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
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 ).
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
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. 0 0 0cz 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. 4.3. 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,
z u z % = 00%, (6.) n które jest niewielkie i wynosi: u z% = 3 5% n (np. dla transforatorów ON o ocach 40 600 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. 6.3. 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
.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.
Rys. 6.4. 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
Rys. 6.5. 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. 6.6. oiar prądu z wykorzystanie przekładnika prądowego 8
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. 6.7. róbę przeprowadzić przy znaionowy napięciu n. Wyniki poiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.. Rys. 6.7. kład poiarowy do próby stanu jałowego transforatora 9
abela 6.. oiary Obliczenia 0 0 0 0 ϑ u 0 0 cosϕ 0 V A W V - % % - oszczególne wielkości obliczyć z zależności: 0 0 0 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. 4... róba zwarcia poiarowego Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys. 6.8 dobierając odpowiednio zakresy poiarowe przyrządów. 0 Rys. 6.8. 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.
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 4..3. róba obciążenia Zestawić układ poiarowy przedstawiony na rys. 6.9. 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. 6.9. kład poiarowy do próby obciążenia transforatora
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. 6.0. Rys. 6.0. kład poiarowy do badania autotransforatora
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 6.5. 0 0 0 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
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 995. 4