III.2. Badanie transformatora jednofazowego

Transkrypt

1 III.. Badanie transformatora jednofazowego Instrukcja do badania transformatora jednofazowego 1. Wstęp teoretyczny Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. Podstawowa właściwością transformatora (wynika to z jego definicji) jest możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego. Rys. 1. Zasada działania transformatora. Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów uzwojenia pierwotnego (zasilanego), uzwojenia wtórnego (odbiorczego), rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia (w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia, tzw. transformatory powietrzne). Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora, a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się transformatory bez rdzenia. W zasadzie działaniu transformatora wykorzystano szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej indukowanie napięcia w układzie nieruchomym.. Budowa transformatora jednofazowego Zasada budowy każdego transformatora jest taka sama: musi on mieć rdzeń stanowiący obwód magnetyczny oraz dwa obwody elektryczne: uzwojenie górne i uzwojenie dolne. 1

2 Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem obwodu magnetycznego (rdzenia). Są to: transformatory rdzeniowe (Rys. a) i transformatory płaszczowe (Rys. b). Części rdzenia, na których są umieszczone uzwojenia nazywamy kolumnami lub słupami, a części łączące kolumny jarzmami. Przestrzeń zawartą między kolumna a jarzmem nazywa się oknem W jednofazowym transformatorze rdzeniowym (Rys. a) uzwojenie pierwotne i wtórne są dzielone na połówki i umieszczone na obu kolumnach, pola przekrojów kolumn i jarzm są wówczas jednakowe. Rys.. Zasada budowy transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego b) płaszczowego 1 kolumny, jarzma Rdzenie transformatorów wykonuje się z blachy transformatorowej o grubości 0,3-0,5mm. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru, lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Izolacja między blachami ogranicza prądy wirowe), a tym samym zapobiega nadmiernemu nagrzaniu rdzenia. 3. Strona górna i dolna transformatora Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, które zasilamy ze źródła. Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik. Przyjęto zasadę, że: Wszystkie wielkości odnoszące się do strony pierwotnej (zasilanej) zawsze są oznaczane ze wskaźnikiem 1 i nazywane wielkościami pierwotnymi, np: napięcie pierwotne U 1, prąd pierwotny I 1, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N 1 itd. Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są oznaczane ze wskaźnikiem i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie wtórne U, prąd wtórny I, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N itd. Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy obniżającym. Z tego względu niezależnie od określeń pierwotne i wtórne stosuje się określenia górne i dolne. Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym, a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się górnymi i oznacza je ze wskaźnikiem g, np.: napięcie górne U g, prąd górny I g, liczba zwojów uzwojenia górnego N g itd. Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się dolnymi i oznacza je ze wskaźnikiem d, np.: napięcie dolne U d, prąd dolny I d, liczba zwojów uzwojenia dolnego N d itd.

3 Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie. Nie stosuje się jednocześnie wskaźników pierwotne i wtórne" oraz górne i dolne". Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami, literami dużymi oznacza się wartości skuteczne napięć, prądów i strumieni, a literami małymi wartości chwilowe. 4. Przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora Przekładnia transformatora (zgodnie z normą) jest to stosunek napięcia górnego do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie jałowym. Ug0 n Ud0 a. Przekładnia zwojowa Występuje gdy stosunek SEM w obu uzwojeniach transformatora: E E 1 4,44N1mf 4,44N mf N N 1 n z równy jest stosunkowi liczby zwojów. b. Przekładnia napięciowa Często w odniesieniu do przekładni transformatora jest używane określenie, przekładnia napięciowa. Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1, zwykle mówi się więc: transformator podwyższający (lub obniżający) o przekładni 10. Przyjmując uproszczenie, że U g0 E g i U do E d i uwzględniając zależność: otrzymamy: E E 1 4,44N1mf 4,44N mf n U N1 N d go g g. U do E E d N N n z, Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów. Aby określić przybliżoną zależność między prądami obu uzwojeń, należy skorzystać z zasady zachowania mocy. Dla uproszczenia pominiemy wszystkie straty mocy czynnej i mocy biernej, stąd: P g = P d i Q g =Q d a zatem i moce pozorne będą sobie w przybliżeniu równe S g =S d. Ponieważ S g =U g I g oraz S d =U d I d, zatem: 3

