K

ATEDRA

T

RANSPORTU

S

ZYNOWEGO

LABORATORIUM

ELEKTROTECHNIKI

W

YDZIAŁ

T

RANSPORTU

ĆWICZENIE

2

BADANIE PRZEKŁADNI TRANSFORMATORA

STRONA

1

Z

9

2

ĆW. 2. BADANIE PRZEKŁADNI TRANSFORMATORA

I.

CEL ĆWICZENIA



zapoznanie z zasadą działania transformatora,

II.

ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA



Transformator wraz z zestawem cewek,



Woltomierze,

III. SPOSÓB POSTĘPOWANIA

1.

Połączyć układ według schematu z rys. 3.1.

2.

Przy stałej wartości napięcia const.25 V na uzwojeniu pierwotnym - przeprowadzić pomiar

napięcia za pomocą miernika analogowego, na uzwojeniu wtórnym stosując cewki o

następujących liczbach zwojów:

N

1 =

1100; 1600; 8600 - po stronie pierwotnej ( cewki koloru brązowego)

N

2

= 50; 100; 200; 900; 1100; 1600 - po stronie wtórnej ( cewki koloru szarego)

Rys. 3.1. Schemat układu do badania przekładni transformatora

3

IV. WSTĘP TEORETYCZNY

4.1. Transformatory

Transformator energetyczny jest to urządzenie elektromagnetyczne statyczne (niewirujące),

służące do przetwarzania energii elektrycznej prądu przemiennego o określonej wartości napięcia

na energię elektryczną o innej wartości napięcia.

Oprócz transformatorów energetycznych buduje się transformatory specjalne jak: przekładniki,

transformatory spawalnicze i prostownikowe, autotransformatory, przesuwniki fazowe oraz

transformatory różnicowe, impulsowe, wielkiej częstotliwości, dopasowujące itp.

Zakres mocy transformatorów jest bardzo duży. Największe transformatory energetyczne

przenoszą moce rzędu gigawoltoamperów (1 GV ∙ A = 10

9

V ∙ A), a w układach elektronicznych - moce

rzędu mikrowoltoamperów (1 μV ∙ A = 10

-6

V ∙ A). Napięcia transformatorów - zależnie od potrzeb

wynoszą od setek kilowoltów do kilku woltów, a nawet mikrowoltów.

Taka różnorodność typów transformatorów oraz zakresu ich mocy powoduje konieczność

zróżnicowania ich budowy, lecz zasada działania transformatora pozostaje ta sama.

Transformatory wykonuje się jako jednouzwojeniowe (autotransformatory), dwuuzwojeniowe

i wielouzwojeniowe. Transformatory mogą pracować jako podwyższające lub jako obniżające napięcie,

w związku z tym mówimy o stronie napięcia górnego i stronie napięcia dolnego. W transformatorze

obniżającym strona napięcia górnego jest stroną pierwotną.

W odróżnieniu od transformatorów powietrznych, w większości transformatorów uzwojenia są nawinięte

na rdzeniu ferromagnetycznym, który stanowi obwód magnetyczny.

Rys. 4.1. Budowa transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego; b)rdzeniowego- płaszczowego;

1 - jarzmo, 2 - kolumna, 3 - uzwojenie wysokiego napięcia, 4 - uzwojenie niskiego napięcia

4

Obwód magnetyczny transformatora stanowi rdzeń, złożony z cienkich blach stalowych,

izolowanych od siebie o dużej przenikalności magnetycznej. Materiałem jest stal o dużej zawartości

krzemu, który nadaje blasze szczególne właściwości, jak wąska pętla histerezy i duża rezystywność. Mała

powierzchnia pętli histerezy magnetycznej stanowi o małych stratach energii na histerezę, duża

rezystywność - o małych stratach energii na prądy wirowe. Izolowanie blach dodatkowo zmniejsza straty

na prądy wirowe.

Pod względem budowy rdzenia rozróżnia się transformatory rdzeniowe i płaszczowe. Obydwa

typy rdzeni pokazano na rys. 4.1.

Uzwojenia wykonuje się jako cylindryczne oraz krążkowe. Najczęściej spotykanymi uzwojeniami

są uzwojenia cylindryczne, wykonane w formie cylindrów nałożonych na kolumnę transformatora.

