POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych

POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE LABORATORIUM ĆWICZENIE (TRFO) BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA POMIARY KOMPUTEROWE Materiały pomocnicze Kierunek Elektrotechnika Studia stacjonarne 2-go stopnia semestr 1 Opracowali Mieczysław Ronkowski Grzegorz Kostro Michał Michna Gdańsk 212-213

2 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe ĆWICZENIE BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA POMIARY KOMPUTEROWE Program ćwiczenia 1. CEL ĆWICZENIA...2 2. RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE...2 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE WYBRANYCH STANÓW PRACY DYNAMICZNEJ TRANSFORMATORA...2 3.1. Oględziny zewnętrzne...2 3.2. Próba załączania napięcia przy otwartym uzwojeniu wtórnym...2 3.3. Próba załączania napięcia przy zwartym uzwojeniu wtórnym...6 4. ZADANIE...8 5. SPRAWOZDANIE...9 6. PYTANIA KONTROLNE...1 7. LITERATURA...1 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: opanowanie zastosowania komputerowych technik pomiarowych do badania właściwości dynamicznych transformatora; wykonanie badań doświadczalnych wybranych stanów pracy dynamicznej transformatora: załączanie napięcia stałego przy otwartym uzwojeniu wtórnym, załączanie napięcia stałego przy zwartym uzwojeniu wtórnym, załączanie napięcia przemiennego przy otwartym uzwojeniu wtórnym, załączanie napięcia przemiennego przy zwartym uzwojeniu wtórnym; porównanie wyników badań symulacyjnych z wynikami badań doświadczalnych. 2. RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE Przebiegi czasowe wielkości charakterystycznych dla stanów dynamicznych transformatora są rejestrowane za pomocą dwóch układów pomiarowych: 4-ro kanałowy oscyloskop cyfrowy firmy Tektronix ze złączem GPIB oraz komputer PC wyposaŝony w kartę GPIB do zapisu wyników pomiarów na dysku; komputer PC wyposaŝony w kartę pomiarową typu PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments. Układ pierwszy jest układem klasycznym, więc nie wymaga wyjaśnień zasady jego działania. W przypadku układu drugiego sercem jest wymieniona karta pomiarowa, która posiada: 16 pojedynczych lub 8 róŝnicowych wejściowo/wyjściowych kanałów analogowych przy czym: o maksymalne napięcie pracy ±11 [V] przy zabezpieczeniach przepięciowych ±25 [V], o FIFO bufer (rozmiar kolejki) 512 [S], o przetwornik analogowo cyfrowy 12 bitowy, o częstotliwośćo samplowania 5 [ks/s]; 2 analogowe wyjścia 12 bitowe; 8 wejściowo/wyjściowych kanałów cyfrowych; 2 wyjścia czasowe; 1 wyjście zewnętrznego wyzwalania. Rozdzielczość karty PCI-MIO-16E-4 wynika z zastosowania 12 bitowego przetwornika A/C (496 poziomów dla danego zakresu). W tabeli 1 przedstawiono zakres pomiarowy oraz dokładności karty w zaleŝności od przyjętego wzmocnienia.

2 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe Tabela 1. Zakresy pomiarowe karty PCI-MIO-16E-4 KONFIGURACJA WZMOCNIENIE ZAKRES PRECYZJA ZAKRESU POMIAROWY do +1 V 1. do +1 V 2.44 mv 2. do +5 V 1.22 mv 5. do +2 V 488.28 µv 1. do +1 V 244.18 µv 2. do +5 mv 122.7 µv 5. do +2 mv 48.83 µv 1. do +1 mv 24.41 µv do +1 V.5-1 do +1 V 4.88 mv 1. -5 do +5 V 2.44 mv 2. -2.5 do +2.5 V 1.22 mv 5. -1 do +1 V 488.28 µv 1. -5 do +5 mv 244.18 µv 2. -25 do +25 mv 122.7 µv 5. -1 do +1 mv 48.83 µv 1. -5 do +5 mv 24.41 µv Zasady doboru częstotliwości próbkowania i skanowania: dostępny zakres częstotliwości:,153 5 pts/s dla jednego kanału; maksymalna częstotliwość próbkowania zmniejsza się tylokrotnie ile chcemy skanować kanałów; naleŝy tak dobrać obie częstotliwości by zachować minimalny czas pomiędzy odczytem ostatniego kanału w jednej sekwencji skanowania, a odczytem pierwszego kanału następnej sekwencji ( t Scan ) (dla karty PCI-MIO-16E-4 czas ten wynosi t Samp = 4µs); naleŝy uwzględnić dłuŝszy czas opóźnienia międzykanałowego w wypadku zmiany wzmocnienia w dwóch sąsiednich kanałach na wyŝszą. 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE WYBRANYCH STANÓW PRACY DYNAMICZNEJ TRANSFORMATORA 3.1. Oględziny zewnętrzne NaleŜy dokonać oględzin zewnętrznych badanego transformatora i urządzeń wchodzących w skład układu pomiarowego. Przede wszystkim naleŝy dokładnie zanotować dane zawarte w tabliczce znamionowej transformatora oraz wartości parametrów obwodowych (patrz instrukcja do Ćw. 1 Laboratorium ME I sem. IV). 3.2. Próba załączania napięcia przy otwartym uzwojeniu wtórnym Próba polega na włączeniu napięcia zasilania na uzwojenie transformatora po dowolnej strony i pomiarze przebiegów czasowych: prądu po stronie pierwotnej, napięcia zasilania i napięcia po stronie wtórnej. W czasie pomiaru uzwojenie wtórne transformatora jest otwarte (brak obciąŝenia). Załączanie napięcia stałego Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys. 1. Uwaga: Zakresy pomiarowe uŝytych mierników i przetworników typu LEM naleŝy dobrać stosownie do: danych znamionowych badanego transformatora; dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu uŝytej karty pomiarowej lub oscyloskopu. Pomiary naleŝy wykonać dla dwóch przypadków: wartość prądu stanu ustalonego jest bliska wartości prąd znamionowego transformatora;

