3. Badanie sprzęŝenia elektromagnetycznego transformator jednofazowy

Transkrypt

1 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 Prgram ćwicenia: 3. Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy Pmiar reystancji uwjeń transfrmatra. Pmiar prekładni transfrmatra. Wynacenie charakterystyki stanu jałweg transfrmatra. Wynacenie charakterystyki warcia transfrmatra. Wynacanie parametrów schematu astępceg transfrmatra. Cel ćwicenia: Dr inŝ. Marek Głgwski Celem ćwicenia jest pnanie spsbu wynacania charakterystyk i schematu astępceg transfrmatra jednfaweg. Wprwadenie: waga! Pred prystąpieniem d ćwicenia apnać się ddatkiem pt. "Prcedura wynacania niepewnści pmiarwych". Energia elektrycna jest presyłana na duŝe dległści wynsące casami 000 i więcej kilmetrów. Straty pry presyle energii są prprcjnalne d R. Aby te straty były mŝliwie małe, pwinn być małe R alb. Zmniejsenie R wymagałby stswania linii presyłwych bard duŝych prekrjach prewdów, c byłby bard kstwne, a pry bard duŝych mcach technicnie niewyknalne. Dlateg na duŝe dległści naleŝy presyłać energię pry stsunkw małym prądie i pry stsunkw wyskim napięciu, c wynika równści mcy. Rlę transfrmatra w systemie energetycnym mŝna wyjaśnić a pmcą rys.. Energia elektrycna jest wytwarana w turbgeneratrach ustawinych w elektrwniach. Napięcie turbgeneratra na gół nie prekraca 4 kv. W celu pdwyŝsenia napięcia d wartści np. 0 kv i mniejsenia prądu jest ustawiny na pcątku linii presyłwej transfrmatr pdpdwyŝsający napięcie. Na kńcu tej linii jest ustawiny transfrmatr bniŝający napięcie d wartści dpwiadającej napięciu rdielni bniŝneg napięcia. Od tych rdielni energia jest dprwadana liniami, na kńcach których są ustawine transfrmatry bniŝające napięcie d wartści stswanej w rdielniach niskieg napięcia (kilkaset wltów). Energia dprwadna d tych rdielni jest dprwadana d dbirników. Tak więc energia elektrycna na drde presyłu d turbgeneratrów d dbirnika jest transfrmwana c najmniej trykrtnie. Dlateg transfrmatr pwinien mieć bard duŝą sprawnść. Budwę transfrmatra jednfaweg predstawia rysunek. Rdeń składa się jarm i klumn. KaŜde uwjeń, arówn dlne 3, jak i górne 4 jest pdielne na płwę. Na ~ Turbgeneratr Transfrmatr pdwyŝsający napięcie Linia presyłwa Transfrmatr bniŝający napięcie Rys.. Schemat systemu energetycneg. D rdielni