Cylinder stanowiący uzwojenie niskiego napięcia ma mniejszą średnicę i znajduje się bliżej kolumny.

W transformatorach ważnym problemem jest odprowadzenie ciepła z rdzenia i uzwojeń. Ciepło to

powstaje w wyniku wspomnianych już strat w rdzeniu oraz strat w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym,

wywołanych przepływem prądu. Uzwojenia wykonuje się z przewodu miedzianego, dlatego straty w nich

nazwano stratami w miedzi.

Pod względem sposobu chłodzenia rozróżnia się transformatory suche i olejowe.

W transformatorach małej mocy wystarcza naturalne odprowadzanie ciepła na zasadzie konwekcji

powietrza i promieniowania. W transformatorach dużej mocy rdzeń stalowy wraz z uzwojeniami

umieszcza się w kadzi wypełnionej olejem transformatorowym, który oprócz działania chłodzącego ma

również dobre właściwości izolacyjne. Ściany kadzi są wyposażone w użebrowanie rurowe lub

w radiatory, przez które przepływa poruszany siłami konwekcji nagrzany olej transformatorowy.

4.1.1. Zasada działania transformatora. Schemat zastępczy

Zasada działania transformatora polega na elektromagnetycznym oddziaływaniu dwóch lub kilku

uzwojeń, nie połączonych ze sobą elektrycznie, a nawiniętych na wspólnym rdzeniu, czyli sprzężonych

ze sobą wspólnym strumieniem magnetycznym.

Prąd przemienny I

1

, płynący w uzwojeniu pierwotnym, wytwarza przemienny strumień

magnetyczny, którego część - zwana strumieniem głównym Φ – obejmuje uzwojenia pierwotne i wtórne,

indukując w nich napięcia. Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest napięciem źródłowym

dla obwodu tego uzwojenia.

Część strumienia wytworzonego przez uzwojenie pierwotne nie obejmuje uzwojenia wtórnego,

gdyż zamyka się wokół własnego uzwojenia - jest to strumień rozproszenia Φ

r1

.

5

Jeżeli w obwodzie wtórnym płynie prąd I

2,

to wytwarza własny strumień, którego część odejmuje

się od strumienia głównego Φ zmniejszając jego wartość. Druga część zamyka się poza obwodem

głównym, tworząc strumień rozproszenia Φ

r2.

Zasadę działania transformatora dwuuzwojeniowego przedstawiono na rys. 4.2.

Rys. 4.2. Zasada działania transformatora jednofazowego

Rys. 4.3. Schemat zastępczy (czwórnik T) transformatora powietrznego

.

Rys 4.4. Schemat zastępczy transformatora idealnego

Schemat przedstawiony na rys. 4.3 jest schematem zastępczym transformatora i może być

narysowany tak, jak pokazano na rys. 4.4. Na rysunku tym indukcyjność L

r1

, odpowiada indukcyjności

(L

1

- M) z rys. 4.3 i jest reprezentantem strumienia rozproszenia Φ

r1,

reprezentantem strumienia głównego

jest na rys. 4.3 indukcyjność wzajemna M, którą na rys. 4.4 oznaczono jako indukcyjność L

μ

.

Sinusoidalny strumień magnetyczny główny Φ indukuje dwa napięcia (siły elektromotoryczne)

proporcjonalne do liczby zwojów uzwojeń i częstotliwości

6

(4.1)

które na rys. 4.3 są reprezentowane przez jedną siłę elektromotoryczną o wartości skutecznej

E = E1 = E’

2

.

Przekładnią zwojową transformatora jest stosunek zwojów równy stosunkowi napięć

indukowanych

(4.2)

Iloczyn napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym przez przekładnię transformatora

(4.3)

nazwano napięciem indukowanym strony wtórnej przeliczonym na stronę pierwotną.

