POLITECHNIKA L SKA

WYDZIAŁIN YNIERII RODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZ DZE ENERGETYCZNYCH

LABORATORIUM ELEKTRYCZNE

TRANSFORMATOR I

(E – 11)

Opracował: mgr in . Janusz M DRYCH
Zatwierdził: W.O.

1. Cel wiczenia.

Celem wiczenia jest analiza wła ciwo ci transformatora jako maszyny
elektrycznej w oparciu o jego charakterystyki stanu jałowego i stanu zwarcia, oraz
praktyczne wykonanie pomiarów tych charakterystyk.

2. Wprowadzenie.

Transformator jest statyczn maszyn elektryczn słu c do przetwarzania

(transformacji) energii elektrycznej. Celem przetwarzania jest podwy szanie

lub obni anie napi cia co powoduje zmniejszanie lub zwi kszanie nat enia

pr du. Przetwarzanie energii odbywa si za po rednictwem pola

magnetycznego.

2.1 Budowa.

Uproszczony schemat konstrukcyjny

transformatora przedstawia rys. 1. Na

ferromagnetycznym rdzeniu 2 nawini te

s dwa uzwojenia 1 i 3. Rdze

transformatora jest na ogół wykonany z

cienkich, wzajemnie izolowanych blach

stalowych, uzwojenia z izolowanego drutu miedzianego. Wła ciwo ci

transformatora opisywane s dla nast puj cych stanów pracy: stanu jałowego,

obci enia, zwarcia. Straty mocy czynnej podczas pracy transformatora

wyst puj głównie w rdzeniu (na pr dy wirowe i histerez magnetyczn ) i

uzwojeniach (na ich rezystancji).

1

2

3

Rys.1. Schemat konstrukcji

2.2 Stan jałowy transformatora jednofazowego.

Je eli uzwojenie pierwotne jest zasilane napi ciem U

1

a obwód wtórny

rozwarty (pr d I

2

=0) transformator znajduje si w stanie jałowym. Pr d

stanu jałowego I

1

=I

0

(kilka do kilkunastu % warto ci pr du znamionowego strony pierwotnej) płynie
przez uzwojenie pierwotne i wytwarza w rdzeniu strumie magnetyczny.

Analiz wła ciwo ci transfor-
matora wygodnie jest przepro-
wadza w oparciu o schemat
zast pczy i wykres wektorowy
napi i pr dów. Schemat
transformatora uwzgl dniaj cy

powstaj ce strumienie magnetyczne – główny i strumienie rozproszenia
przedstawiono na rys. 2. W stanie jałowym
strumie magnetyczny

2r

= 0 (poniewa I

2

= 0).

Strumie powstaje wskutek przepływu I

0

i jest z

nim zgodny w fazie. Schemat zast pczy
transformatora w stanie jałowym (rys.3)
uwzgl dnia napi cia indukowane w uzwojeniu
pierwotnym przez strumie główny (E

1

) i

rozproszenia

2r

(E

1r

) oraz spadek napi cia na

rezystancji uzwojenia

1

0

1

s

0

1

s

1

E

I

jX

I

R

U

+

+

=

(1)

Wykres wektorowy przedstawiono na rys. 4.
Straty w rdzeniu reprezentuje sob rezystor R

Fe,

Reaktancja X jest zwi zana ze

strumieniem głównym.

R

X

S1

S1

R

Fe

X

µ

U

1

I

1

E

1

I

Fe

I

µ

I

0

=

Φ

Φ

1

r

Φ

2

r

Z

U

U

2

I

I

1

1

2

Rys.2. Schemat transformatora

Rys.3. Schemat zast pczy

dla stanu jałowego

µ

+

=

I

I

I

Fe

0

(2)

Moc pobierana przez transformator składa si ze strat w
rdzeniu (straty na histerez i na pr dy wirowe) oraz strat w
uzwojeniach

2

2
m

w

2
m

h

w

h

Fe

f

B

k

f

B

k

P

P

P

+

=

∆

+

∆

=

∆

(3)

gdzie k

h

, k

w

, stałe współczynniki, B

m

amplituda indukcji

magnetycznej, f cz stotliwo napi cia zasilania.
Dla stałej cz stotliwo ci zasilania

2

1

Fe

kU

P

=

∆

(4)

2

2
2

1

2

1

Cu

R

I

R

I

P

+

=

∆

(5)

Poniewa I

2

= 0 oraz I

1

<< I

N

P

Cu

0 straty w stanie jałowym

Fe

0

P

P

∆

≈

(6)

2.3 Stan obci enia transformatora jednofazowego.

Je eli transformator zostanie obci ony (doł czony odbiornik o impedancji

Z

0

), w obwodzie wtórnym popłynie pr d I

2

. Bilans napi dla strony wtórnej :

2

2

2

s

2

2

s

2

U

I

jX

I

R

E

+

+

=

(7)

Równania (1) i (7) opisuj obwód

na rys. 5. Uproszczenie oblicze

mo na uzyska zakładaj c

równo napi E

1

i E

’

2

, gdzie E

’

2

–

napi cie strony wtórnej sprowadzone na stron pierwotn .

υ

=

2

'
2

E

E

gdzie υ przekładnia transformatora

(8)

R

X

S1

S1

R

X

S2

S2

E

2

I

1

I

2

U

2

U

1

E

1

Z

0

Φ

I

I

I

Fe

0

µ

φ

E

1

U

1

0

jX

1

I

0

R

I

0

1

Rys.4. Wykres wektorowy
stanu jałowego

Rys.5. Schemat zast pczy dla stanu obci enia

Nale y przy tym dokona przeliczenia pozostałych parametrów obwodu

strony wtórnej, zapewniaj c równo mocy i przepływów przed i po

sprowadzeniu.