4 n I g d d. I d U U g N N g Stąd wynika następujący wniosek: W uzwojeniu wyższego napięcia płynie prąd mniejszy, a w uzwojeniu niższego napięcia - prąd większy. W transformatorze następuje więc zmiana wartości napięcia i prądu przemiennego przy stałej niezmienionej częstotliwości. 5. Analiza pracy transformatora Transformator może się znajdować, w jednym z trzech charakterystycznych stanów pracy: a. Stan jałowy: Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte (Rys. 3). Rys. 3. Transformator w stanie jałowym Transformator w stanie jałowym nie jest obciążony a więc nie oddaje żadnej mocy (w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd). Rys. 4. Charakterystyka stanu jałowego transformatora jednofazowego 4

5 b. Stan obciążenia: Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik. Rys. 5. Transformator w stanie obciążenia W stanie obciążenia transformatora można wyznaczyć jego charakterystykę zewnętrzną oraz charakterystykę sprawności. Charakterystyką zewnętrzną transformatora nazywamy zależność napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego U od prądu wtórnego I przy U 1 =U 1zn =const, f=const, cosө =const. Przykładowy przebieg tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście prądu I, napięcie U maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I wystąpiłby wzrost napięcia U. Rys Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego Rys Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego 5

6 Zmianą napięcia przy określonym współczynniku mocy i określonym prądzie obciążenia, nazywa się spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do określonego obciążenia przy niezmienionym napięciu pierwotnym i stałej częstotliwości. Sprawność transformatora można również wyznaczyć tzw. metodą strat poszczególnych. Moc czynna P 1 pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa sumie mocy czynnej P, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy; w uzwojeniach ΔP u (wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu ΔP 0 (wyznaczonym w próbie stanu jałowego). Sprawność transformatora P P 100% P 1 P P0 P 100% u Ponieważ moc strony wtórnej P UI cos wobec tego sprawność UI cos 100% UI cos P0 P u Sprawność nowoczesnych transformatorów jest duża i zwykle przekracza 97%, w jednostkach wielkiej mocy dochodzi do 99%. Przykładowy przebieg krzywej sprawności przedstawiony jest na (Rys. 5.4). Krzywa sprawności ma pewne maksimum. Można dowieść, że maksimum to wystąpi wówczas, gdy straty w uzwojeniach są równe stratom w rdzeniu, tzn. straty obciążeniowe równe stratom jałowym. Najczęściej maksimum zachodzi przy obciążeniach ( ) % znamionowego. Przy obciążeniu znamionowym, tzn. dla I =I zn, straty obciążeniowe są kilkakrotnie większe od strat jałowych. c. Stan zwarcia: Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte. 6

7 Rys. 5. Transformator w stanie zwarcia: a) schemat układu pomiarowego, b) charakterystyka zwarcia 7

8 Ćwiczenie 1: Badanie transformatora jednofazowego 1. Zagadnienia teoretyczne: budowa transformatora jednofazowego, strona górna i dolna transformatora, przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora, stany pracy transformatora oraz ich charakterystyki. Dane znamionowe transformatora: Moc: 10 [W] I 1n = 1 [A] U 1n = 0 [V] I n = 4 [A] U n = 4 [V]. Przebieg ćwiczenia: a. Pomiar rezystancji uzwojeń: Pomiary należy wykonać przy pomocy mostka Thomsona lub Wheatstone a. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli: R1 R b. Pomiar przekładni transformatora: Dla kilku wartości napięcia zasilającego bliskich napięcia znamionowego transformatora U 1n odczytać wskazania woltomierzy. Zestawić układ według schematu: 8