M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 3 wartość prądu stanu ustalonego jest bliska wartości znamionowego prąd magnesującego transformatora. Celem ograniczenia prądu stanu ustalonego transformatora do wartości wymaganej, naleŝy dobrać odpowiednią wartość rezystancji dodatkowej R d wg zaleŝności: U1 I1wR1 Rd I1 w gdzie: U 1 wartość napięcie zasilania; I 1w wymagana wartość prądu stanu ustalonego; R 1 rezystancja uzwojenia pierwotnego transformatora. A + U 1 =12 V - W V LEM(I) R d a1 Tr a3 a4 a5 LEM(U) a2 a6 LEM(U) Rys. 1. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania łączeniowych przebiegów czasowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego Rys. 2 przedstawia przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przy otwartym uzwojeniu wtórnym. Uwaga: Zarejestrowane przebiegi czasowe na wyjściu przetworników LEM są odpowiednio przeskalowane. I tak: dla przebiegów prądowych wg relacji: Wartość liczbowa przebiegu prądowego w [A] = zarejestrowana wartość liczbowa przebiegu prądowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM x współczynnik przetwornika LEM w [A/V] dla przebiegów napięciowych wg relacji: Wartość liczbowa przebiegu napięciowego w [V] = zarejestrowana wartość liczbowa przebiegu napięciowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM x współczynnik przetwornika LEM w [V/V] Czas jest rejestrowany w sekundach! a)

4 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe 12 i1 [A] 1 8 6 I1us =1,32 [A] 4 2,1,2,3,4,5-2 t [s] b) 12 I1 [A] tus =,145 [s] 1 8 6 4 I1us = 1,32 [A] 2,15,125,145,165,185,25,225,245-2 t [s] c) 9 8 U2 [V] U2m = 8,16 [V] 7 6 5 4 3 2 1,1,2,3,4,5 t [s] Rys. 2. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego przy otwartym uzwojeniu wtórnym: a) i b) prąd pierwotny, c) napięcie wtórne

Uwagi do rys. 2: M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 5 Przebiegi a) i c) zarejestrowano w układzie pomiarowym: oscyloskop cyfrowy Tektronix ze złączem GPIB oraz komputer PC wyposaŝony w kartę GPIB. Przebieg b) uzyskano z przebiegu a) po jego wygładzeniu za pomocą komendy LINIA TRENDU dostępnej w arkuszu kalkulacyjnym EXCEL. Ponadto, moment załączenia został przesunięty na osi czasu t w kierunku wartości dodatnich (za pomocą arkusza EXCEL dodano odpowiednią wartość stałą do wartości zarejestrowanych). Załączanie napięcia sinusoidalnego Schemat układu pomiarowego jest analogiczny jak na rys. 1, przy czym, naleŝy usunąć z układu rezystancję dodatkową R d a w miejsce stałego napięcia zasilania naleŝy załączyć napięcie sinusoidalne, odpowiednie do napięcia znamionowego badanego transformatora. Uwaga: Zakresy pomiarowe uŝytych mierników i przekładników typu LEM naleŝy dobrać stosownie do: danych znamionowych badanego transformatora; dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu uŝytej karty pomiarowej lub oscyloskopu. Pomiary naleŝy wykonać dla dwóch przypadków: wartość chwilowa napięcia w momencie załączania jest bliska wartości zerowej; wartość chwilowa napięcia w momencie załączania jest bliska wartości maksymalnej. Rys. 3 przedstawia przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przy otwartym uzwojeniu wtórnym. a) 4 3 u1 [V] U1m = 37,44 [V] 2 1-1,2,4,6,8 1 1,2 t [s] -2-3 -4 b)

