ELEKTROTECHNIKA

ĆWICZENIE 3.

Badanie transformatora jednofazowego

Cel ćwiczenia

Praktyczne zapoznanie się z przetwarzaniem prądu i napięcia zmiennego w

transformatorach. W zakres ćwiczenia wchodzą:

1. Wyznaczenie przekładni napięciowej transformatora jednofazowego.
2. Przeprowadzenie prób: stanu jałowego, stanu zwarcia pomiarowego i stanu

obciążenia oraz wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej transformatora

3.

Wyznaczenie parametrów układu zastępczego transformatora.

Wprowadzenie

Transformatory są statycznymi urządzeniami, służącymi do przetwarzania energii prądu

przemiennego o danym napięciu, na energię prądu przemiennego o innym napięciu,

lecz

o takiej samej częstotliwości.

Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego.

Transformatory jednofazowe są powszechnie stosowane jako urządzenia dopasowujące
napięcie sieci 220V (rzadziej 380V) do napięć narzuconych przez odbiorniki, np.
transformatory, zasilające układy prostownikowe do ładowania akumulatorów, transformatory
bezpieczeństwa (220/24V) do zasilania odbiorników przenośnych, transformatory zasilające
układy elektroniczne, transformatory w spawarkach i zgrzewarkach. Występują również w
technice transformatory jednofazowe przeznaczone tylko do celów pomiarowych, są to
przekładniki napięciowe i prądowe. Odmianą transformatorów są autotransformatory, które
budowane są zazwyczaj z płynną regulacją napięcia wyjściowego od 0— 250V przy zasilaniu
napięciem 220V.

1.1. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator składa się z obwodu magnetycznego oraz dwóch uzwojeń odseparowanych

galwanicznie (nie połączonych metalicznie).

Zasadniczymi częściami transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze

specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia. Rdzeń stanowi
dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę
o dużej przenikalności magnetycznej.

W obecnie budowanych transformatorach obwód magnetyczny – rdzeń wykonuje się z

blachy elektrotechnicznej (z dodatkiem krzemu - 2,5–4,5%) walcowanej na zimno (tzw.
blachy transformatorowej) o grubości około 0,3 mm z izolacją tlenkową. Blacha
zimnowalcowana charakteryzuje się, przy strumieniu skierowanym wzdłuż kierunku
walcowania, dużą przenikalnością magnetyczną oraz małą stratnością. Dodatek krzemu oraz
podział rdzenia na izolowane blachy, powodują zmniejszenie strat mocy czynnej w rdzeniu
wskutek prądów wirowych.

Uzwojenie zasilane z sieci nazywa się uzwojeniem pierwotnym, natomiast zasilające

odbiornik nazywa się uzwojeniem wtórnym (rys.1). Napięcia i prądy związane z uzwojeniem
pierwotnym nazywamy pierwotnymi, a związane z uzwojeniem wtórnym nazywamy
wtórnymi. Wszystkie wielkości i parametry uzwojenia pierwotnego oznaczamy wskaźnikiem
1, a uzwojenia wtórnego – wskaźnikiem 2.

Rys.1. Szkic ideowy transformatora jednofazowego.

W transformatorach wykorzystane jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej polegające

na indukowaniu siły elektromotorycznej e w uzwojeniu o ilości zwojów z przez wnętrze,

którego przenika zmienny strumień



dt

d

z

e







(1)

Uzwojenie pierwotne zasilane napięciem przemiennym wzbudza w rdzeniu przemienny

strumień magnetyczny,

t

m

t



sin







(2)

który indukuje w obu uzwojeniach przemienne siły elektromotoryczne, których wartości

skuteczne wynoszą:

E

l

= 4,44f z

1



m

(3)

E

2

= 4,44 f z

2



m

(4)

gdzie:

z

1

, z

2

– liczby zwojów szeregowych odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego,



m

– amplituda strumienia magnetycznego zmieniającego się sinusoidalnie.



m

= S

Fe

B

m

(5)

przy czym:
S

Fe

- powierzchnia przekroju stali rdzenia,

B

m

- amplituda indukcji magnetycznej:

dla blachy walcowanej na zimno, B

m

= (1,4 — 1,6)T (średnio 1,5T),

dla blachy walcowanej na gorąco, B

m

= (1,2 - 1,4)T (średnio 1,3T).