9 Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli: Lp U1 U V Vśr - [V] [V] c. Badanie stanu jałowego transformatora Zestawić układ według schematu. Pomiary należy wykonać przy włączniku W otwartym, w zakresie napięcia 0, 1, U in. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli. Lp U 0 U 0 I 0 I 0 P 0 P 0 cos 0 Q I I Fe - dz [V] dz [A] dz [W] - [var] [A] [A] Wykreślić charakterystyki: P 0, I 0, cos 0 =f(u 0 ) d. Badane stanu zwarcia transformatora Schemat układu według rysunku z podpunktu c, przy włączniku W otwartym i zwartych zaciskach 3 i 4. Ustawiamy napięcie zasilania, aż wartość prądu Iz=1,1 In następnie je stopniowo zmniejszamy do zera. Uwaga: pomiary należy wykonać szybko ze względu na nagrzewanie się uzwojeń. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać tabeli. 9

10 Lp U z U z I z I z P z P z cos 0 Z 1z R 1z X 1z - dz [V] dz [A] dz [W] - [] [] [] Wykreślić charakterystyki: P z, I z, cos z =f(u z ) e. Badanie transformatora obciążonego Schemat układu według rysunku z punktu c, przy włączniku W zamkniętym. Pomiary należy wykonać przy napięciu zasilającym równym U 1n. Rezystorem R 0 należy nastawiać wartość prądu I w zakresie 0, 1, I n. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli. Lp I L U I 1 I 1 U P 1 P 1 P P - dz [A] dz dz A [V] dz [W] dz W % Wykreślić charakterystyki: I 1, U = f(i ), =f(p ) 3. Wnioski: 10

11 III.3. Badanie przekładnika prądowego. Przekładnik prądowy Przekładniki służą do zasilania obwodów prądowych i napięciowych przyrządów pomiarowych i przekaźników. Zastosowanie przekładników w rozdzielniach wysokiego napięcia pozawala na: bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych dzięki odizolowaniu obwodów wtórnych od obwodów wysokiego napięcia, zastosowanie jednakowych przyrządów pomiarowych, zmniejszenie niebezpieczeństwa uszkodzenia przyrządów pomiarowych wskutek elektrodynamicznego i cieplnego działania prądów zwarciowych, rozszerzenie zakresu przyrządów pomiarowych, oddzielenie rozdzielni od nastawni, zdalny pomiar wielkości elektrycznych. Przekładniki prądowe są to urządzenia zbliżone do transformatorów mocy lecz w odróżnieniu od nich są przystosowane do pracy w stanie bliskim stanowi zwarcia. Posiadają dwa uzwojenia starannie od siebie odizolowane nawinięte na rdzeniu z blach ferromagnetycznych. Ich zasada działania jest identyczna jat transformatora tzn. pod wpływem zmiennego prądu w uzwojeniu pierwotnym powstaje strumień magnetyczny (zmienny) który powoduje wyidukowanie siły elektromotorycznej po stronie wtórnej, dzięki czemu w obwodzie zamykanym przez amperomierz popłynie prąd. Ze względu na w stanie bliskim stanowi zwarcia można pominąć magnesowania i możemy zapisać przybliżoną zależność: z1i1 zi gdzie I 1,I są wartościami skutecznymi prądów odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym z 1,z są ilościami zwojów odpowiednio po stronie pierwotnej i wtórnej Z tej zależności z pewnym błędem jesteśmy w stanie wyznaczyć prąd płynący przez uzwojenie pierwotne: z I1 I z 1 11

12 Badanie Przekładnika Prądowego Pomiar uchybów prądowych. Uchyb prądowy (uchyb przekładni) jest to różnica natężenia prądu wtórnego pomnożonego przez przekładnię znamionową i natężenia prądu pierwotnego wyrażona w procentach prądu pierwotnego: Zmierzyć uchyby prądowe przekładnika prądowego przy różnym natężeniu prądu w obwodzie pierwotnym i obciążeniu obwodu wtórnego; jednym amperomierzem. W ćwiczeniu prąd w obwodzie pierwotnym będziemy mierzyli dokładnym amperomierzem włączonym bezpośrednio do obwodu pierwotnego. Schemat połączenia obwodu: R A 1 K L k L A Po zanotowaniu danych znamionowych przekładnika prądowego zestawiamy układ i zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J 1n do 1,J 1n co 0,1J 1n. Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w tabelce: Lp. Obciążenie obwodu wtórnego jednym amperomierzem co odpowiada obciążeniu przekładnika mocą S a V A %S n J 1 [A] J [A] J A i% in J 1 i J wartość pierwotnego i wtórnego 1