2 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 kaŝdej klumn jest sadna płówka uwjenia dlneg ) i płówka uwjenia górneg. W celu ułatwienia wyknania ilacji uwjenie dlne jest umiescne bliŝej rdenia, a uwjenie górne dalej d rdenia. Obydwa uwjenia mają pstać cylindrycną. Pmiędy uwjeniem dlnym i górnym najduje się tuleja ilacyjna nie widcna na rysunku. Zasadę diałania transfrmatra mŝna wyjaśnić na pdstawie rysunku 3. Transfrmatr ma rdeń blach elektrtechnicnych, twrący bwód amknięty dla strumienia magnetycneg Φ, Rys.. Budwa transfrmatra jednfaweg. ra nawiniętej na nim prewdem miedianym dwa (najcęściej) uwjenia licbach wjów N i N. Licba wjów N jest najcęściej róŝna d licby wjów N. Jeśli d uwjenia licbie wjów N stanie dprwadne napięcie u, t ppłynie prąd i, wywłujący strumień magnetycny, któreg asadnica cęść Φ ppłynie pre rdeń magnetycny, kjarąc się bydwma uwjeniami transfrmatra. Cęść strumienia magnetycneg, nacna Φ σ amknie się pre pwietre, kjarąc się tylk uwjeniem licbie wjów N. Strumień Φ naywa się strumieniem głównym, a strumień Φ σ strumieniem rprsnym. Strumień Φ σ prechdi głównie pre pwietre, a więc pre śrdek małej prewdnści magnetycnej ). Strumień Φ prechdi pre rdeń Ŝelany, a więc pre śrdek magnetycny duŝej prewdnści magnetycnej. Dlateg strumień rprsny Φ σ jest nacnie mniejsy d strumienia główneg Φ. Zwykle Φ σ wynsi kilka prcent strumienia Φ. Jeśli napięcie u jest napięciem premiennym, t prąd i jest prądem premiennym ra strumienie Φ i Φ σ są strumieniami premiennymi. Wtedy gdnie prawem indukcji elektrmagnetycnej w uwjeniach transfrmatra indukują się napięcia dpwiedni prprcjnalnie d licb wjów N i N ra strumienia Φ. Jeśli d uwjenia licbie wjów N stanie dłącny dbirnik impedancji Z, t pre t uwjenie ppłynie prąd i. Mc dstarcna d transfrmatra jest w prybliŝeniu równa mcy dprwadnej d transfrmatra, cyli, więc. W takim stanie, wanym stanem bciąŝenia, prąd i wywłuje strumień główny Φ g i strumień rprsny Φ σ, a prąd i wywłuje strumień główny Φ g i strumień rprsny Φ σ. Strumień Φ σ jest skjarny tylk uwjeniem licbie wjów N. Strumień Φ g pry prebie- Rys. 3. lustracja asady diałania transfrmatra jednfaweg. ) ) strna dlna transfrmatra jest t uwjenie mniejsej licbie wjów. Wsystkie wielkści wiąane e strną dlną są naywane wielkściami dlnymi i nacane indeksem d; prewdnścią magnetycną alb permeancją naywamy dwrtnść reluktancji Λ µ S/l, jednstką jest H;

3 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 gach sinusidalnych jest skierwany prawie preciwnie niŝ strumień Φ g (presunięty w faie prawie 80 ). Te dwa strumienie twrą wspólny strumień wypadkwy Φ, skjarny bydwma uwjeniami. Φ σ. Jeśli impedancja dbirnika Z maleje, t prąd wrasta, strumień Φ g wrasta, strumień wypadkwy Φ chwilw maleje, napięcie i indukwane w uwjeniu licbie wjów N (preciwstawiające się płynięciu prądu ) chwilw maleje, prąd wrasta, strumień Φ g wrasta aŝ strumień wypadkwy pnwnie wrśnie prawie d ppredniej wartści. Na tej pdstawie mŝna stwierdić, Ŝe pry wrście prądu wrasta prąd, a strumień główny prawie nie ulega mianie. Jeśli napięcie asilające jest dłącne d uwjenia pierwtneg licbie wjów N mniejsej d licby wjów N uwjenia wtórneg, t w uwjeniu wtórnym indukuje się napięcie wyŝse d napięcia asilająceg. Taki transfrmatr pdwyŝsa napięcie, a mniejsa prąd w uwjeniu wtórnym w stsunku d napięcia i prądu w uwjeniu pierwtnym. Jeśli napięcie asilające jest dłącne d uwjenia N > N, t transfrmatr bniŝa napięcie, a więksa wartść prądu.. Pmiar reystancji uwjeń transfrmatra Pmiar reystancji uwjeń naleŝy wyknać miernikiem uniwersalnym. Dla kaŝdeg uwjeń naleŝy wyknać p try pmiary, następnie blicyć wartść średnią. Zmierne wielkści naleŝy prelicyć na umwną temperaturę 75 C. Reystancję uwjenia miedianeg prelica się według wru R R 35 + T R 75 reystancja w umwnej temperature pracy, R reystancja w temperature tcenia, temperatura tcenia. T. Pmiar prekładni transfrmatra Najcęściej a prekładnię transfrmatra ϑ pryjmuje się g / d ( g licba wjów strny górnej, d licba wjów strny dlnej) niealeŝnie d teg, który bwód jest pierwtny, a który wtórny. Pmiar prekładni wyknuje się w stanie jałwym. Pmierne wartści napięć są barcne błędem uchybu pryrądów i minimalnym wprawdie, lec istniejącym spadkiem napięcia wywłanym prepływem prądu pbieraneg pre wltmier. Prekładnię naleŝy blicyć e wru ϑ g d g, d dpwiedni strna górneg i dlneg napięcia. 3