Przekładnia transformatora:

2

1

2

1

z

z

E

E







(6)

Zgodnie z (1), ważną właściwością transformatora jest to, że nie przekazuje on ze strony

zasilania na stronę odbioru składowej stałej prądu i dlatego może służyć do jej eliminacji.

W pracy transformatora można wyróżnić trzy charakterystyczne stany:
— stan jałowy,
— stan zwarcia,
— obciążenie.

1.2. Stan jałowy

Stan jałowy ma miejsce, gdy uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem znamionowym a

uzwojenie wtórne — otwarte (I

2

= 0). W badaniach laboratoryjnych stan jałowy

transformatora wykorzystuje się do wyznaczania przekładni napięciowej



U

, prądu stanu

jałowego I

0

oraz strat mocy czynnej P

Fe

w stali rdzenia.

2

1

2

1

20

10

z

z

E

E

U

U

U









(7)

ponieważ przy I

2

= 0; U

20

= E

2

, natomiast

U

10

= E

1

+ I

0

R

1

+ jI

0

X

1

(8)

Prąd stanu jałowego I

o0

z uwagi na bardzo małe szczeliny powietrzne w rdzeniu i

wykonanie go z ferromagnetyka o dużej przenikalności magnetycznej jest mały (I

0

= (2 - 8)%

I

1n

).

I

0

= I

0cz

+ I

0



(9)

Składowa czynna I

0cz

charakteryzuje straty mocy czynnej w stali rdzenia, (strata mocy w

uzwojeniu pierwotnym I

0

2

R

1

— pomijalnie mała), które są praktycznie zależne od kwadratu

napięcia zasilającego U

1

.

P

0

= U

1

I

0cz



P

Fe

(10)

Składowa bierna I



nazywana prądem magnesującym, wzbudza w rdzeniu strumień

magnetyczny



(rys. 2).

Rys. 2. Wykres wektorowy stanu jałowego transformatora

W transformatorach amplituda strumienia



m

zgodnie z (3) i (8) zależy od wartości

napięcia zasilającego, natomiast amplituda prądu magnesującego I



potrzebnego na jego

wytworzenie zależy od wymiarów geometrycznych transformatora (powierzchni przekroju

poprzecznego rdzenia) a szczególnie od materiału z jakiego wykonany jest rdzeń.

W badaniach eksploatacyjnych, próbę stanu jałowego przeprowadza się do oceny stanu

technicznego transformatora a szczególnie do stwierdzenia powstałych zwarć zwojowych.

1.3. Stan zwarcia

W badaniach laboratoryjnych przeprowadza się próbę zwarcia pomiarowego natomiast w

eksploatacji transformatora mogą występować tzw. zwarcia ruchowe.

Zwarcie pomiarowe przeprowadza się napięciem obniżonym nazywanym napięciem

zwarcia pomiarowego, przy którym prądy w obu uzwojeniach nie przekraczają wartości
znamionowych.

Próba taka ma na celu:

1) wyznaczenie procentowego napięcia zwarcia,

%

100

1

%





n

Z

Z

U

U

U

(12)

które jest niewielkie i wynosi: U

Z%

= 3 - 15% U

1n

; (3% – bardzo duże moce, 15% – małe

moce),

2) wyznaczenie strat mocy czynnej w uzwojeniach, które odpowiadają

znamionowemu obciążeniu,

P

z

= I

2

1n

R

1

+ I

2

2n

R

2

.

(13)

Straty mocy czynnej w stali rdzenia z uwagi na niskie napięcie zasilające są pomijalnie

małe (10),

3)

wyznaczenie parametrów uproszczonego schematu zastępczego

transformatora (rys. 3).

Rys. 3. Uproszczony schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia

Zwarcie strony wtórnej przy znamionowym napięciu zasilającym nazywane jest zwarciem

ruchowym — eksploatacyjnym.

Znajomość prądu zwarcia I

1z

(I

1z

= 7 – 33 I

1n

) pozwala ustalić zabezpieczenia

transformatora przed skutkami zwarć (7 I

1n

– jednostki małej mocy; 33 I

1n

– jednostki bardzo

dużej mocy).

