Ć w i c z e n i e 6 TRANSFORMATORY JEDNOFAZOWE

Transkrypt

1 Ć w i c z e n i e 6 RANSFORMAORY JEDNOFAZOWE Wiadoości ogólne ransforatory są urządzeniai służącyi do przetwarzania energii prądu przeiennego o dany napięciu, na energię prądu przeiennego o inny napięciu. ransforatory jednofazowe są powszechnie stosowane jako urządzenia dopasowujące napięcie sieci 0 V (rzadziej 380 V) do napięć narzuconych przez odbiorniki, np. transforatory zasilające układy prostownikowe do ładowania akuulatorów, transforatory bezpieczeństwa (0/4 V) do zasilania odbiorników przenośnych, transforatory zasilające układy elektroniczne, transforatory w spawarkach i zgrzewarkach. Występują również w technice transforatory jednofazowe przeznaczone tylko do celów poiarowych. Są to przekładniki napięciowe i prądowe. Odianą transfora-torów są autotransforatory, które budowane są zazwyczaj z płynną regulacją napięcia wyjściowego od 0 50 V przy zasilaniu napięcie 0 V.. ransforator jednofazowy.. Budowa i zasada działania ransforator składa się z obwodu agnetycznego oraz dwóch uzwojeń nie połączonych galwanicznie. W obecnie budowanych transforatorach obwód agnetyczny - rdzeń, wykonuje się z blachy elektrotechnicznej, (z dodatkie krzeu -,5 4,5%) walcowanej na zino (tzw. blachy transforatorowej) o grubości około 0,3 z izolacją tlenkową. Blacha zinowalcowana charakteryzuje się, przy struieniu skierowany wzdłuż kierunku walcowania, dużą przenikalnością agnetyczną µ oraz ałą stratnością (około 0,6 W/kg). Dodatek krzeu oraz podział rdzenia na izolowane blachy, powodują zniejszenie strat ocy czynnej w rdzeniu wskutek prądów wirowych. zwojenie zasilane z sieci nazywa się uzwojenie pierwotny, natoiast zasilające odbiornik nazywa się uzwojenie wtórny (rys. 6.). Fe

2 Rys. 6.. Szkic ideowy transforatora jednofazowego W transforatorach wykorzystane jest zjawisko indukcji elektroagnetycznej polegające na indukowaniu siły elektrootorycznej e w uzwojeniu o ilości zwojów N przez wnętrze którego przenika zienny struień Φ : dφ e = N. (6.) dt zwojenie pierwotne zasilane napięcie przeienny wzbudza w rdzeniu przeienny struień agnetyczny: Φ t = Φ sin ωt, (6.) który indukuje w obu uzwojeniach przeienne siły elektrootoryczne E i E o wartościach skutecznych: E = 4,44 f N Φ, (6.3) E = 4,44 f Φ, (6.4) N gdzie: N, N - liczby zwojów szeregowych, odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego, Φ - aplituda struienia agnetycznego zieniającego się sinusoidalnie, Fe Φ = S B, (6.5) gdzie: SFe - powierzchnia przekroju stali rdzenia, B - aplituda indukcji agnetycznej; dla blachy walcowanej na zino, B = (,4,6) (średnio,5 ), dla blachy walcowanej na gorąco, B = (,,4) (średnio,3 ).

3 rzekładnia transforatora ϑ: E E ϑ = = =. (6.6) 4,44 f N Φ 4,44 f N Φ N N Zgodnie z (6.), ważną właściwością transforatora jest to, że nie przekazuje on ze strony zasilania na stronę odbioru składowej stałej prądu i dlatego oże służyć do jej eliinacji. W pracy transforatora ożna wyróżnić trzy charakterystyczne stany: jałowy, zwarcia, obciążenia... Stan jałowy Stan jałowy a iejsce, gdy uzwojenie pierwotne zasilane jest napięcie znaionowy a uzwojenie wtórne - otwarte ( = 0). W badaniach laboratoryjnych stan jałowy transforatora wykorzystuje się do wyznaczania przekładni napięciowej ϑ u, prądu stanu jałowego 0 oraz strat ocy czynnej Fe w stali rdzenia. ponieważ przy = 0; 0 = E, natoiast E N 0 ϑ u = =, (6.7) 0 E N 0 = E + 0 R + j 0 X. (6.8) rąd stanu jałowego 0 z uwagi na bardzo ałe szczeliny powietrzne w rdzeniu i wykonanie go z ferroagnetyka o dużej przenikalności agnetycznej jest ały, ( 0 = ( 8) % n ). 0 = 0cz + µ. (6.9) Składowa czynna 0cz charakteryzuje straty ocy czynnej w stali rdzenia, (strata ocy w uzwojeniu pierwotny 0 R - poijalnie ała) które są praktycznie zależne od kwadratu napięcia zasilającego. 0 0cz Fe = CFe =. (6.0) Składowa bierna µ nazywana prąde agnesujący wzbudza w rdzeniu struień agnetyczny Φ (rys. 6.) 3

4 µ N µ N Φ = = µ S R l µ śr Fe. (6.) W transforatorach aplituda struienia Φ zgodnie z (6.3) i (6.8) zależy od wartości napięcia zasilającego, natoiast aplituda prądu agnesującego µ potrzebnego na jego wytworzenie zgodnie z (6.) zależy od wyiarów geoetrycznych (l śr, S Fe ) a szczególnie od ateriału (µ) z jakiego wykonany jest rdzeń cz ϕ 0 µ Φ 0 0 Rys. 6.. Wykres wskazowy stanu jałowego transforatora W badaniach eksploatacyjnych, próbę stanu jałowego przeprowadza się do oceny stanu technicznego transforatora a szczególnie do stwierdzenia powstałych zwarć zwojowych i poprawności ontażu rdzenia. Zwarcie zwojowe w uzwojeniu pierwotny powoduje wzrost napięcia na wyjściu, natoiast zwarcie zwojowe po stronie wtórnej powoduje obniżenie napięcia na wyjściu. W obu przypadkach zwarć zwojowych następuje wzrost prądu stanu jałowego transforatora Stan zwarcia W badaniach laboratoryjnych przeprowadza się próbę zwarcia poiarowego. W eksploatacji transforatora ogą występować zwarcia zwane zwarciai ruchowyi. Zwarcie poiarowe przeprowadza się napięcie obniżony, nazywany napięcie zwarcia poiarowego, przy który prądy w obu uzwojeniach osiągają wartości znaionowe. róba taka a na celu: ) wyznaczenie procentowego napięcia zwarcia,

5 z u z % = 00%, (6.) n które jest niewielkie i wynosi: u z% = 3 5% n (np. dla transforatorów ON o ocach kva i = 6 kv, u z% = 4,5%), ) wyznaczenie strat ocy czynnej w uzwojeniach, które odpowiadają znaionoweu obciążeniu, z n n n = R + R = R. (6.3) Straty ocy czynnej w stali rdzenia z uwagi na niskie napięcie zasilające są poijalnie ałe (6.0), 3) wyznaczenie paraetrów uproszczonego scheatu zastępczego transforatora (rys.6.3). R X, N = N, = N N Obc. Rys proszczony scheat zastępczy transforatora z Z =, (6.4) n cos = z ϕ z, (6.5) zn R = Z cosϕz ; X Z sinϕz =. (6.6) Zwarcie strony wtórnej przy znaionowy napięciu zasilający nazywane jest zwarcie ruchowy - eksploatacyjny. rądy zwarcia ruchowego ożna wyznaczyć z zależności: 00% z = n ; z = z ϑ. (6.7) u z% Znajoość prądu z ( z = 7 33 n ) pozwala ustalić zabezpieczenia transforatora przed skutkai zwarć (7 n - jednostki ałej ocy, 33 n - jednostki bardzo dużej ocy). 5

6 .4. Obciążenie transforatora W transforatorze obciążony oce pozorne po obu stronach są praktycznie równe: równe są także aperozwoje: = =, (6.8) S S, (6.9) N N N = =. (6.0) N ϑ Moc transforatora jest związana z przekroje rdzenia zależnością: w której: S S Fe = C, (6.) f S Fe - powierzchnia przekroju stali koluny rdzenia w c, S - oc transforatora w V A, f - częstotliwość napięcia zasilającego w Hz, C - stała, zawiera się w granicach 3,5 6. Najczęściej stała C jest zbliżona do 5. rzy stały napięciu zasilający, napięcie strony wtórnej nieznacznie zienia się wraz z obciążenie: = + (6.) ϑ + R jx Zależność = f ( ) przy = const. i cosϕ = const. nazywa się charakterystyką zewnętrzną transforatora (rys. 6.4). Zienność napięcia wyjściowego przy przejściu transforatora od stanu jałowego do obciążenia znaionowego jest niewielka, wynosi kilka procent i jest zależna od charakteru obciążenia R,L,C. 6 0 n σ = 00%. (6.3) u% 0 Sprawności transforatorów z uwagi na brak części wirujących są dość wysokie i wynoszą około 80 % dla jednostek ałej ocy oraz do 99 % dla jednostek dużej ocy.

7 Rys Charakterystyka zewnętrzna transforatora. Autotransforator Autotransforator w odróżnieniu od transforatora posiada tylko jedno uzwojenie, część którego stanowi uzwojenie wtórne (rys. 6.5). Z uwagi na etaliczne połączenie strony pierwotnej i wtórnej, autotransforatory ogą być wykorzystywane do zasilania odbiorników w zasadzie tylko przy niski napięciu nie przekraczający 50 V. Do celów laboratoryjnych najczęściej autotransforatory budowane są na napięcie pierwotne 0 V, natoiast napięcie wtórne regulowane od 0 50 V. W części uzwojenia BC występuje różnica prądów i, zate ta część uzwojenia oże być wykonana przewode o odpowiednio niejszej powierzchni przekroju. rzekładnia autotransforatora wynosi; ϑ = 0 (6.4) 0 N N W autotransforatorze rozróżnia się dwie oce: oc przechodnia - S p =, (6.5) oraz oc własna - = ( ), (6.6) Sw która decyduje o wyiarach, asach rdzenia i uzwojeń autotransforatora. 7

8 Rys Autotransforator jednofazowy 3. rzekładnik prądowy rzekładnik prądowy przeznaczony jest do poszerzania zakresów poiarowych ierników (aperoierzy, watoierzy, liczników energii) jak również do uożliwienia poiarów tych wielkości w układach wysokonapięciowych w bezpieczny sposób. rzekładnik prądowy włącza się do sieci szeregowo z odbiornikie podobnie jak aperoierz (rys. 6.6). zwojenie wtórne jak również rdzeń są uzieione. rzekładnik prądowy, z uwagi na ałą wartość ipedancji ierników, pracuje podobnie jak transforator w stanie zwarcia, dla którego obowiązuje zależność: N = N. (6.7) rzekładnia prądowa przekładnika: N ϑ i = =. (6.8) N Rys oiar prądu z wykorzystanie przekładnika prądowego 8

9 W czasie pracy przekładnika (obwód wtórny zaknięty), struień w rdzeniu jest bardzo ały. rzerwa w obwodzie wtórny przekładnika powoduje wzrost struienia w rdzeniu do wartości: N Φ =, (6.9) R µ gdyż N = 0, w następstwie czego w obwodzie ty pojawia się znaczne napięcie ogące zniszczyć izolacje uzwojeń, jak również zagrażać bezpieczeństwu obsługi. rąd wtórny przekładników technicznych wynosi 5 A, pierwotny natoiast do kilku tysięcy A, w zależności od potrzeb. 4. Wykonanie ćwiczenia 4.. Badanie transforatora jednofazowego Dane znaionowe: Należy zapoznać się z budową transforatora, podstawowe dane znaionowe zestawić w tabeli 6.. abela 6.. S n n n 0 n VA V A V A 4... róba stanu jałowego Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys róbę przeprowadzić przy znaionowy napięciu n. Wyniki poiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.. Rys kład poiarowy do próby stanu jałowego transforatora 9

10 abela 6.. oiary Obliczenia ϑ u 0 0 cosϕ 0 V A W V - % % - oszczególne wielkości obliczyć z zależności: ϑ u = ; 0% = 00 %; 0% = 00 %, S 0 n n cos 0 ϕ 0 =. 0 0 rzeprowadzić dyskusję otrzyanych wyników oraz narysować wykres wskazowy dla tego stanu pracy transforatora róba zwarcia poiarowego Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys. 6.8 dobierając odpowiednio zakresy poiarowe przyrządów. 0 Rys kład poiarowy do próby zwarcia transforatora Za poocą autotransforatora stopniowo zwiększać napięcie na transforatorze do wartości przy której prąd wskazywany przez aperoierz osiągnie wartość równą prądowi znaionoweu n. Wyniki poiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.3.