Przy założeniu, że źródło energii zasila odbiornik R poprzez idealny transformator

bez strat, taki jak na rys. 4.5, moc pobierana przez odbiornik wynosi

Rys. 4.5. Przekazywanie energii przez transformator idealny

Dla źródła, które tę moc dostarcza, odbiornikiem jest inna rezystancja. Rezystancję obciążenia

rozpatrywaną od strony źródła napięcia poprzez transformator nazwano rezystancją przeliczoną na

stronę pierwotną R’, a więc

(4.4)

7

W teorii transformatorów i maszyn indukcyjnych zasada przeliczania wielkości na stronę

pierwotną jest stosowana powszechnie. Tak więc rezystancję, reaktancję i indukcyjność przeliczamy

przez pomnożenie przez kwadrat przekładni

(4.5)

Dlatego po stronie wtórnej układu zastępczego z rys. 4.4 znajduje się rezystancja R’

2

,

reprezentująca straty w miedzi tego uzwojenia, przeliczona na stronę pierwotną oraz indukcyjność L’

2

,

reprezentującą strumień rozproszenia, przeliczona na stronę pierwotną.

Podobnie przelicza się prądy. Ponieważ

(4.6)

Schemat zastępczy transformatora rzeczywistego przedstawiono na rys. 4.6.

Rys. 4.6. Schemat zastępczy transformatora rzeczywistego

Rezystancja R

Fe

reprezentuje straty w stali transformatora rzeczywistego. Straty te zależą

od indukcji B, a zatem od strumienia głównego Φ, który jest bezpośrednio związany z napięciem

indukowanym E1 = E’

2.

Ponieważ straty w stali „zależą” od napięcia indukowanego, rezystancję R

Fe

włączono równolegle do indukcyjności L

μ

..Rozróżnia się dwa rodzaje przekładni: przekładnię zwojową

oraz przekładnię napięciową.

Przekładnia napięci owa jest to stosunek napięć na zaciskach pierwotnych i wtórnych

transformatora

(4.7)

8

W zależności od obciążenia strony wtórnej transformatora rozróżnia się: stan jałowy,

stan obciążenia i stan zwarcia.

Wstanie jałowym w uzwojeniu wtórnym nie płynie żaden prąd, w uzwojeniu pierwotnym płynie

mały prąd magnesujący, który powoduje niewielkie spadki napięcia na rezystancji R

1

i indukcyjności

rozproszenia L

r1

. Przekładnia napięciowa transformatora w stanie jałowym jest zbliżona do zwojowej,

a więc:

(4.8)

Z zależności tej korzysta się przy badaniach transformatorów i pomiarach z zastosowaniem

przekładników napięciowych.

W stanie obciążenia obydwa prądy uzwojenia są duże, spadki napięcia na rezystancjach

i indukcyjnościach rozproszenia są duże i przekładnia napięciowa transformatora ulega zmianie, gdyż:

(4.9)

W stanie zwarcia, realizowanym jako próba transformatora w uzwojeniach płyną prądy

znamionowe. Napięcie wtórne jest równe zeru, a do uzwojenia pierwotnego doprowadza się napięcie

równe spadkom napięć wywołanych prądami znamionowymi na rezystancjach uzwojeń

i indukcyjnościach rozproszenia. Napięcie to nazwano napięciem zwarcia.

W praktyce podaje się na tabliczce znamionowej transformatora napięcie zwarcia wyrażone

w procentach napięcia znamionowego. Napięcie zwarcia świadczy o jakości transformatora, np.

im mniejsze jest napięcie zwarcia transformatora energetycznego, tym korzystniejsze są jego właściwości

eksploatacyjne.

9

V.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wyliczyć przekładnie rzeczywiste transformatorowe ze wzoru

U

U

2

1





,

2. Porównać otrzymane wyniki z wynikami wyliczonymi ze wzoru na przekładnie teoretyczne:

2

1

N

N





,

3. Dokonać zestawienia wyników,

4. Zinterpretować uzyskane wyniki, wnioski.

Rys. 5.1. Schemat układu do badania przekładni transformatora

VI.

ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA



Indukcja magnetyczna, strumień magnetyczny



Wielkości charakteryzujące prąd zmienny



Zasada działania transformatora



Definicja przekładni transformatora

VII.

LITERATURA

1. B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000

2. H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001

3. G. Łomnicka-Przybyłowska „Pomiary elektryczne. Obwody prądu zmiennego” PWN

Warszawa 2000

4. S. Bolkowski „Teoria obwodów elektrycznych” WNT, Warszawa 2001

5. A Chwaleba M. Poniński, A Siedlecki „Metrologa elektryczna” WNT Warszawa 2000