NWERSYTET TECHNOLOGCZNO-RZYRODNCZY W BYDGOSZCZY WYDZAŁ NŻYNER MECHANCZNEJ NSTYTT EKSLOATACJ MASZYN TRANSORT ZAKŁAD STEROWANA ELEKTROTECHNKA ELEKTRONKA ĆWCZENE: E BADANE TRANSFORMATORA JEDNOFAZOWEGO iotr Kolber, Daniel ercyński Bydgosc
Badanie transformatora jednofaowego. Cel ćwicenia Celem badań jest aponanie się asadą diałania ora wynacenie podstawowych charakterystyk pracy transformatora jednofaowego.. Wprowadenie Transformator jest to urądenie elektrycne służące do miany wartości napięcia pry achowaniu tej samej mocy i cęstotliwości. retwaranie energii w transformatore odbywa się na asadie indukcji elektromagnetycnej, która achodi w wytworonym pre prąd miennym polu magnetycnym. Transformatory najdują astosowanie prede wsystkim w energetyce (transformatory mocy), gdie występuje potreba mniejsenia strat wynikających presyłu energii na duże odległości, od źródeł asilania do odbiorców. Opróc transformatorów mocy, które są transformatorami trójfaowymi, istnieją również transformatory jednofaowe małej mocy, dla potreb radiotechniki, automatyki i transformatory specjalne (pomiarowe, bepieceństwa, spawalnice itp.).. Budowa transformatora jednofaowego Najprostsy transformator (rys. ) posiada dwa oddielone elektrycnie uwojenia pierwotne i wtórne, które są nawinięte na wspólny rdeń wykonany pakietu cienkich blach. Materiał ferromagnetycny użyty do wykonania tych blach, charakteryuje się dużą prenikalnością magnetycną. Blachy są odiolowane wajemnie (np. papierem, lakierem) w celu mniejsenia strat mocy cynnej, pochodących od prądów wirowych i strat na histereę magnetycną, a tym samym w celu ogranicenia nadmiernego nagrewania się rdenia. r r E E Z od Rys.. Schemat transformatora jednofaowego wojenia wykonane są iolowanego (np. papierem, bawełną) prewodu miedianego. Transformator może być asilany pre podłącenie do źródła dowolnego jego uwojenia. wojenie, którym doprowada się energię, o licbie wojów *, naywamy pierwotnym, aś uwojenia wtórnego, o licbie wojów, pobiera się energię do asilania odbiornika (wsystkie parametry transformatora dla strony pierwotnej wyróżnia się indeksem, aś dla strony wtórnej indeksem ). Niektóre transformatory mają po stronie wtórnej kilka cewek o różnych licbach wojów, co umożliwia otrymanie kilku różnych napięć tego samego transformatora.. Zasada diałania Jeśli aciski uwojenia pierwotnego ostaną asilone napięciem sinusoidalnie miennym o cęstotliwości f, w uwojeniu pierwotnym popłynie prąd. rąd ten wywoła w rdeniu mienny strumień magnetycny, dięki któremu indukują się siły elektromotorycne w obu uwojeniach. Strumień ten jest sinusoidalnie mienny i można go wyraić worem = m sin t. Jeśli do acisków uwojenia wtórnego pryłącymy jakikolwiek odbiornik, to w amkniętym obwodie tego uwojenia popłynie prąd premienny. - -
Badanie transformatora jednofaowego Wartości skutecne sił elektromotorycnych ależą od licby wojów poscególnych uwojeń ( i ) i wynosą odpowiednio: E = 4,44 f m E = 4,44 f m Stosunek wartości sił elektromotorycnych naywa się prekładnią transformatora E E Właściwości transformatora są ropatrywane dla trech stanów pracy: - stanu jałowego, - stanu obciążenia, - stanu warcia..4. Stan jałowy Transformator jest w stanie jałowym wówcas, gdy jego uwojenie pierwotne pryłącone jest do źródła asilania, aś uwojenie wtórne nie jest obciążone obwód wtórny jest otwarty ( = ). Wsystkie parametry w tym stanie pryjęto onacać indeksem (np. napięcie po stronie pierwotnej w stanie jałowym to ) Jeżeli uwojenie pierwotne jest asilane napięciem sinusoidalnie miennym o wartości skutecnej i cęstotliwości f to w uwojeniu pierwotnym popłynie niewielki prąd jałowy (od do5%n) będący sumą geometrycną prądu strat w rdeniu Fe i prądu magnesującego (składowa bierna). = Fe + j diał prądu strat w rdeniu jest niewielki, dlatego cęsto pryjmuje się, że = repływ prądu magnesującego w uwojeniu pierwotnym wbuda w obwodie magnetycnym (rdeniu) strumień magnetycny, który wytwara siły elektromotorycne w obu uwojeniach. Ze źródła napięcia ostanie pobrana pre transformator moc cynna na pokrycie strat histereowych i wiroprądowych w rdeniu ora moc bierna na wytworenie strumienia. Moc cynna pobrana pre transformator w stanie jałowym wynosi: = Fe + Cu Straty mocy wynikające e spadku napięcia na reystancji uwojeń transformatora, wane stratami w miedi Cu, e wględu na mały prąd jałowy są pomijalnie małe. Nabierają one nacenia w prypadku gdy transformator ostanie obciążony, ależą one bowiem od wartości płynącego wówcas prądu. Transformator w stanie jałowym nie oddaje mocy, wobec tego moc cynna pobrana pre transformator naywana jest stratami jałowymi albo też stratami w żelaie Fe. Straty te nie ależą od obciążenia (tylko od sposobu wykonania rdenia transformatora) i mają tą samą wartość dla wsystkich poostałych stanów. ry otwartych aciskach wtórnych =E, prekładnię transformatora można opisać worem: - 3 -
Badanie transformatora jednofaowego Badanie transformatora w stanie jałowym preprowada się pry stałej cęstotliwości i pry miennym napięciu asilającym. owala to wynacyć prekładnię transformatora i charakterystyki opisujące stan jałowy (rys. ): =f( ), = f( ), Fe = f( ), =f( ), cos = f( ) ora namionowe straty mocy n i namionowy prąd jałowy n omiary w stanie jałowym umożliwiają wykonanie analiy:. stanu iolacji międy blachami transformatora w prypadku warcia międy blachami transformatora, straty mocy w stanie jałowym są więkse od strat namionowych. (niewłaściwy stan iolacji powoduje wrost strat jałowych). stanu iolacji międy uwojeniami w prypadku warcia w uwojeniach transformatora nie można więksyć napięcia do wartości namionowej, ponieważ już pry niskich jego wartościach prąd gwałtownie rośnie. Rys.. Charakterystyki stanu jałowego transformatora jednofaowego.5. Stan obciążenia Transformator jest w stanie obciążenia wtedy, gdy jego uwojenie pierwotne jest asilane e źródła prądu premiennego, a do acisków uwojenia wtórnego jest dołącony odbiornik. W stanie obciążenia płyną prądy w obu uwojeniach i strumień magnetycny powstaje w wyniku diałania dwóch prepływów = ora = W transformatore wskutek obciążenia po stronie wtórnej płynie prąd wymusony pre sem E, natomiast po stronie pierwotnej płynie prąd ależny od wielkości prądu po stronie wtórnej. rąd po stronie pierwotnej jest tym więksy, im więksy jest prąd wtórny. Dieje się tak dlatego, ponieważ uwojenia transformatora są magnetycnie sprężone. rąd wtórny osłabia strumień główny, wobec cego mniejsa się siła elektromotorycna E i nie jest ona równoważona w stosunku do napięcia źródła. W celu achowania równowagi w uwojeniach popłynie dodatkowy prąd powięksający pocątkową wartość i wytwory dodatkowy strumień magnetycny wspomagający strumień główny. Dięki temu pomimo - 4 -
Badanie transformatora jednofaowego powstania prądu obciążenia, prepływ wypadkowy w i wynikający niego strumień główny skojarony dwoma uwojeniami poostaje niemieniony. Dla wynacenia ależności licbowej międy wartościami prądów i wygodnie jest skorystać równości mocy poornych w transformatore be strat: a ponieważ to S =S cyli = rądy te spowodują powstanie na reystancjach uwojeń spadków napięć ora na reaktancjach roprosenia uwojeń R = R ora R = R L = jx r ora L = jx r W wiąku tym, napięcie po stronie pierwotnej transformatora jest równe sem E powięksonej o spadki napięć R i X r, co można apisać: = E + (R + jx r ) o stronie wtórnej napięcie jest równe sem E pomniejsonej o spadki napięcia R ora X r, co predstawia ależność: =E (R + jx r ) ry asilaniu napięciem o stałej wartości skutecnej =const wartość napięcia wtórnego ależy nie tylko od wartości obciążenia, ale również od jego charakteru, określonego współcynnikiem mocy cos. Dla obciążenia reystancyjno-indukcyjnego następuje mniejsenie wartości napięcia, natomiast dla obciążenia reystancyjno pojemnościowego nastąpi wrost napięcia wtórnego w stosunku do siły elektromotorycnej. rądy płynące w uwojeniach wywołują ponadto na ich reystancjach straty mocy, wane stratami obciążeniowymi lub stratami w miedi. Cu = R + R Moc pobierana sieci pre transformator obciążony jest sumą mocy oddanej odbiornikowi i strat w transformatore obciążonym. Na straty w transformatore obciążonym składają się arówno straty w rdeniu jak i straty obciążeniowe, cyli: = + Fe + Cu Sprawność transformatora obciążonego jest to stosunek mocy oddanej odbiornikowi pre uwojenie wtórne, do mocy pobranej sieci pre uwojenie pierwotne. - 5 -
Badanie transformatora jednofaowego Fe Cu Fe Cu Znamionową sprawność można określić po badaniu namionowych strat obciążeniowych Cu n, które wykonuje się w stanie warcia transformatora. Dla stanu obciążenia wynaca się charakterystyki obciążeniowe (rys. 3), cyli charakterystyki różnych wielkości (prądu pierwotnego, strat w miedi, napięcia wtórnego sprawności i współcynnika mocy) w funkcji prądu obciążenia. Rys 3. Charakterystyki obciążeniowe transformatora jednofaowego.6. Stan warcia Stan warcia transformatora występuje wówcas, gdy jedno uwojeń transformatora jest asilane aś drugie bepośrednio warte, cyli Z od =. Jeśli uwojenie pierwotne jest asilane napięciem o wartości namionowej wówcas mówimy o warciu awaryjnym. W obu uwojeniach popłyną prądy warciowe wielokrotnie więkse od wartości namionowych, które powodują pregrewanie się prewodów, a w konsekwencji prowadą do niscenia iolacji i samego transformatora. róby warcia pomiarowego realiuje się obniżając napięcie pierwotne do takiej wartości, pry której w obu uwojeniach płyną prądy o wartościach nie więksych od namionowych. arametrem charakterystycnym, badanym podcas prób, jest napięcie warcia transformatora. Jest to wartość napięcia jaką należy pryłożyć do uwojenia pierwotnego tak, aby w wartym uwojeniu wtórnym popłynął prąd namionowy. Napięcie warcia wyraża się w procentach napięcia namionowego i można je określić dla każdej e stron transformatora. Jego wartość procentowa dla obu stron jest jednakowa, dlatego onaca się pre u be dodatkowego indeksu lub. Wyraić można je worem u n % - 6 -
Badanie transformatora jednofaowego Dięki najomości napięcia warcia, który jest jednym parametrów katalogowych, można określić wartość prądu pry warciu awaryjnym (pry asilaniu napięciem namionowym), spadek napięcia pry obciążeniu transformatora i prydatność transformatora do pracy równoległej innymi transformatorami. rąd warciowy namionowy można wyraić worem: n n n % u Moc cynna pobierana pre transformator w stanie warcia premienia się całkowicie na ciepło wskutek strat w uwojeniach i strat w rdeniu Dla stanu warcia wynaca się charakterystyki (rys. 4): =f( ), = f( ), = f( ) ora cos= f( ) Rys.4. Charakterystyki stanu warcia transformatora jednofaowego 3. omiary laboratoryjne 3. Sprawdanie prekładni transformatora jednofaowego i pomiary w stanie jałowym. Sprawdenie prekładni transformatora i pomiary w stanie jałowym preprowada się w układie pomiarowym według schematu podanego na rysunku rys. 5-7 -
Badanie transformatora jednofaowego Rys. 5 Schemat do badania transformatora w stanie jałowym 3.. ołącyć układ pomiarowy godnie e schematem na rys.5. wojenie pierwotne transformatora jest połącone autotransformatorem Atr, którym można nastawić żądaną wartość napięcia pierwotnego. Do pomiaru napięć pierwotnego i wtórnego służą woltomiere napięcia miennego V i V.. Watomier W wskauje pobieraną pre transformator moc cynną O, aś amperomier A wskauje prąd. Za pomocą autotransformatora Atr należy regulować wartość napięcia w akresie od do, n ora dokonać pomiarów,,,. Wyniki badań amieścić w tabeli : Tabela Wyniki pomiarów i obliceń dla stanu jałowego transformatora. Lp omiary Oblicenia cos Fe [A] [V] [V] [W] - [A] [A] 3 4 5 6 7 Wartości namionowe: n =...A, n =...W, prekładnia: = n / n =... 3.. Dokonać obliceń wielkości anaconych w tabeli W tym celu należy astosować następujące wory: cos Fe cos sin. ; ; 3..3 Na podstawie wyników pomiarów i obliceń wykreślić następujące charakterystyki transformatora w stanie jałowym: =f( ), = f( ), cos = f( ) = f( ) Fe = f( ). 3..4 Na wykresach charakterystyk =f( ) ora = f( ), anacyć prąd namionowy w stanie jałowym n, ora namionowe straty jałowe n = Fen.dla wartości namionowej napięcia po stronie pierwotnej n. - 8 -
Badanie transformatora jednofaowego 3..5 Dla namionowej wartości napięcia pierwotnego dokonać oblicenia prekładni transformatora. 3. omiary w stanie obciążenia omiary w stanie obciążenia preprowada się w układie predstawionym na rys.5. 3.. ołącyć układ pomiarowy wg schematu na rys.5. Opornik regulowany jest tak dobrany, aby wartość jego prądu namionowego była nieco więksa od wartości prądu namionowego strony wtórnej transformatora, natomiast reystancja minimalna R min wynosiła ok.,9 n / n strony wtórnej transformatora. Rys.5. Schemat do badania transformatora w stanie obciążenia Dobrać akresy pomiarowe mierników do wartości parametrów namionowych. Włącyć układ do sieci a pomocą wyłącnika Wł, a następnie a pomocą autotransformatora wyregulować napięcie pierwotne do wartości namionowej. ry stałej wartości napięcia namionowego wykonać pomiary, mieniając reystancję opornika obciążeniowego tak, aby wartości prądu obciążeniowego mieniały się w akresie od n do min (wartość prądu min uyskuje się pry maksymalnej wartości reystancji opornika regulowanego). Wyniki pomiarów notować w tabeli. Tabela Lp omiary Oblicenia cos % [V] [A] [W] [V] [A] [W] - - [%] [W] 3 4 5 6 7 Wartości namionowe: n =...V; cos ==const; f=5 H 3.3 Wykonać oblicenia stosując następujące wory: - mocy cynnej po stronie wtórnej cos - sprawności transformatora obciążonego: pry cym cos = - 9 -
Badanie transformatora jednofaowego - współcynnika mocy transformatora po stronie pierwotnej: cos - procentowej straty napięcia transformatora obciążonego: n % n % gdie n napięcie po stronie wtórnej transformatora w stanie jałowym, pry namionowym asilaniu strony pierwotnej. - całkowitej straty mocy cynnej: = - = Fe + Cu + 3.4 Na podstawie pomiarów i obliceń wykreślić charakterystyki transformatora w stanie obciążenia: = f( ); = f( ); cos = f( ); = f( ); = f( ); = f( ); = f( ); % = f( ). 3.5 Wnioski Literatura. raca biorowa: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. ilawski M. racownia elektrycna - -