor numeroase investigaţii
privind îmbunătăţirea performanţelor, rezultat atât al unor cercetări teoretice
privind soluţiile funcţionale şi constructive şi regimurile de funcţionare, cât
şi al utilizării unor noi materiale cu performanţe superioare: tole magnetice
cu pierderi reduse, clase de izolaţii noi, metode de încercare care să se
apropie de regimurile de funcţionare tot mai complexe pe care în special
electronica de putere le presupune. Într-un fel, s-ar părea că tot ceea ce era
de spus, s-a spus !
În proiectarea transformatoarelor clasice cu izolaţia în ulei există o
bogată experienţă, putându-se aprecia că astăzi există metodologii de calcul
bine puse la punct, optimizări de soluţii bazate pe modelări şi aplicarea unor
programe de calcul riguroase, într-un fel performanţele superioare
datorându-se mai puţin unor elemente noi de calcul, cât în special dezvoltărilor
constructive, a materialelor noi utilizate în construcţia acestora.
În domeniul transformatoarelor speciale, din această categorie de
echipamente făcând parte şi transformatoarele uscate, există mai puţine date,
firmele constructoare fiind mai puţin deschise să prezinte experienţele lor
reuşite, care în ultimă instanţă se reflectă în performanţele echipamentului şi
în competitivitatea concurenţială a firmei.
Subiectul lucrării de faţă, pe care autorii ing. Emil LĂZĂRESCU şi
dr. ing. Ion POTÂRNICHE au prezentat-o spre publicare, are o importanţă
cu totul specială, în sensul că ea abordează un domeniu în care există puţine
date comunicate de alţi autori şi că transformatorul uscat de mică putere
devine un element important într-o acţionare de putere, atât ca performanţă,
cât şi ca varietate constructiv - funcţională.
În proiectarea unui transformator uscat, transferul de căldură de la
miez la înfăşurări se face mult mai dificil decât în cazul transformatoarelor
în ulei din cauza coeficienţilor de transfer diferiţi ai căldurii în mediile de
răcire, ceea ce impune mărirea secţiunii de fier pentru coloanele
transformatorului, creşterea dimensiunii coloanelor şi mărirea canalelor de
răcire, reducerea inducţiei în coloană şi a densităţii de curent în înfăşurări.
Este evident că optimizarea unei construcţii este rezultatul luării în
considerare a acestor factori şi alegerea celor mai potrivite soluţii va trebui
făcută în concordanţă cu performanţele care se cer unei anumite construcţii
de transformator.
TRANSFORMATOARE USCATE. INDUCTANŢE. PROIECTARE. APLICAŢII
VIII
Autorii având şansa de a dezvolta numeroase tipuri de transformatoare,
adesea fiecare din ele reprezentând un caz special, au acumulat o valoroasă
experienţă care se transferă în mod util către cel care doreşte să proiecteze
un asemenea transformator. Soluţiile date de autori pentru anumite elemente
constructive, geometrii, materiale propuse spre utilizare sunt completate cu
relaţii de calcul originale pe care aceştia le-au stabilit, utilizat şi validat prin
rezultatele experimentale, confirmate în final prin concordanţa între
performanţele preconizate prin ipotezele de lucru cu cele obţinute pe standul
de încercări.
Rezultatele comunicate de autori şi metodologia de lucru propusă este
cu atât mai valoroasă, cu cât, spre deosebire de transformatoarele cu răcire
în ulei unde lucrurile sunt în general cunoscute şi există numeroase standarde
care reglementează diversele aspecte, în cazul transformatoarelor uscate nu
există decât două standarde CEI, de unde şi aprecierea că există multe
lucruri care au nevoie să fie abordate şi adâncite, că domeniul este deschis
apariţiei unor lucruri noi, prezenta lucrare fiind o contribuţie meritorie la
dezvoltarea domeniului.
Din acest punct de vedere, această carte se înscrie în mod fericit în
rândul acelor apariţii care prezintă produse care s-au făcut, care au la bază o
experienţă validată şi pot fi aplicate cu succes în cazul dezvoltării altor
construcţii derivate. Spre exemplu, pentru cazul transformatoarelor uscate
de mică putere, autorii analizează situaţia în care un transformator are mai
multe secundare, admit anumite abateri ale raportului de transformare,
prezintă căderi ale tensiunii secundare în sarcină între anumite limite, valori
pentru tensiunile de încercare sau elemente constructive care trebuie să se
încadreze între anumite valori, soluţii care au fost verificate cu succes în
soluţiile propuse şi realizate de autori.