13 in J i J in J J 1 J J 1n n J uchyb prądowy - przekładnia rzeczywista - przekładnia znamionowa Należy zwrócić uwagę, że uchyb może mieć wartość ujemną lub dodatnią. Z danych tabelki f i f. wykreślamy zależność oraz J 1 J Obciążenie obwodu wtórnego mocą S S n. Zestawiamy układ pomiarowy. Po obciążeniu przekładnika prądowego mocą znamionową napięcie na zaciskach wynosi: Sn U... V J n R A 1 Z d A V a V Po włączeniu obwodu zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym i regulujemy opornik Z d tak długo, aż woltomierz V przy prądzie w obwodzie wtórnym badanego przekładnika prądowego J n [5A] wskaże obliczone poprzednio napięcie U. Pożądane jest aby współczynnik mocy obciążenia dodatkowego był równy w przybliżeniu 0,8 co odpowiada charakterowi cewek obwodów prądowych przyrządu (w ćwiczeniu można użyć opornika suwakowego). Następnie mierzymy spadek napięcia na samym tylko amperomierzu dla ustalenia mocy pobieranej przez amperomierz i obliczenia ile procent mocy znamionowej stanowi obciążenie przekładnika prądowego tylko jednym amperomierzem: 13

14 S a U a J an V A S a % S n Obliczoną wartość S a wpisujemy do tabelki Elektrotechnika laboratorium Lp. Obciążenie obwodu wtórnego S 5 V A - 100% S n J 1 [A] J [A] J A i% in Po wyłączeniu woltomierza zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J 1n do 1,J 1n co 0,1J 1n. Na podstawie pomiaru wykreślamy na wykresach wykresach punktu A f i f. zależność oraz J 1. Charakterystyka magnesowania. J Charakterystyka magnesowania rdzenia przekładnika prądowego jest wyznaczona przez pętlę histerezy magnetycznej. Jest to zależność nieliniowa zarówno dlatego, że każda pętla dla danej wartości amplitudy ma charakter nieliniowy jak też dlatego, że wierzchołki pętli dla różnych indukcji maksymalnych układają się wzdłuż krzywej nie będącej linią prostą, a nazywanej podstawową charakterystyką magnesowania (rys. 1 linia ciągła) 14

15 Wyznaczyć zależność napięcia po stronie wtórnej przekładnika prądowego od prądu J 0 przy rozwartym uzwojeniu pierwotnym U 0 = f (J 0 ). Zbadać zachowanie się przekładnika prądowego przy zwartych zwojach uzwojenia pierwotnego. Charakterystyka magnesowania sporządza się dla określenia liczby przetężeniowej, stwierdzenia czy w uzwojeniu wtórnym nie ma zwarć zwojowych oraz stwierdzenia przydatności przekładników do zabezpieczenia różnicowego. Charakterystyki przekładników używanych do tego zabezpieczenia powinny być jednakowe. Zestawiamy układ jak na rysunku. Zmieniamy doprowadzone napięcie i odczytujemy wartość prądu. Pomiar przerywamy, gdy prąd osiągnie wartość 5 A. Dla zapobieżenia trwałemu magnesowaniu rdzenia należy po zakończeniu pomiaru natężenie prądu stopniowo zmniejszać do zera, a dopiero wówczas wyłączyć obwód. Następnie dla poznania, jak się zachowuje przekładnik ze zwojami zwartymi, przeprowadzamy analogiczne pomiary przy zwartym uzwojeniu pierwotnym. Należy w takim przypadku wymienić woltomierz na inny o mniejszym zakresie. R W A k K V L L Na podstawie pomiarów wykreślamy zależność U 0 = f(j 0 ) przy rozwartym uzwojeniu pierwotnym, która jest w innej skali obrazu zależności B = f (J) oraz zależność U 0 = f (J 0 ) przy zwartym uzwojeniu pierwotnym/ 3. Praca przy zaciskach wtórnych rozwartych. Rozwarcie obwodu wtórnego przekładnika prądowego podczas pracy powoduje znaczne zwiększenie strumienia magnetycznego, co jest przyczyną indukowania dużego napięcia (nawet rzędu kilowoltów!) po stronie wtórnej. Cały prąd jest prądem magnesującym. Następuje przesunięcie punktu pracy magnesowanie a także skutki cieplne. Dlatego należy zapamiętać: Nie wolno podczas przepływu prądu w obwodzie pierwotnym rozwierać obwodu wtórnego przekładnika prądowego. W razie potrzeby wykonania przełączenia w obwodzie wtórnym, należy zawsze zewrzeć zaciski k-l Zmierzyć napięcie na rozwartych zaciskach wtórnych przekładnika prądowego, gdy w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd. Przy rozwarciu obwodu wtórnego przekładnika prądowego strumień magnetyczny wytwarzany przez prąd pierwotny nie jest osłabiony przez strumień prądu wtórnego. Powoduje to nadmierne nagrzewanie się rdzenia oraz powstanie między rozwartymi zaciskami napięcia o wartości niebezpiecznej dla ludzi. Po za tym praca przy otwartym 15

16 obwodzie może spowodować pozostawienie w rdzeniu magnetyzmu szczątkowego wpływającego na uchyb przekładnika. Praca przekładnika prądowego przy obwodzie wtórnym otwartym jest niedopuszczalna. A 1 K L k L V Zestawiamy układ przedstawiony na rysunku, przyłączając woltomierz do uzwojenia wtórnego. Zwiększamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0, mierząc napięcie na zaciskach obwodu wtórnego. Pomiar przerywamy, gdy prąd w uzwojeniu pierwotnym osiągnie wartość znamionową. Wyniki pomiarów zestawiamy w tabelce. Zaleca się obserwację kształtu krzywej napięcia na zaciskach obwodu wtórnego przy użyciu oscyloskopu katodowego. 16

17 III.4. Badanie transformatora trójfazowego. Transformator to urządzenie przeznaczone do przetwarzania napięcia i prądu o jednej wartości, na napięcie i prąd o innej wartości tej samej częstotliwości. W transformatorze wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zasadniczymi częściami transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia górnego i dolnego napięcia. Rdzeń stanowi dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę o dużej przenikalności magnetycznej. Uzwojenie transformatora połączone ze źródłem napięcia zasilającego nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Uzwojenie połączone z obciążeniem jest uzwojeniem wtórnym. Badanie transformatora trójfazowego obejmuje: pomiar przekładni transformatora, wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego, stanu zwarcia oraz wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej. Wyznaczanie przekładni transformatora. Przekładnię transformatora najczęściej wyznacza się w stanie jałowym (transformator nieobciążony). Wyraża się ona stosunkiem wartości skutecznej napięcia U g w uzwojeniu górnego napięcia do wartości skutecznej napięcia U d w uzwojeniu dolnego napięcia. = Error! Do wyznaczenia przekładni transformatora trójfazowego można się posłużyć układem przedstawionym na poniższym schemacie. Układ do pomiaru przekładni. Należy dokonać pomiaru napięć międzywęzłowych i wyznaczyć przekładnię z poniższej zależności. U AB, U BC, U CA, - napięcia międzyfazowe po stronie uzwojeń napięcia górnego, U ab, U bc, U ca, - napięcia międzywęzłowe po stronie uzwojeń napięcia dolnego. 1 = Error!, = Error!, 3 = Error!, = Error! Wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego. 17

18 I 10 ;P Fe ; cos 0 I 10 Elektrotechnika laboratorium Do wyznaczenia charakterystyk stanu jałowego wykorzystuje się układ przedstawiony na poniższym schemacie: i Wielkości mierzone: I A, I B, I C, U AB, U BC, U CA, P 1, P Wielkości wyznaczane: a) średnia wartość napięcia U = Error!, b) prąd jałowy I 0 = Error!, c) straty jałowe P 0 = P 1 + P, d) współczynnik mocy stanu jałowego cos 0 = Error!, e) składowa bierna prądu stanu jałowego (prąd magnesujący) I 0 sin 0, f) składowa czynna prądu stanu jałowego I 0 cos 0. I 10n P Fe P 0 cos 0n cos 0 0 U n U 10 Badanie stanu zwarcia transformatora trójfazowego. Do wyznaczenia charakterystyk stanu zwarcia wykorzystuje się układ przedstawiony na poniższym schemacie: 18

19 Schemat układu do wyznaczania charakterystyk stanu zwarcia. Wielkości mierzone: I A, I B, I C U AB, U BC, U CA P 1, P Wielkości wyznaczane: a) napięcie zwarcia przy danej wartości prądu I z U z = Error!, b) prąd zwarcia I z = Error!, c) straty mocy P Z = P 1 + P, d) współczynnik mocy przy zwarciu cos zn = Error!, I 1z ;P Cu ; cos z U z = 0 I 1z P Cu P z I 1z cos z 0 U z U 1z Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie zwarcia. Charakterystyka zewnętrzna. Charakterystyka zewnętrzna określa zależność napięcia U na zaciskach uzwojenia wtórnego od prądu I płynącego przez rezystancję obciążenia R obc. 19

20 Zestawiamy układ według schematu: Wielkości wyznaczane: a) średnie napięcie międzywęzłowe: U 1 = Error!, b) średnie natężenie prądu: I 1 = i Error! c) moc pobierana: P 1 = (P I + P II ), d) średnie napięcie międzyprzewodowe: U = Error!, e) średnie natężenie prądu: I = i Error!, f) moc oddawana: P = ;3 U I, g) moc pozorna po stronie pierwotnej: P 1 = ;3 U 1 I 1, h) spadek napięcia: U = U 1 U, i) współczynnik mocy po stronie pierwotnej: cos 1 = Error!, j) sprawność: = Error! Charakterystyki: U, U 0 U 0

21 0 I n I Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie obciążonym (charakterystyka sprawności i charakterystyka zewnętrzna). 1

22 III.5. Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego 1. Część wstępna: Materiał do przygotowania: a) budowa silnika indukcyjnego jednofazowego, - schemat zastępczy. b) podstawowe charakterystyki silnika indukcyjnego jednofazowego, c) rodzaje pracy maszyny indukcyjnej, d) wytworzenie i kształt pola wirującego silnika indukcyjnego jednofazowego. Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się w stojanie uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy. Zasilane prądem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole zmienne, które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Przy n = 0 silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza momentu rozruchowego. Jeżeli jednak wirnikowi nada się pewną prędkość obrotową w dowolnym kierunku, to pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika. Silnik jednofazowy może wytwarzać moment rozruchowy, jeżeli zmieni się rozkład indukcji w szczelinie. W tym celu w stojanie umieszcza się uzwojenie dodatkowe pracujące bądź tylko w chwili rozruchu (uzwojenie rozruchowe), bądź też w sposób ciągły (uzwojenie pomocnicze). Silnik z uzwojeniem pomocniczym zwartym: 1 - uzwojenie główne, - uzwojenie pomocnicze

23 Małe silniki jednofazowe są często budowane z uzwojeniem pomocniczym zwartym (rys). Mają one wirnik klatkowy i uzwojenie stojana skupione w postaci cewek (1) nałożonych na bieguny stojana. Na każdym biegunie znajduje się żłobek, który dzieli nabiegunnik na dwie nierówne części. Uzwojenie pomocnicze () stanowi zwój zwarty obejmujący mniejszą część nabiegunnika. Powstaje w ten sposób dodatkowy strumień d wywołany sumą przepływów g + p (g - przepływ uzwojenia głównego, p - przepływ uzwojenia pomocniczego). Przesunięte względem siebie w czasie i przestrzeni strumienie g i d tworzą wirujące pole eliptyczne powodujące powstanie niewielkiego momentu rozruchowego, wystarczającego do uruchomienia silnika. Wadą tego rozwiązania jest mała sprawność silników, duże straty stałe w zwoju zwartym i mały moment rozruchowy (ok. 0,5 Mn). 3