6 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe 8 7 6 5 4 3 2 1 i1 [A] i1ud = 67,2 [A] -1,2,4,6,8 1 1,2 t [s] c) 25 2 u2 [V] U2m = 182 V 15 1 5-5 -1-15 -2-25,2,4,6,8 1 1,2 t [s] Rys. 3. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przypadek załączania napięcia sinusoidalnego przy otwartym uzwojeniu wtórnym: a) napięcie zasilania a) prąd pierwotny, b) napięcie wtórne 3.3. Próba załączania napięcia przy zwartym uzwojeniu wtórnym Próba polega na włączeniu napięcia zasilania na uzwojenie transformatora po dowolnej stronie i pomiarze przebiegów czasowych: napięcia zasilania i prądu po stronie pierwotnej oraz prądu po stronie wtórnej. W czasie pomiaru uzwojenie wtórne transformatora jest zwarte. Załączanie napięcia stałego Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys. 4. Uwaga: Zakresy pomiarowe uŝytych mierników i przekładników typu LEM naleŝy dobrać stosownie do: danych znamionowych badanego transformatora; dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu uŝytej karty pomiarowej lub oscyloskopu.

M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 7 Pomiary naleŝy wykonać dla przypadku, gdy wartość prądu stanu ustalonego jest bliska wartości prąd znamionowego transformatora. Celem ograniczenia prądu stanu ustalonego transformatora do wartości wymaganej, naleŝy dobrać odpowiednią wartość rezystancji dodatkowej R d, wg zaleŝności: U1 I1 nr1 Rd I1 n gdzie: U 1 napięcie zasilania; I 1n prąd znamionowy transformatora; R 1 rezystancja uzwojenia pierwotnego transformatora. A 12V + - W V LEM(I) R d a1 Tr a3 a4 a5 LEM(I) a2 a6 LEM(U) Rys. 4. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania zwarciowych przebiegów czasowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego Rys. 5 przedstawia przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przy zwartym uzwojeniu wtórnym. a) 12 i1 [A] 1 8 6 I1us = 1,5 [A] 4 2,5 1 1,5 2 2,5 3-2 t[s]

8 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe b) 1 i2 [A],5 tus = 2,783 [s] -,5,5 1 1,5 2 2,5 3 t[s] -1-1,5 I2m = -1,22 [A] -2 Rys. 5. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów łączeniowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego przy zwartym uzwojeniu wtórnym: a) prąd pierwotny, b) prąd wtórny Załączanie napięcia sinusoidalnego Schemat układu pomiarowego jest analogiczny jak na rys. 4. NaleŜy jednak usunąć z układu rezystancję dodatkową R d a w miejsce stałego napięcia zasilania naleŝy załączyć napięcie sinusoidalne. Celem ograniczenia ustalonego prądu zwarciowego badanego transformatora (tak, aby nie przekroczył wartości prądu znamionowego) wartość napięcia zasilania naleŝy obniŝyć poniŝej wartości znamionowej badanego transformatora. Uwaga: Zakresy pomiarowe uŝytych mierników i przekładników typu LEM naleŝy dobrać stosownie do: danych znamionowych badanego transformatora; dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu uŝytej karty pomiarowej lub oscyloskopu. Pomiary naleŝy wykonać dla dwóch przypadków: wartość chwilowa napięcia w momencie załączania jest bliska wartości zerowej; wartość chwilowa napięcia w momencie załączania jest bliska wartości maksymalnej. 4. ZADANIE 1. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia stałego przy otwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć: odpowiednie parametry modelu obwodowego (stałe czasowe, indukcyjności), wartość ustaloną prądu pierwotnego i czas trwania stanu przejściowego. 2. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia stałego przy zwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć: odpowiednie parametry modelu obwodowego (stałe czasowe, indukcyjności), wartość ustaloną prądu pierwotnego, wartość maksymalną prądu wtórnego i czas trwania stanu przejściowego. 3. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia przemiennego przy otwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć: wartość maksymalną prądu łączeniowego, stosunek wartości maksymalnej prądu łączeniowego do prądu znamionowego, stosunek wartości maksymalnej prądu łączeniowego do ustalonego prądu stanu jałowego i czas trwania stanu przejściowego. 4. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia przemiennego przy otwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć zaleŝność wartości maksymalnej prądu łączeniowego od kąta fazowego napięcia przemiennego.