Pe linia generalizării unor experienţe căpătate de autori în cazul
transformatoarelor uscate uzuale, lucrarea prezintă în capitolele Dimensionarea
transformatoarelor cu miezuri speciale (cap. 2) şi Calculul inductanţelor
(cap. 3) rezultate de mare utilitate, întrucât există puţine metodologii de
proiectare şi existenţa unor rezolvări poate fi utilă din punctul de vedere al
sistematizării tehnicilor de lucru.
Aplicaţiile electronicii de putere au nevoie în cadrul unor anumite
scheme de transformatoare de puteri mici - cu miezuri speciale - care,
asigurând anumiţi parametri, să funcţioneze la frecvenţe care variază într-o
gamă largă de valori, de la zeci de Hz - la sute de kHz (transformatoare
push-pull, transformatoare de separare). Exemplele de calcul date reprezintă
un instrument util pentru un proiectant de transformator special, realizat în
construcţie uscată.
PREFAŢĂ
IX
Din rândul contribuţiilor aduse de lucrare trebuie remarcat ca fiind de
mare utilitate modul în care autorii, folosind experienţa de la proiectarea
transformatoarelor uscate mici - adăugând unele probleme specifice ce
vizează o inductanţă - prezintă modalităţile de proiectare a inductanţelor
monofazate cu miez magnetic sau a inductanţelor în aer.
Dacă până acum am semnalat elementele teoretice de interes pe care le
prezintă lucrarea în domeniul proiectării unor transformatoare speciale şi
inductanţe, există un ultim capitol al lucrării, Aplicaţii (cap. 4), care prezintă
cititorului o serie de probleme - de mare interes - pe care autorii le-au întâlnit
în practica proiectării, realizării fizice, testării şi urmăririi în exploatare,
informaţii care pot fi utile oricărui tehnician care ar lucra în aceste domenii.
Lucrarea prezintă o serie de aplicaţii de real interes care vizează
dimensionarea transformatoarelor de impuls cu miez de ferită tip oală,
dimensionarea unor transformatoare de curent, calculul protecţiei redresoarelor
alimentate de la reţea printr-un transformator, calculul unui transformator
care alimentează redresorul unui demaror, modul în care scade temperatura
înfăşurării în cazul reducerii sarcinii, informaţii care întăresc viziunea de
ansamblu pe care autorii, lucrând în domeniul acţionărilor electrice, au tratat
transformatorul ca pe un element care, deşi are propriile sale relaţii de calcul,
este în strânsă concordanţă cu funcţiile ansamblului în care este integrat.
Aceste date sunt de mare utilitate pentru un cititor, întrucât ele se
referă la ansamblul transformator - echipament, sub multiplele funcţii pe
care acest complex trebuie să-le realizeze, sau să sufere o serie de influenţe
în funcţionare, care ar putea altera performanţa ansamblului.
Lucrarea de faţă este printre puţinele apariţii actuale care oferă
specialistului o modalitate de proiectare a transformatoarelor uscate de mici
dimensiuni - în construcţii normale şi speciale - validată prin practica
realizării şi exploatării acestora. Valoarea acesteia creşte prin aceea că „nu
este o carte din cărţi”, ci o carte rezultată din activitatea unui colectiv cu o
experienţă şi rezultate deosebite în domeniu şi sunt convins ca vă fi primită
de cititor cu un autentic interes.


Prof. dr. ing. Florin Teodor TĂNĂSESCU
Secretar General al Academiei de Ştiinţe Tehnice din România
Preşedintele Comitetului Electrotehnic Român


TRANSFORMATOARE USCATE. INDUCTANŢE. PROIECTARE. APLICAŢII
X
Motto: „La şcoli, de jos sau de sus,
la carte le-a fost gândul deşi lipseau destule cărţi,
dar nu le-a lipsit ... timpul.