11 abela 6.3. oiary Obliczenia z z z Cu cosϕ z z z V A W % % - A A W obliczeniach wykorzystać zależności: u = z z z z% = 00%; Cu% = 00%; cos ϕz, n Sn zn 00% = = ϑ. z n ; z z u z% onadto obliczyć paraetry uproszczonego scheatu zastępczego transforatora: Z = z n ; R = Z cosϕ z ; X u = Z sin ϕ z róba obciążenia Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys róbę obciążenia przeprowadzić dla znaionowego napięcia n zasilającego transforator. Zieniając rezystore R obciążenie transforatora w granicach = 0, n dokonać 5 poiarów. Wyniki poiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.4. Rys kład poiarowy do próby obciążenia transforatora

12 abela 6.4. Lp. oiary Obliczenia η cosϕ V A W V A W % - W obliczeniach korzystać z zależności: = ; η = 00%; cosϕ =. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną transforatora: = f (). Dla znaionowego prądu n odczytać z charakterystyki = f ( ) wartość napięcia i obliczyć z zależności (6.3) zienność napięcia wyjściowego δ. rzeprowadzić dyskusję uzyskanych wyników badań. u% 4.. Badanie autotransforatora i poiar natężenia prądu z wykorzystanie przekładnika prądowego W ćwiczeniu zostanie wykorzystany autotransforator o nastawianej przekładni z włączony przekładnikie prądowy do poiaru natężenia prądu strony wtórnej w próbie obciążenia. Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys Rys kład poiarowy do badania autotransforatora

13 oiary przeprowadzić dla stanu jałowego oraz dla obciążenia znaionowego ustalonego rezystore R przy znaionowy napięciu zasilający nastawiony autotransforatore laboratoryjny A. Wyniki poiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.5. W obliczeniach wykorzystać zależności podane w p. 6. i 6.3. rzeprowadzić dyskusję wyników uzyskanych z poiarów i obliczeń. Stan jałowy Stan obciążenia abela ϑ u ' ϑ i S p S w V A V - V A V A - A VA VA rąd strony wtórnej autotransforatora obliczać z zależności: gdzie: - wartość prądu odczytana z aperoierza A, ϑ i = - przekładnia przekładnika prądowego. = ϑ i 4.3. Wykaz aparatury odać zestawienie przyrządów poiarowych, urządzeń regulacyjnych jak też urządzeń obciążających zgodnie z wytycznyi podanyi w części ogólnej. Zagadnienia do saodzielnego opracowania. Budowa i zasada działania transforatora.. Wyrażenia na siły elektrootoryczne E i E ; z czego wynika współczynnik liczbowy 4,44 oraz przekładnia transforatora. 3. Rola rdzenia ferroagnetycznego w transforatorze. 4. Cel badań laboratoryjnych transforatora w stanie jałowy. 5. Charakterystyka napięciowo-prądowa stanu jałowego oraz prąd stanu jałowego transforatora. 6. Wykres wskazowy dla stanu jałowego transforatora. 7. Cel badań laboratoryjnych transforatora w stanie zwarcia. 3

14 8. Co to jest zwarcie ruchowe transforatora oraz jak oblicza się prądy w uzwojeniach przy taki zwarciu? 9. Mechaniz przenoszenia energii oraz związek iędzy prądai płynącyi w obu uzwojeniach transforatora. 0. Charakterystyka zewnętrzna = f ( ) oraz zienność napięcia wyjściowego transforatora.. Zależność ocy transforatora od przekroju rdzenia ferroagnetycznego. Autotransforator: budowa, scheat elektryczny uzwojeń, zasada działania, zalety i wady. 3. rzekładnik prądowy: przeznaczenie, budowa, zasada działania, sposób włączenia, skutki przerwy w obwodzie wtórny w czasie jego pracy. Literatura: [] iątek Z., Kubit J., asko M.: Elektrotechnika Ogólna cz.3. Wydawnictwo olitechniki Śląskiej, Gliwice 999. [] raca zbiorowa : oradnik inżyniera elektryka.. WN, Warszawa 995. [3] Skwarczynśki J., ertil Z.: Maszyny elektryczne część pierwsza. eoria. Wydawnictwo AGH, Kraków