M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 9 5. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia przemiennego przy zwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć: wartość udarową prądu zwarcia, współczynnika udaru i czas trwania stanu przejściowego. 6. Dla badanego transformatora, na podstawie wyników próby załączenia napięcia przemiennego przy zwartym uzwojeniu wtórnym, wykreślić przebiegi a następnie wyznaczyć zaleŝność wartości udarowej prądu zwarcia od kąta fazowego napięcia przemiennego. 7. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 1. 8. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 2. 9. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 3. 1. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 4. 11. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 5. 12. Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program Pspice) dla zadania 6. 5. SPRAWOZDANIE Opracowanie sprawozdania powinno zawierać: stronę tytułową wg następującego układu: POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH SYSTEMY ELEKTORMECHNAICZNE LABORATORIUM ĆWICZENIE TRAFO BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA POMIARY KOMPUTEROWE Opracował: Imię i nazwisko nr grupy laboratoryjnej/dziekańskiej: data oddania sprawozdania: dane znamionowe (wg katalogu lub wg pomiarów) i dane obwodowe badanego transformatora; nr i treść zadania; obliczenie indukcyjności i stałych czasowych modelu obwodowego badanego transformatora; ręczne oszacowanie wartości prądów maksymalnych (udarowych) oraz ustalonych oraz porównanie ich wartości z wynikami otrzymanymi na drodze doświadczalnej i symulacyjnej; przebiegi wybranych wielkości, które są istotne (wg piszącego sprawozdanie) dla przeprowadzenia analizy zadanego stanu pracy dynamicznej transformatora; uzasadnienie fizyczne uzyskanych wyników (powinno być napisane w stylu inŝynierskim!!! - tzn. minimum języka tekstowego a maksimum języka graficznego i symbolicznego); krótka dyskusja wpływu załoŝeń upraszczających modelu transformatora na uzyskane wyniki obliczeń; wykaz literatury wykorzystanej przy pisaniu sprawozdania;

1 Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI TRANSFORMATORA. Pomiary komputerowe 6. PYTANIA KONTROLNE 1. Podać i omówić schemat połączeń układu pomiarowego do badania łączeniowych przebiegów czasowych transformatora. 2. Podać i omówić i schemat połączeń układu pomiarowego do badania zwarciowych przebiegów czasowych transformatora. 3. Podać i omówić (uzasadnić) przebiegi prądów łączeniowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego przy otwartym uzwojeniu wtórnym. WyróŜnić składową wymuszoną i swobodną. 4. Podać i omówić (uzasadnić) przebiegi prądów łączeniowych transformatora przypadek załączania napięcia sinusoidalnego przy otwartym uzwojeniu wtórnym. WyróŜnić. składową wymuszoną i swobodną. RozwaŜyć: przypadek modelu liniowego i nieliniowego oraz wpływu kąta fazowego napięcia na wartość maksymalną prądu. 5. Podać i omówić (uzasadnić) przebiegi prądów zwarciowych transformatora przypadek załączania napięcia stałego przy zwartym uzwojeniu wtórnym. WyróŜnić składową wymuszoną i swobodną. 6. Podać i omówić (uzasadnić) przebiegi prądów zwarciowych transformatora przypadek załączania napięcia sinusoidalnego przy zwartym uzwojeniu wtórnym. WyróŜnić składową wymuszoną i swobodną. RozwaŜyć wpływ kąta fazowego napięcia na wartość maksymalną prądu. 7. LITERATURA 1. P.C. Krause i O. Wasynczuk: Electromechanical Motion Devices, Mc Graw -Hill Book Comp.. New York, 1989. Purdue University, USA. 2. P.C. Krause: Analysis of Electric Machinery. Mc Graus - Hill Book Comp. New York, 1986. 3. W. Latek: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1982. 4. Z. Manitius: Maszyny elektryczne cz. I, II. Skrypt PG, 1982, 1984. 5. W. Matulewicz, D. Karkosiński: Laboratorium stanów przejściowych maszyn elektrycznych. Skrypt PG, 1993. 6. W. Paszek: Stany nieustalone maszyn elektrycznych prądu przemiennego. WNT, Warszawa, 1986. 7. Ronkowski M., Michna M., Kostro G., Kutt F.: Maszyny elektryczne wokół nas: zastosowanie, budowa, modelowanie, charakterystyki, projektowanie. (e-skrypt). Wyd. PG, Gdańsk, 211. http://pbc.gda.pl/dlibra/docmetadata?id=1641&from=&dirids=1&ver_id=&lp=2&qi= 8. S. Roszczyk: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1979. 9. P. Zimny, K. Karwowski: SPICE klucz do elektrotechniki. Instrukcja, program, przykłady. Skrypt PG, 1993.