În viaţă multe poţi să faci ca să culegi odată fructul,
ca rezultat al propriei munci,
dacă nu pierzi... timpul.”
(din „ Lupta cu timpul”, Nicolae VASILE)
De la tovarăşii „ motor”, „transformator”, „rezolver”, „redresor”
la domnii ... „specialişti şi oameni de afaceri”.
Poate părea nostalgic, pentru unii, dar a existat cândva, între 1950,
când s-a înfiinţat, şi 1989, când toate s-au schimbat, o instituţie, Institutul de
Cercetări şi Proiectări Electrotehnice (ICPE) din Bucureşti, unde cercetătorii
puteau face performanţă tehnico-ştiinţifică, trăind în acelaşi timp o viaţă plăcută
într-un climat elevat, atingând simultan atât ţintele ştiinţifice, cât şi cele
sociale.
Existau adevărate şcoli de specialişti, care cuprindeau mentorii, adevărate
vârfuri naţionale, care de cele mai mult ori şi predau la diverse universităţi şi
de pe ale căror cărţi învăţau studenţii şi doctoranzii din toată ţara, urmau
specialiştii maturi, care conduceau proiecte de mare amploare şi care cutreierau
ţara, chiar şi alte ţări, la puneri în funcţiune, la experimentări şi nu în ultimul
rând tinerii, abia veniţi din facultăţi, aleşi dintre cei mai buni absolvenţi,
care se formau pentru a prelua la rândul lor conducerea unor proiecte foarte
mari, devenind la rândul lor creatori de alte şcoli.
Oamenii se specializau atât de mult pe categoriile de produse încât de
cele mai multe ori îşi confundau numele lor personale cu numele produselor
la care lucrau pe o mare perioadă de timp, dezvoltând multe generaţii de astfel
de produse, unii ajungând să se cheme mai curând „Motor”, „Transformator”,
„Rezolver”, „Redresor” etc.
În acest context se învăţau servomotoare electrice după cărţile
profesorului Dumitru Felician LĂZĂROIU şi ale inginerului Sigismund
ŞLAIHER, continuaţi astăzi de către profesorul Nicolae VASILE şi doctorul
Paul MINCIUNESCU, se învăţa electrostatică după cărţile profesorului
Florin Teodor TĂNĂSESCU şi ale doctorului Radu CRAMARIUC, se învăţau
redresoare după cartea inginerului Ion DAN, continuat azi de către
inginerul Vasile RĂDULESCU şi profesorul Ion STRĂINESCU, se învăţau
acţionări electrice după cartea doctorului Dan MICU, continuat azi de către
profesorul Ion POTÂRNICHE, se învăţau magneţi permanenţi după cărţile
doctorului Suren CEDIGIAN, urmat azi de către profesorul Wilhelm
PREFAŢĂ
XI
KAPPEL, se învăţau transformatoare după cărţile doctotrului Eugen ŞOFAN
şi ale doctorului Tiberiu CIUBOTARU, continuaţi azi de către inginerul
Emil LĂZĂRESCU etc.
Domnii ing. Emil LĂZĂRESCU şi Dr. ing. Ion POTÂRNICHE, autorii
lucrării „Transformatoare uscate. Inductanţe” fac parte din acea pleiadă de
creatori de domenii care au construit ICPE-ul şi care în prezent continuă această
tradiţie în cadrul societăţii ICPE-ACTEL desprinsă din ICPE în anul 1992.
Lucrarea abordează în profunzime proiectarea transformatoarelor uscate
şi a inductanţelor, specifice realizării aplicaţiilor electronicii de mare putere,
precum acţionările electrice din domeniile forajului de petrol şi gaze, industria
cimentului, echipamente energetice, transport electric de mare capacitate etc.
Prin această lucrare ICPE-ACTEL dovedeşte specialiştilor din domeniu
multă generozitate, oferindu-le posibilitatea unui transfer de experienţă gratuit,
iar beneficiarilor le demonstrează forţa colectivului capabil să contribuie la
generalizarea unei astfel de experienţe pozitive în scopul promovării valorii
în acest domeniu de activitate.


Prof. dr. ing. Nicolae VASILE,
Membru al Academiei de Ştiinţe Tehnice
din România
  CUVINTE CHEIE: