SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 8 | Data wykonania ćwiczenia: 22.04.2013 r. |
---|---|
Prowadzący ćwiczenie: dr Robert Frankowski | Data oddania sprawozdania: 06.05.2013 r. |
Wykonujący ćwiczenie: Paweł Łukasiak, Szymon Surma, Michał Wąsowski. Grupa: 4 | |
Tytuł ćwiczenia: Transformator jednofazowy | |
Uwagi prowadzącego: |
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową i działaniem transformatora jednofazowego w różnych stanach jego pracy.
Wstęp teoretyczny
Transformator jest to urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości.
Budowa
Transformator składa się z dwóch zasadniczych elementów: stalowego rdzenia i uzwojeń (cewek) wykonanych z miedzi lub aluminium.
Rdzeń jest obwodem magnetycznym transformatora i służy do przewodzenia strumienia magnetycznego. Składa się on z kolumn, na które nawija się uzwojenie oraz jarzm, które łączą kolumny. Najczęściej rdzeń transformatora wykonuje się z cienkich, odpowiednio izolowanych, silnie nakrzemionych blach, dzięki czemu zmniejsza się straty powstające na skutek prądów wirowych i histerezy.
Obwodami elektrycznymi transformatora są uzwojenia osadzone na kolumnach. Wykonuje się je z izolowanych przewodów miedzianych lub aluminiowych.
Oba uzwojenia są zazwyczaj odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.
W transformatorach stosuje się kilka rodzajów uzwojeń, najczęściej występującym jest uzwojenie cylindryczne, gdzie oba uzwojenia (pierwotne i wtórne) wykonane są w formie koncentrycznych cylindrów. Oba cylindry osadzone są na jednej kolumnie. Uzwojenie dolne osadzone jest bezpośrednio na kolumnie, a uzwojenie górne na uzwojeniu dolnym. Oba uzwojenia są oddzielone izolacją, zarówno od kolumny, jak i od siebie.
Zasada działania
Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej – powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie). Jeżeli pominie się opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń i przyjmie się, że cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez rdzeń do uzwojenia wtórnego (nie ma strat pola magnetycznego na promieniowanie), to taki transformator nazywamy idealnym. Dla transformatora idealnego obowiązuje wzór:
$$\frac{U_{\text{we}}}{U_{\text{wy}}} = \frac{I_{\text{we}}}{I_{\text{wy}}} = \frac{n_{\text{we}}}{n_{\text{wy}}}$$
gdzie:
U – napięcie elektryczne [V]
I – natężenie prądu elektrycznego [A]
n – liczba zwojów
indeks we – strona pierwotna
indeks wy – strona wtórna
Poniższy stosunek nazywamy przekładnią transformatora:
$$z = \frac{n_{\text{wy}}}{n_{\text{we}}}$$
Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, to indukowane napięcie jest niższe od napięcia pierwotnego, taki transformator nazywa się obniżającym napięcie. Jeżeli liczba zwojów po stronie uzwojenia wtórnego jest większa od liczby zwojów po stronie uzwojenia pierwotnego, to napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, a taki transformator nazywa się transformatorem podwyższającym napięcie.
