Elektrotechnika

  

Instrukcja

 do

 laboratorium

  

 

Ćw. 3

 

Katedra Elektrotechniki 
Teoretycznej i Informatyki 

 

Gdańsk, 2009 

Badanie  transformatora  z  

rdzeniem  ferromagnetycznym 

2

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie właściwości transformatora małej mocy z

rdzeniem ferromagnetycznym, a w szczególności: przekładni napięciowej, stanu biegu jało-
wego, stanu zwarcia i stanu obciążenia oraz przebiegów napięć i prądów w funkcji czasu, jak
również obserwacja pętli histerezy. Zakres ćwiczenia obejmuje:

• przygotowanie do ćwiczenia polegające na narysowaniu schematu zastępczego transfor-

matora,

• dobór rodzaju i zakresów przyrządów pomiarowych,
• połączenie obwodu na stole laboratoryjnym według podanego schematu,
• wykonanie pomiarów napięć, prądów i mocy zgodnie z wytycznymi podanymi w punkcie

3,

• włączenie oscyloskopu w celu obserwacji i pomiaru napięć, prądów i pętli histerezy,
• porównanie wyników pomiarów z wynikami obliczeń,
• opracowanie sprawozdania i wniosków wynikających z ćwiczenia.

2. PRZYGOTOWANIE DO ĆWICZENIA

Na podstawie informacji z wykładów oraz podanej literatury należy zapoznać się w wła-

ściwościami transformatorów małej mocy, zasadą działania i podstawowymi zależnościami
dla prądów i napięć. Narysować schematy zastępcze obwodów przewidzianych do badań i
narysować tablice pomiarowe.

Schemat zastępczy transformatora sprowadzony do strony pierwotnej, obciążonego im-

pedancją Z

L

, przedstawiono na rys. 1.

R

1

U

1

R

2

’

I

1

I

2

’

X

1

X

2

’

U

2

’

X

R

Fe

I

Fe

I

U

1M

=U

2M

’

Z

L

’

I

0

Rys. 1. Schemat zastępczy transformatora sprowadzony do strony pierwotnej, przy obciążeniu impe-

dancją Z

L

Przy sprowadzaniu parametrów strony wtórnej transformatora do strony pierwotnej obo-

wiązują następujące zależności:

2

'

2

U

U

ϑ

=

,

2

'

2

I

1

I

ϑ

=

,

2

2

'

2

X

X

ϑ

=

,

2

2

'

2

R

R

ϑ

=

,

L

2

'

L

Z

Z

ϑ

=

,

2

1

z

z

=

ϑ

przy czym

ϑ

jest przekładnią zwojową transformatora, gdzie z

1

– liczba zwojów uzwojenia

pierwotnego, z

2

– liczba zwojów uzwojenia wtórnego.

Wartości parametrów gałęzi poprzecznej schematu zastępczego transformatora wyzna-

czamy z tzw. próby biegu jałowego (rys. 2).

Badanie transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym

3

Rys. 2. Schemat połączeń dla próby biegu jałowego transformatora

Wykorzystuje się tu fakt, że impedancja gałęzi podłużnej jest wielokrotnie mniejsza od impe-
dancji gałęzi poprzecznej – pomijamy jej spadki napięć i straty mocy. Parametry R

Fe

oraz X

µ

wyznaczamy zatem z zależności:

0

2

1n

Fe

∆P

U

R

=

,

Fe

1n

Fe

R

U

I

=

,

2

Fe

2

0

µ

I

I

I

−

=

,

µ

1n

µ

I

U

X

=

.

Wartości parametrów gałęzi podłużnej schematu zastępczego transformatora wyznacza-

my z tzw. próby zwarcia (rys. 3).

Rys. 3. Schemat połączeń dla próby zwarcia transformatora

Wykorzystuje się tu fakt, że impedancja gałęzi poprzecznej jest wielokrotnie większa od im-
pedancji gałęzi podłużnej – pomijamy jej prąd i straty mocy. Przyjmuje się ponadto, że R

1

≈R

2

’

oraz X

1

≈X

2

’

. Parametry R

1

, R

2

’

, X

1

, X

2

’

wyznaczamy z zależności:

(

) (

)

1n

z

2

'

2

1

2

'

2

1

z

I

U

X

X

R

R

Z

=

+

+

+

=

,

2

1n

z

'

2

1

I

∆P

R

R

=

+

,

(

)

2

'

2

1

2

z

'

2

1

R

R

Z

X

X

+

−

=

+

,

(

)

'

2

1

'

2

1

R

R

2

1

R

R

+

=

≈

,

(

)

'

2

1

'

2

1

X

X

2

1

X

X

+

=

≈

.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Przygotowanie teoretyczne jest warunkiem koniecznym przystąpienia do realizacji ćwi-

czenia. Sprawdzić rodzaj i zakres niezbędnych przyrządów pomiarowych. Połączyć na stole
laboratoryjnym obwód pomiarowy według przyjętego schematu z rys. 4. Sprawdzić połączo-
ny obwód i uzyskać zgodę od prowadzącego na włączenie układu do sieci. Wykonać pomiary

