III.9.2. Construcția și principiul de funcționare al transformatorului.

Transformatorul are următoarea construcție:

• un miez de fier închis format din tole dintr-un aliaj de fier-siliciu, cu grosimea de 0,3-0,5 mm, izolate între ele pentru a împiedica formarea curenților turbionari.

• două bobine înfășurate pe miezul de fier :

a) bobina primară, care are rolul de inductor (prin care trece curentul care dorim să-l transformăm) și care se leagă la generatorul de curent alternativ. Numărul de spire al primarului îl notăm cu N₁.

b) bobina secundară, care are rolul de indus (bobină în care va lua naştere prin inducţie curentul transformat) și care se leagă la consumator. Numărul de spire al secundarului îl notăm cu N₂.

Principiul de funcționare al transformatorului are la bază fenomenul de inducție electromagnetică.

• Când aplicăm bobinei primare o tensiune alternativă u₁ (de valoare efectivă U₁), în primar apare un curent i₁ (de valoare efectivă I₁) care dă naștere unui flux magnetic variabil.

• Fluxul magnetic variabil din primar determină apariția în cele N₁ spire ale primarului o t.e.m. de autoinducție

• Fluxul magnetic variabil din primar determină apariția în cele N₂ spire ale secundarului o t.e.m. de inducție

Prin împărțire obținem:

Conform legii lui Ohm aplicată circuitului primar avem:

u₁ + e₁ = R₁ ∙ i₁

Valoarea rezistenței primarului R₁ este foarte mică și produsul R₁ ∙ i₁ poate fi neglijat și astfel obținem:

e₁ ≅ -u₁

Semnul minus arată că t.e.m. de autoinducție e₁ este în opoziție de fază cu tensiunea rețelei de alimentare a transformatorului u₁.

La funcționarea în gol a transformatorului, t.e.m. de inducție e₂ este egală cu tensiunea u₂ de la bornele secundarului :

e₂ = u₂

Prin împărțire obținem:

🔦 Observație

T.e.m. e₁ și e₂ sunt în fază, iar tensiunile u₁ și u₂ sunt în opoziție de fază (semnul minus din fața raportului u₁/u₂ indică o defazare de π radiani).

Dacă la bornele secundarului se leagă un rezistor cu rezistența R, prin circuitul secundarului apare un curent alternativ.

Pierderile prin efect Joule sunt mici, astfel încât se poate considera că puterea P₁ din primar este aproximativ egală cu puterea P₂ din secundar.

P₁ ≅ P₂

U₁ ∙ I₁ ≅ U₂ ∙ I₂

În funcție de raportul de transformare K, transformatoarele pot fi:

1) Transformatoare ridicătoare de tensiune la care K < 1 și U₁ < U₂.

Transformatoarele ridicătoare de tensiune se folosesc la transportul la distanță mare a energiei electrice (linii de 250-400 kV), la posturile de televiziune, generatorul de raze X, osciloscop etc.

2) Transformatoare coborâtoare de tensiune la care K>1 și U₁ > U₂.

Transformatoarele coborâtoare de tensiune se folosesc la jucării electrice, epilatoare, aparate electrice folosite în laboratoarele școlare etc.

3) transformatoare separatoare de tensiune la care K=1 și U₁ = U₂, având rolul de a separa electric circuitele cuplate magnetic.

Transformatoarele separatoare de tensiune se folosesc în radiotehnică.

👀 Experiment: Transformatorul

Un transformator are două borne la intrare și cel puțin două borne la ieșire.

Transformatorul se reprezintă în schemele electrice prin unul din următoarele simboluri:

Randamentul transformatorului (η) este cuprins între 90-99 %, întrucât nu are piese în mișcare, având pierderi de energie foarte mici.

unde:
P₂ este puterea activă furnizată de secundar
P₁ este puterea activă primită de către primar de la rețeaua de alimentare

Diferența P₂ – P₁ reprezintă puterea pierdută în transformator, ce se compune din pierderile prin efect Joule în bobinele transformatorului (pierderi în cupru, P_Cu ) și pierderile prin curenți turbionari în miezul de fier (pierderi în fier, P_Fe).

🔦 Observație

Transformatorul funcționează la alimentarea de curent alternativ și nu poate funcționa cu curent continuu. Dacă tensiunea nominală de curent continuu este aplicată pe înfășurarea primară, un flux de magnetic constant va fi configurat în miezul transformatorului și prin urmare, nu va exista o generare de tensiune electromotoare autoindusă și nici indusă.

Cu toate acestea, s-au descoperit soluții pentru a se transforma o tensiune continuă în alta tot continuă.

Pentru transformatoarele ridicătoare de tensiune continuă se folosește un comutator cu semiconductor care se activează și se oprește foarte rapid (MOSFET, o diodă și un condensator).

Pentru transformatoarele coborâtoare de tensiune continuă se folosește un reductor scăzător de tensiune. Este un tip de convertor DC-DC, astfel încât îndeplinește sarcina de a reduce tensiunea folosind câteva tranzistoare și o bobină.