Opracowanie wyników
Praca jałowa transformatora
Tab. 1. Wyniki pomiarów dla transformatora pracującego w stanie jałowym
Napięcie [V] | Prąd [A] | Pomiar mocy [W] | Wielkości obliczone |
---|---|---|---|
U ±0,1 | I0 ±0,01 | P1 ±1 | ∆P0 |
115 | 0,06 | 7 | -0,1 |
160 | 0,09 | 13 | 1,4 |
190 | 0,13 | 18 | 6,7 |
230 | 0,26 | 30 | 29,8 |
Stan zwarcia transformatora
Tab. 2. Wyniki pomiarów dla transformatora pracującego w stanie zwarcia
Napięcie [V] | Prąd [A] | Pomiar mocy [W] |
---|---|---|
Uz ±0,1 | Iz ±0,01 | P1 ±1 |
0,6 | 4 | 2 |
3 | 6 | 4 |
4 | 8 | 6 |
5 | 10 | 8 |
Praca zewnętrzna przy obciążeniu czynnym
Tab. 3. Wyniki pomiarów dla transformatora pracującego w stanie obciążenia
|
|
|
|
|
|
Obliczenia |
---|---|---|---|---|---|---|
U1 [V] ±0,1 | I1 [A] ±0,01 | P1 [W] ±1 | U2 [V] ±0,1 | I2 [A] ±0,01 | P2 [W] ±1 | cosφ1 |
20,6 | 0,46 | 11 | 20,9 | 0,44 | 9 | 0,160827 |
40 | 0,91 | 38 | 40 | 0,88 | 36 | 0,043956 |
60,6 | 1,37 | 85 | 61 | 1,32 | 81 | 0,023825 |
80,2 | 1,81 | 149 | 81,1 | 1,75 | 142 | 0,026439 |
99,9 | 2,27 | 230 | 101 | 2,19 | 221 | 0,01423 |
119,9 | 2,73 | 331 | 122 | 2,63 | 319 | 0,011221 |
139,9 | 3,18 | 448 | 141,5 | 3,06 | 430 | 0,007009 |
160 | 3,63 | 585 | 162 | 3,5 | 565 | 0,007231 |
180 | 4,08 | 744 | 183 | 3,93 | 718 | 0,013072 |
200 | 4,5 | 902 | 202 | 4,33 | 869 | 0,002222 |
220 | 5 | 1103 | 224 | 4,78 | 1064 | 0,002727 |
Wnioski
Wnioski – Michał Wąsowski
Analizując tabelę nr 1 można zauważyć, że straty mocy w miedzi rosną wraz ze zwiększaniem się prądu elektrycznego co zgadza się z wynikami książkowymi oraz wyjaśnia dlaczego przy przesyłaniu energii elektrycznej używa się wysokiego napięcia co pozwala zmniejszyć natężenie prądu, a zarazem straty.
Można zauważyć również dziwną anomalię w postaci ujemnych strat biegu jałowego transformatora. Może to być spowodowane niedokładnością przyrządów pomiarowych.
Kolejną rzeczą jest rosnąca wartość współczynnika mocy wraz ze wzrostem strat biegu jałowego, co jest zgodne z literaturą, a mianowicie trójkątem mocy.
Analizując tabelę nr 2 można zauważyć, że straty przy niskim napięciu, a dużym prądzie są dużo większe niż straty przy parametrach z tabeli nr 1.
Analizując tabelę nr 3 można zauważyć, że im niższy współczynnik mocy tym moc pozorna po stronie pierwotnej bardziej dąży do zrównania się z mocą czynną po stronie pierwotnej co potwierdza prawdziwość trójkąta mocy.
Należy również zwrócić uwagę na rosnącą sprawność transformatora wraz ze wzrostem mocy. Wynika to z tego, że przy większej mocy maleją straty ze względu na to, że maleje współczynnik mocy co powoduje, że przez uzwojenie pierwotne płynie większy prąd magnesujący co powoduje powstanie większego strumienia magnetycznego, który z kolei indukuje większe SEM w uzwojeniu wtórnym.
Można również zauważyć, że spadek napięcia na transformatorze jest ujemny, co oznacza, że transformator wykazuje cechy transformatora podnoszącego napięcie.
Wnioski - Szymon Surma
Transformator służy do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego z jednego obwodu do drugiego. Napięcie na uzwojeniu wtórnym zależy od stosunku liczby zwojów uzwojenia wtórnego i pierwotnego. Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, to transformator obniża napięcie. W odwrotnym przypadku transformator podwyższa napięcie.
Na podstawie tabeli 1 można stwierdzić, że wraz ze wzrostem natężenia prądu zwiększają się straty mocy. Dlatego przy przesyłaniu energii elektrycznej stosuje się wysokie napięcia i niskie wartości natężenia prądu, aby zmniejszyć straty.
W ćwiczeniu uzyskano ujemne straty biegu jałowego transformatora, co jest wynikiem błędnym i nie zgodnym z oczekiwaniami teoretycznymi. Taki wynik może być spowodowany błędami aparatury pomiarowej.
Analizując dane z tabeli 2 można stwierdzić, że straty przy niskim napięciu, a dużym prądzie są dużo większe niż straty przy parametrach z tabeli nr 1.
Na podstawie danych zawartych w tabeli 3 można stwierdzić, że wraz ze zmniejszaniem współczynnika mocy, moc pozorna po stronie pierwotnej bardziej dąży do zrównania się z mocą czynną po stronie pierwotnej. Zależność ta wynika z trójkąta mocy.