4

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

napięć, prądów oraz mocy dla stanu biegu jałowego, stanu zwarcia i stanu obciążenia. Pomia-
ry biegu jałowego i stanu obciążenia wykonać dla znamionowego napięcia pierwotnego
U1=U

1n

. Stan zwarcia pomiarowego dla prądu znamionowego I1=I

1n

. W trakcie pomiarów

dokonywać ewentualnych korekt zakresów przyrządów w ten sposób aby ich wskazania były
możliwie najdokładniejsze. Włączyć do sieci oscyloskop i dokonać odpowiednich nastawień
jego zakresów. Według polecenia prowadzącego w układzie z rys. 1 obserwować przebiegi
napięć i prądów w różnych stanach pracy transformatora. Wykonać szkice przebiegów i zano-
tować odpowiednie wnioski. Połączyć układ według schematu z rys. 5. Włączyć na wejście X
oscyloskopu sygnał proporcjonalny do prądu w obwodzie, a na wejście Y sygnał proporcjo-
nalny do całki z napięcia na kondensatorze. Potrzeba całkowania napięcia wynika stąd, że
sygnał wejściowy na płytki Y oscyloskopu powinien być proporcjonalny do przebiegu induk-
cji magnetycznej w rdzeniu transformatora. W ten sposób na ekranie oscyloskopu pojawi się
przebieg będący pętlą histerezy rdzenia badanego transformatora. Naszkicować kształty pętli
histerezy w zależności od wartości napięcia pierwotnego. Zanotować odpowiednie wnioski.

Na rys. 4 i rys. 5 przedstawiono schematów pomiarowych obwodów do badań. W ukła-

dzie z rys. 4 odpowiednie stany pracy transformatora zapewnia się poprzez zmianę wartości
obciążenia strony wtórnej transformatora: stan biegu jałowego – strona wtórna rozwarta, stan
zwarcia – strona wtórna zwarta.

*

*

*

*

A2

W1

W2

V1

V2

A1

R

b

ATr

Tr

R

0

C

0

Osc.

220V

Rys. 4. Schemat pomiarowy do badania stanu biegu jałowego, stanu zwarcia i stanu obciążenia trans-

formatora (przypadek obciążenia o charakterze rezystancyjno-pojemnościowym)

Atr – autotransformator, Tr – transformator badany, R

o

, C

o

– rezystancja i pojemność obciążenia,

R

b

– bocznik do podłączenia oscyloskopu, Osc. – oscyloskop

Tablica 1. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu biegu jałowego

Wyniki pomiarów

Wyniki obliczeń

Lp.

U1

[V]

I1

[A]

P1

[W]

U2

[V]

ϑ

[V/V]

R

Fe

[

Ω]

X

µ

[

Ω]

cos

ϕ

o

[--]

1

Tablica 2. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu zwarcia

Wyniki pomiarów

Wyniki obliczeń

Lp.

U1

[V]

I1

[A]

P1

[W]

I2

[A]

ϑ

I

[A/A]

R

1

[

Ω]

X

1

[

Ω]

R

2

[

Ω]

X

2

[

Ω]

cos

ϕ

z

[--]

1

Badanie transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym

5

Tablica 3. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu obciążenia

Lp.

U1

[V]

I1

[A]

P1

[W]

U2

[V]

I2

[A]

P2

[W]

ϑ

U

[V/V]

ϑ

I

[A/A]

η

[W/W]

cos

ϕ

1

[--]

cos

ϕ

2

[--]

1

R

b

ATr

Tr

R

C

Osc.

220V

Rys. 5. Schemat układu do obserwacji pętli histerezy

Atr – autotransformator, Tr – transformator badany, R

b

– bocznik,

R, C – rezystor i kondensator (gdzie R>>1/

ωC), Osc. – oscyloskop

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• obliczenia i schematy wykonane jako przygotowanie do ćwiczenia,
• wykaz i dane znamionowe elementów i przyrządów użytych w ćwiczeniu,
• wyniki pomiarów i obliczeń zestawione w tablicach wyników pomiarów i obliczeń,
• wykonane szkice przebiegów prądów i napięć,
• wykonane szkice pętli histerezy,
• spostrzeżenia i wnioski wynikające z ćwiczenia.

Sprawozdanie - jedno dla odbywającej ćwiczenie grupy - należy złożyć w ciągu tygodnia

od wykonania ćwiczenia w laboratorium (podczas kolejnych zajęć w ramach przedmiotu).

5. PYTANIA KONTROLNE

a) Wyjaśnić według jakich praw fizycznych działa transformator. Podać odpowiednie wzory

i zależności.

b) Wyjaśnić fizyczny sens parametrów wyznaczanych podczas próby biegu jałowego i próby

zwarcia.

c) Podać i uzasadnić przyczynę odkształcania się prądu pierwotnego podczas próby biegu

jałowego.

LITERATURA

[1] Pr. zb. : Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. Podręcznik akademicki – Me-

chanika. WNT, Warszawa

[2] Poradnik Inżyniera Elektryka. Tom 1. WNT Warszawa
[3] Kurdziel R.: Podstawy elektrotechniki. WNT Warszawa