4 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy Stan jałwy transfrmatra Wyniki uyskane pmiarów transfrmatra asilaneg napięciem naminwym pracująceg w stanie jałwym, pwalają cenić stan technicny jeg rdenia i stanwią waŝny materiał prównawcy dla uŝytkwnika. Pdcas ćwicenia pmiary transfrmatra naleŝy wyknać dla kilku wartści napięcia asilania w granicach (0.3.) n. Wyniki pmiarów umŝliwiają wynacenie charakterystyki strat w Ŝelaie P Fe, prądu jałweg, jeg składwej Fe ra współcynnika mcy csϕ w aleŝnści d wartści napięcia asilająceg. Charakterystyki te, wane charakterystykami stanu jałweg transfrmatra, braują własnści jeg bwdu magnetycneg. Wykresy typwych charakterystyk stanu jałweg transfrmatra predstawin na rysunku 4. Prąd stanu jałweg, pbierany pre transfrmatr pracujący w stanie jałwym jest bard mały i w transfrmatrach energetycnych małej mcy nie prekraca wartści 0, n prądu naminweg, a w jednstkach duŝych mcy kilkudiesięciu megawltamperów jest rędu 0,0 n. Z analiy prównawcej niepewnści pmiaru mcy P pbieranej pre transfrmatr pracujący w stanie jałwym ra strat bciąŝenia P R wynika, Ŝe straty bciąŝenia są mniejse d niepewnści jaką jest mierna mc. MŜna więc pryjąć, Ŝe mc mierna, którą pbiera transfrmatr w stanie pracy jałwej jest praktycnie równa stratm w Ŝelaie. Straty w Ŝelaie są prprcjnalne d kwadratu P P Fe Rys. 4. Charakterystyki stanu jałweg transfrmatra. indukcji magnetycnej B, a tym samym d kwadratu strumienia magnetycneg φ, d wartści któreg jest wprst prprcjnalna siła elektrmtrycna E, cyli w prybliŝeniu takŝe d kwadratu napięcia (jeŝeli pminąć niewielki spadek napięcia na impedancji uwjenia i pryjąć, Ŝe E ). Zatem P PFe ~ B ~ Φ ~ E Stąd charakterystyka P f() ma kstałt parabli. Prąd pbierany pre transfrmatr w stanie jałwym jest sumą gemetrycną składwej biernej µ jaką stanwi prąd magnesujący i składwej cynnej Fe, która jest w prybliŝeniu prprcjnalna d napięcia i dpwiada stratm w Ŝelaie transfrmatra. Prądy te mŝna wynacyć aleŝnści µ Fe sinϕ csϕ 4

5 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 PniewaŜ składwa cynna Fe prądu jest mała Fe 0,, więc składwa bierna prądu µ, cyli prąd magnesujący transfrmatra, tylk nienacnie róŝni się d prądu. Tym samym, wykres prądu magnesująceg µ f( ) praktycnie pkrywa się wykresem prądu jałweg f( ). Współcynnik mcy transfrmatra w stanie jałwym P csϕ maleje, gdy napięcie asilania wrasta. Wynika t stąd, Ŝe prąd stanu jałweg wrasta nieprprcjnalnie sybk w miarę jak więksa się napięcie asilania, c jest spwdwane wrastającym nasyceniem rdenia transfrmatra. Pmiary stanu jałweg transfrmatra naleŝy wyknać w układie płąceń, któreg schemat amiescn na rysunku 5. P strnie pierwtnej miery się prąd ampermierem A, mc P watmierem W i napięcie wltmierem V. wjenie wtórne transfrmatra jest twarte. Wltmier V miery napięcie wtórne. Rys. 5. Schemat płąceń w stanie jałwym transfrmatra. Tabela Lp. 7 P c w α csϕ Fe A V d W/d W V A wagi Wyniki uyskane pmiarów i bliceń naleŝy amieścić w tabeli. Krystając trymanych wyników naleŝy naryswać wykresy P,, csϕ f( ) 4. Stan warcia transfrmatra Badanie transfrmatra pracująceg w stanie warcia (rys. 6) wyknuje się, gdy jedn uwjeń ma celw warte aciski, pdcas gdy drugie uwjenie asilane jest napięciem bniŝnej wartści. Wartść napięcia, jaką Rys. 6. Schemat płąceń d próby warcia transfrmatra. asilany jest transfrmatr warty, której dpwiada prąd naminwy płynący w uwjeniach jest napięciem warcia transfrmatra. Na pdstawie pmiernych w stanie warcia wielkści wynaca się napięcie warcia w, straty bciąŝenia P bc ra parametry gałęi pdłuŝnej schematu astępceg transfrmatra. Prąd pbierany pre transfrmatr pracujący w stanie warcia pmiarweg jest prprcjnalny d napięcia. Pmiar warcia wyknuje się w akresie mian prądu 0. d. n. Straty bciąŝenia dla n są równe naminwym stratm bciąŝenia P bc. Wynika 5