1.4. Stan obciążenia transformatora

W transformatorze obciążonym moce pozorne po obu stronach są praktycznie równe:

U

1

I

1

= S

1



S

2

= U

2

I

2

(14)

i równe są także amperozwoje:

I

1

z

1



I

2

z

2

(15)

Przy stałym napięciu zasilającym U

l

napięcie strony wtórnej U

2

nieznacznie zmienia się

wraz z obciążeniem

U

1

=



U

2

+ I

1

R

T

+ j I

1

X

T

(16)

Zależność U

2

= f(I

2

) przy U

1

= const. i cos



2

= const. nazywa się charakterystyką

zewnętrzną transformatora (rys. 4). Zmienność napięcia wyjściowego przy przejściu
transformatora od stanu jałowego do obciążenia znamionowego jest niewielka i wynosi kilka
procent, i jest zależna od charakteru obciążenia R, L, C.

Rys. 4. Charakterystyka zewnętrzna transformatora

Sprawności transformatorów z uwagi na brak części wirujących są dość wysokie i

wynoszą około 80% dla jednostek małej mocy aż do 99% dla jednostek dużej mocy.

2. Autotransformator

Autotransformator w odróżnieniu od transformatora ma tylko jedno uzwojenie, część

którego stanowi uzwojenie wtórne (rys. 5). Z uwagi na metaliczne połączenie strony
pierwotnej i wtórnej, autotransformatory mogą być wykorzystywane do zasilania
odbiorników w zasadzie tylko przy niskim napięciu nie przekraczającym 250V. Do celów
laboratoryjnych najczęściej autotransformatory budowane są na napięcie pierwotne 220V,
natomiast napięcie wtórne regulowane od 0–250V. W części uzwojenia BC występuje różnica
prądów I

1

i I

2

, zatem ta część uzwojenia może być wykonana przewodem o odpowiednio

mniejszej powierzchni przekroju.

Rys. 5. Autotransformator jednofazowy

W autotransformatorze nieregulowanym rozróżnia się dwie moce:

moc przechodnia:

S

p

= U

1

I

1



U

2

I

2

(17)

oraz moc własna

S

w

= I

1

(U

1

– U

2

),

(18)

która decyduje o wymiarach, masach rdzenia i uzwojeń autotransformatora.

3. Przekładnik prądowy
Przekładnik prądowy przeznaczony jest do poszerzania zakresów pomiarowych mierników

(amperomierzy, watomierzy, liczników energii) jak również do umożliwienia pomiarów tych
wielkości w układach wysokonapięciowych. Przekładnik prądowy włącza się do sieci
szeregowo z odbiornikiem podobnie jak amperomierz (rys. 6). Uzwojenie wtórne jak również
rdzeń są uziemione.

Rys. 6. Pomiar prądu z wykorzystaniem przekładnika prądowego

Przekładnik prądowy z uwagi na małą wartość impedancji mierników, pracuje podobnie

jak transformator w stanie zwarcia, dla którego obowiązuje zależność:

I

1

z

1

= I

2

z

2

(19)

Przekładnia prądowa przekładnika

2

1

2

1

20

10

1

z

z

E

E

U

U









(7)

W czasie pracy przekładnika (obwód wtórny zamknięty), strumień w rdzeniu jest bardzo

mały. Przerwa w obwodzie wtórnym przekładnika powoduje wzrost strumienia
magnetycznego, w następstwie czego w obwodzie tym pojawia się znaczne napięcie mogące
zniszczyć izolacje uzwojeń, jak również zagrażać bezpieczeństwu obsługi. Prąd wtórny
przekładników technicznych wynosi 5A, pierwotny natomiast do kilku tysięcy A, w
zależności od potrzeb.

4. Wykonanie ćwiczenia

4.1. Badanie transformatora jednofazowego

Dane znamionowe:

Należy zapoznać się z budową transformatora, podstawowe dane znamionowe

zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1.

S

U

1n

I

1n

U

1N

U

20

I

2n

250VA

50V

5A

25V

10A

Próba stanu jałowego

Układ pomiarowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 7.

Rys.7. Schemat stanowiska pomiarowego

Należy podłączyć do układu amperomierze A

1

i A

2

oraz watomierz elektrodynamiczny W

zgodnie ze schematem. Następnie należy założyć zworki 11 i 12.