24 M M r M n 0 n M M r M n 0 n M M n M r Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem rozruchowym kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym, c) z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym 0 n Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia umieszczonego w stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne tak, aby osie obu uzwojeń były przesunięte względem siebie o kąt /. Jeżeli prądy płynące w uzwojeniu głównym i pomocniczym są przesunięte o kąt = /, to przy jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole wirujące jest kołowe, a więc moment rozruchowy jest największy. 4

25 B t = 0 t = T/6 0 t = T/4 t = T/3 x t = T/ Przebieg podstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez uzwojenie jednofazowe dla różnych chwil czasowych Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z uzwojeniem pomocniczym kondensatorów (rys. a, b) lub powiększenie rezystancji tego uzwojenia (rys. c). Uzwojenie wykorzystywane tylko podczas rozruchu wyłączane jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego W, umieszczonego na wale silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma kondensatorami (rys. b), z których jeden jest załączony tylko na czas rozruchu, natomiast drugi pracuje ciągle. Rozwiązanie takie stosuje się po to, aby uzyskać pole jak najbardziej zbliżone do kołowego zarówno podczas rozruchu (większy moment rozruchowy), jak i podczas obciążenia (większy współczynnik mocy), kiedy to potrzebna pojemność kondensatora maleje kilkakrotnie. W celu uproszczenia konstrukcji często rezygnuje się ze zmiany pojemności i wówczas uzwojenie pomocnicze współpracuje z jednym, stale załączonym, kondensatorem. Zwiększenie momentu rozruchowego przez zwiększenie rezystancji uzwojenia dodatkowego (rys. c) uzyskuje się najczęściej po nawinięciu tego uzwojenia przewodem o odpowiednio zmniejszonym przekroju. Według PN-IEC 34-1:1997 minimalny moment rozruchowy Mr min silników jednofazowych nie może być mniejszy od 0,3 Mn. Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik taki nie zatrzymuje się, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim przypadku maleje około dwukrotnie. Stosując odpowiedni układ połączeń faz silnika trójfazowego i odpowiednio dobranych elementów RLC można, przy zasilaniu go napięciem jednofazowym, uzyskać moc zbliżoną do jego mocy znamionowej. Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych. Wynika to stąd, że strumień przeciwbieżny ma względem wirnika prędkość większą od synchronicznej i wywołuje w jego rdzeniu duże straty. 5

26 Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (s, cos0, I0, P0 = f(u0) przy f = fn). Charakterystyki biegu jałowego umożliwiają, podobnie jak przy badaniu silnika trójfazowego, określenie strat jałowych i wyznaczenie przybliżonej wartości strat mechanicznych oraz pozwalają ocenić poprawność konstrukcji silnika, szczelinę maszyny itp. Prąd biegu jałowego ma dwie składowe. Pierwsza odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości s f jest, podobnie jak w silniku trójfazowym, bardzo mała. Druga natomiast odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości (-s) f ma znaczną wartość. Dlatego wypadkowy prąd biegu jałowego silnika jednofazowego może być znacznie większy (do 3 razy) niż prąd biegu jałowego odpowiadającego mu silnika trójfazowego. Prąd biegu jałowego silników jednofazowych z kondensatorowym uzwojeniem pomocniczym jest mniejszy, ponieważ wytwarzane w tym silniku pole jest polem wirującym, toteż nie są indukowane w wirniku prądy o częstotliwości (-s)f. I 0, P 0, cos 0 cos 0 f = f n P 0 I 0 s 0 P m 0 U n U 0 Charakterystyki biegu jałowego Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności momentu rozruchowego, współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranych przez silnik przy zatrzymanym wirniku od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (Mr, cosz, Iz, Pz = f(uz) przy s = 1, f = fn). 6

27 I z, P z, cos z, M r cos z I z f = f n M r s = 1 P z 0 U z Charakterystyki stanu zwarcia Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości obrotowej, mocy pobieranej, współczynnika mocy, momentu obrotowego i sprawności od mocy oddawanej na wale przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości (I, n, P1, cos, M, = f(p) przy U = Un, f = fn). Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie pracy. Wartości poszczególnych parametrów przy P = Pn odczytane z charakterystyk obciążenia należy porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę. Tolerancje wartości podanych na tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996. I, M, n,, P 1, cos n cos P 1 M I f = f n U = U n 0 P Charakterystyki obciążenia 7