6 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 stąd, Ŝe mc cynna P pbierana pre transfrmatr w stanie warcia pmiarweg jest praktycnie równa stratm bciąŝenia, gdyŝ straty P Fe w rdeniu transfrmatra pracująceg w stanie warcia pmiarweg stanwią ułamek prcenta mcy miernej. Pmiary naleŝy rpcąć asilając transfrmatr napięciem takiej wartści, pd wpływem któreg płynie prąd. n. Następnie naleŝy wyknać kilka pmiarów mniejsając napięcie asilania aŝ d wartści, dla której jest jesce mŝliwy pmiar mcy. Ze scególną uwagą naleŝy wyknać pmiar transfrmatra Rys. 7. Charakterystyki warcia transfrmatra. asilaneg takim napięciem, pd wpływem któreg w uwjeniach transfrmatra ppłynie prąd równy prądwi naminwemu. Mc pbrana pre transfrmatr jest wtedy równa stratm bciąŝenia transfrmatra mcą naminwą P n P bc. Wyknując pmiary transfrmatra pracująceg w stanie warcia pmiarweg naleŝy mieryć napięcie, ra mc P. Współcynnik mcy blicamy e wru csϕ P Tabela Lp. 7 P c w α csϕ A V d W/d W wagi Wyniki uyskane pmiarów i bliceń naleŝy amieścić w tabeli. Na pdstawie trymanych wyników naleŝy wykreślić charakterystyki, P i csϕ f( ). 5. Schemat astępcy transfrmatra Schemat astępcy transfrmatra (rys. 8) jest t schemat bwdu łŝneg reystancji i reaktancji dbranych tak, Ŝe jawiska achdące w tym układie dwrwują dstatecnym prybliŝeniem jawiska achdące w transfrmatre. Parametry gałęi pprecnej układu, tj. reystancję R Fe dpwiadającą stratm mcy w Ŝelaie rdenia transfrmatra spwdwanych występwaniem jawiska histerey magnetycnej i prądów wirwych ra reaktancję X µ dpwiadającą strumieniwi głównemu transfrmatra, blica się aleŝnści: 6

7 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 R X Fe µ P Fe sinϕ P Oblicając wartści parametrów R Fe i X µ wartści pstałych wielkści występujących we wrach naleŝy dcytać charakterystyk stanu jałweg dla napięcia n. PniewaŜ w stanie warcia pmiarweg straty strumienia i straty w Ŝelaie są pmijalnie Rys. 8. Schemat astępcy transfrmatra. małe, mŝna pryjąć, Ŝe dla teg stanu pracy parametry R Fe i X µ. Wtedy na schemacie układu astępceg nie ma gałęi pprecnej. Reystancja astępca wana reystancją warcia transfrmatra R R + R ' P reaktancja astępca wana reaktancją warcia transfrmatra X X + X ' Z R a impedancja astępca wana takŝe impedancją warcia transfrmatra Z MŜna pryjąć, Ŝe: R X R ' X 0,5R ' 0,5X W sprawdaniu ćwicenia naleŝy blicyć parametry astępceg układu badaneg transfrmatra. Opracwanie sprawdania: Sprawdanie wyknaneg ćwicenia pwinn awierać: prtkół pmiarów, wykresy charakterystyk stanu jałweg P,, csϕ f( ), wykresy charakterystyk stanu warcia, P i csϕ f( ), 7

8 Badanie spręŝenia elektrmagnetycneg transfrmatr jednfawy -0 wynacenie parametrów schematu astępceg, uwagi i wniski uwględnieniem rachunku niepewnści. Literatura: Władysław Latek, Masyny elektrycne w pytaniach i dpwiediach, WNT, Warsawa 994. Elektrtechnika. Ćwicenia labratryjne: praca birwa, Wydawnictw PWr, Wrcław 979. Władysław Latek, Teria masyn elektrycnych, WNT, Warsawa 987. ver 06/03 8