Uwaga!!! Po wykonaniu połączeń prawidłowość ich wykonania powinna być

sprawdzona przez prowadzącego zajęcia przed włączeniem zasilania!!!.

Włączyć zasilanie stanowiska i za pomocą dźwigni autotransformatora ustawić napięcie na

uzwojeniu pierwotnym równe napięciu znamionowemu (50V).

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 2.

Pomiary

Obliczenia

U

10

I

0

P

0

U

20



I

0

P

0

cos



V

A

W

V

-

%

%

-

Poszczególne wielkości obliczyć korzystając z zależności:

%

100

;

1

0

%

0

20

10

n

u

I

I

I

U

U







0

10

0

0

0

%

0

cos

%;

100

I

U

P

S

P

P

n









W sprawozdaniu przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

Próba obciążenia

Próbę obciążenia należy przeprowadzić dla znamionowego napięcia zasilającego

badany transformator. Na stanowisku pomiarowym należy dodatkowo założyć zworki 21 i 22
oraz zw

1

.

Zmiana obciążenia dokonywana jest za pomocą opornicy. Przesuwając suwak opornicy

należy zwiększać obciążenie transformatora.

Wyniki pomiarów zestawić w tabeli:

Lp.

Pomiary

Obliczenia

U

1

I

1

P

1

U

2

I

2

cos



1

V

A

W

V

A

1

2

3

4

5

Wykreślić charakterystyki zewnętrzne transformatora U

2

=f(I

2

), I

1

= f(I

2

), cosφ

1

=f(I

2

),

oraz mocy pobieranej ze źródła zasilania (sieci).

Próba zwarcia pomiarowego

Za pomocą dźwigni autotransformatora obniżyć napięcie wyjściowe transformatora do

zera. Usunąć zworkę zw

1

i założyć zworkę zw

2

.

Uwaga!!! Nie wolno zakładać zworki zw

2

przed wcześniejszym sprawdzeniem wartości

napięcia zasilającego stronę pierwotną transformatora, ponieważ grozi to uszkodzeniem
stanowiska – po stronie pierwotnej i wtórnej transformatora badanego spowodujemy
przepływ prądów przekraczających wartości znamionowe.!!!

Stopniowo zwiększać napięcie zasilające stronę pierwotną transformatora za pomocą

dźwigni autotransformatora obserwując wskazania amperomierza A

2

, aż do momentu

uzyskania prądu znamionowego po stronie wtórnej.

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli:

Pomiary

Obliczenia

U

1z

I

1

P

z

U

z%



P

Cu%

cos



I

1z

V

A

W

%

%

-

A

W obliczeniach korzystamy z zależności:

%;

100

%;

100

%

1

1

%

n

z

Cu

n

z

z

S

P

P

U

U

U







.

;

%

100

;

cos

1

2

%

1

1

1

1

z

z

z

n

z

n

z

z

z

I

I

U

I

I

I

U

P









Ponadto, w sprawozdaniu należy wyznaczyć schemat zastępczy transformatora dla

stanu zwarcia pomiarowego (zob. rys. 3), obliczając parametry uproszczonego schematu
zastępczego korzystając z zależności:

.

cos

;

cos

;

1

1

z

T

T

z

T

T

n

z

T

Z

X

Z

R

I

U

Z











Literatura

1. Kurdziel R. „Podstawy elektrotechniki” PWN Warszawa 1973

2. Bolkowski S. „Elektrotechnika teoretyczna” WNT Warszawa 1986

3. Przeździecki F. lub Przeździecki F.,Opolski A.: Elektrotechnika i elektronika. PWN

Warszawa.

4. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa.

5. Praca zbiorowa - Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. PWN, W-wa.

Pytania kontrolne

1. Budowa, zasada działania i cel stosowania transformatorów jednofazowych. Co to jest

przekładnia transformatora.

2. Określ co to jest napięcie zwarcia transformatora i co z niego wynika.

3. Jakie straty w transformatorze występują i od czego zależą (wzory).

4. Kiedy transformator osiąga najwyższą sprawność – uzasadnij.

5. W jaki sposób wyznaczamy straty w obwodzie magnetycznym transformatora, a w jaki

straty w uzwojeniach.