28 . Program ćwiczenia obejmuje: pomiar rezystancji uzwojeń przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania pomiar charakterystyk biegu jałowego pomiar charakterystyk elektromechanicznych UWAGA DO ĆWICZENIA! Aby uniknąć przegrzania koła i taśmy hamulcowej przy obciążaniu silnika pomiary należy przeprowadzić sprawnie i po zakończeniu pomiarów natychmiast zdjąć obciążenie wału. 3. Przebieg ćwiczenia: DANE SILNIKA F = 50 Hz P = 180 W η = 0.55 I = A ν = 00 V cosφ = 0.63 n = 1400 obr/min a) pomiar rezystancji uzwojeń mostkiem Wheatstone a - uzwojenia głównego -uzwojenia rozruchowego b) przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania c) pomiar charakterystyki biegu jałowego Układ połączeń jak na rys. 1. bez obciążenia zewnętrznego wału silnika. Pomiar rozpoczynamy od podania poprzez autotransformator napięcia o wartości 40V i zmniejszamy je do 140V (po 10V). Odczytujemy z przyrządów wyniki U 0, I 0, P 0. n 0 i wpisujemy je w tabelkę. Wzory do obliczeń pozostałych parametrów: P0 cos U I 0 0 P U 0 P0 P 0 P0 I 0 R1 P i m P F - wyznaczamy drogą ekstrapolacji krzywej 8

29 U V W Z U W A W A B V Z A B V Rys. 1. UKŁAD POŁĄCZENIA DLA OBROTÓW W PRAWO U V W Z U W A W A B V Z A B V Rys.. ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA W LEWO 9

30 AP j f U 0 Lp U 0 I 0 P 0 n cosφ 0 I 0 R 1 ΔP j U 0 ΔP m ΔP F [V] [A] [W] [obr/min] - [W] [W] [v ] [W] [W] Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić zależności I 0 = f (U 0 ) P 0 = f (U 0 ) ΔP j = f (U 0 ) cosφ 0 = f (U 0 ) ΔP j = f (U 0 ) d) pomiar charakterystyk elektromechanicznych Układ połączeń jak na rys. 1. dodając zmienne obciążenie wału silnika poprzez ręczną zmianę poprzeczki naciągu dynamometrów. Pomiar rozpoczynamy od stanu jałowego przy stałym napięciu zasilania uzwojenia stojana 0V. Zmieniamy obciążenie wału silnika od zera do kg. Odczytujemy z przyrządów wyniki: U, I, P, n, F 1, F. Średnicę koła hamulcowego mierzymy przymiarem. Obliczamy parametry: M, cosφ. Lp U I P n F 1 F F M S cosφ [V] [A] [W] [obr/min] [kg] [kg] [N] [Nm] [VA] - 30

31 Wzory do obliczeń F = (F 1 F ) g F 1 F D D = 135 mm F 1 siła zgodna z kierunkiem obrotu wirnika F siła przeciwna do kierunku obrotu wirnika D M F S U I P P cos S U I Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślamy charakterystyki: n = f (M) cosφ = f (M) 4. Opracowanie wyników Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Schematy układów pomiarowych.. Tabelki z wynikami. 3. Obliczenia poszczególnych parametrów. 4. Wykresy charakterystyk: a) charakterystyki biegu jałowego b) charakterystyka elektromechaniczna 5. Oszacowanie błędów pomiarowych poszczególnych parametrów i charakterystyk. 6. Wykaz przyrządów zastosowanych w ćwiczeniu. 31

32 Literatura: 1. Z. Bajorek: Teoria maszyn elektrycznych laboratorium Cz. I instrukcje do ćwiczeń wyd. Ucz. Pol. Rzeszowskiej, Rzeszów Praca zbiorowa: Maszyny i napędy elektryczne. Poradnik technika elektrotechnika. Wyd. Szk. I Ped. Warszawa Praca zbiorowa: Laboratorium maszyn elektrycznych cz. II. Maszyny indukcyjne. Pol. Śląska, Gliwice 1985 III.6. Badanie silnika asynchronicznego pierścieniowego 3