'
2

2

Φ

=

Φ

2

2

'
2

'
2

z

I

z

I

=

υ

=

=

=

1

I

z

z

I

z

z

I

I

2

1

2

2

'
2

2

2

'
2

(9)

z równo ci mocy czynnych

Bł d! Nieprawidłowe ł cze.

(10)

2

2

2

2

'
2

2

2

'
2

R

I

I

R

R

υ

=

=

(11)

analogicznie

2

2

s

'

2

s

X

X

υ

=

(12)

Sprowadzenie na jedn stron

warto ci parametrów pozwala na

uzyskanie prostego schematu

zast pczego (rys.6) i wykresu

wektorowego (rys.7) dla dowolnego

obci enia.

2.4 Stan zwarcia transformatora jednofazowego.

Φ

I

I

I

Fe

0

µ

E

1

jX

1

I

R

I

2

1

I

2

I

U

1

E

1

=

'

'

1

1

jX

2

I

2

I

2

R

2

U

2

'

Rys.6. Wykres wektorowy dla
stanu obci enia

R

X

S1

S1

R

X

S2

S2

'

'

R

Fe

X

µ

U

1

I

1

I

2

'

U

2

'

Rys.7. Schemat zast pczy dla stanu obci enia

Transformator znajduje si w stanie zwarcia je li
impedancja obci enia Z

0

= 0 (wówczas U

’

2

= 0). Zwarcie

podczas zasilania napi ciem znamionowym powoduje
przepływ du ych pr dów pierwotnego i wtórnego, a w
konsekwencji szybkie uszkodzenie transformatora (zwarcie
awaryjne). Je eli w czasie zwarcia transformator jest
zasilany obni onym napi ciem i pr d nie przekracza
warto ci znamionowych (zwarcie pomiarowe) straty w

rdzeniu (zale ne od U

2

) mo na

pomin – otrzymamy nast puj cy
schemat zast pczy (rys.8), oraz
odpowiadaj cy

mu

wykres

wektorowy (rys.9).

Z

'
2

1

z

'
2

1

1

I

)

X

X

(j

I

)

R

R

(

U

+

+

+

=

(13)

Je li podczas zwarcia pomiarowego płynie pr d równy znamionowemu,

napi cie zasilania jest równe znamionowemu napi ciu zwarcia U

Z

. Napi cie

zwarcia mo e by wyra one w procentach napi cia znamionowego.

Impedancja zast pcza transformatora w stanie zwarcia nosi nazw impedancji

zwarcia.

Na podstawie mocy zwarcia mo na wyznaczy rezystancj zwarcia.

)

R

R

(

I

P

'
2

1

2

N

1

Z

+

=

Z

2

N

1

Z

R

I

P

=

(14)

R

X

S1

S1

R

X

S2

S2

'

'

U

1

I

1

I

2

'

E

2

'

E

1

=

Rys.8. Schemat zast pczy dla stanu zwarcia

Φ

Z

E

U

1

I

1

jX

1

I

1

jX'

2

I'

2

I

2

R

2

I

1

R

1

Rys.9. Wykres wektorowy
dla stanu zwarcia

3. Badania i pomiary.

3.1 Okre lenie wielko ci mierzonych

Wielko ciami mierzonymi s warto ci: napi cia zasilania (napi cia obwodu
pierwotnego), napi cia obwodu wtórnego, nat enia pr du oraz mocy czynnej
pobieranej przez transformator.

3.2. Schemat układu pomiarowego.

Układ pomiarowy składa si z badanego transformatora jednofazowego Tr,

ródła zasilania napi ciem przemiennym o regulowanym napi ciu U

(autotransformator), amperomierza A, watomierza W oraz woltomierza V.

Uzwojenie strony wtórnej transformatora mo e by zwarte zwor Z.

3.3. Przebieg wiczenia.

Charakterystyka stanu jałowego:

zestawi układ pomiarowy
ustawi pokr tło regulacyjne transformatora na minimum

U

A

W

V

Tr

Z

wł czy zasilanie
wykona pomiary napi cia, pr du mocy czynnej dla minimum 8 punktów
pomiarowych
wył czy zasilanie

Charakterystyka stanu zwarcia:

zewrze uzwojenie wtórne zwor Z
ustawi pokr tło regulacyjne transformatora na minimum
wł czy zasilanie
wykona pomiary napi cia, pr du mocy czynnej dla minimum 8 punktów
pomiarowych
wył czy zasilanie

Uwaga: wszelkie czynno ci zwi zane z zał czaniem zasilania, oraz
wyborem zakresu przyrz du mog by wykonane po uzyskaniu
zgody i pod nadzorem prowadz cego. Układ pomiarowy nie jest
separowany od sieci zasilaj cej.

4. Opracowanie wyników pomiarów

W przypadku przyrz dów wskazuj cych mierzon wielko w działkach

przeliczy warto ci na warto ci w jednostkach fizycznych, uwzgl dniaj c stał

przyrz du.

Dla ka dego punktu pomiarowego wyliczy współczynnika mocy cos .

Wykona wykresy zale no ci warto ci pr du, mocy czynnej oraz

współczynnika mocy od napi cia zasilania. Wyznaczy parametry schematu

zast pczego transformatora sprowadzonego na jedn stron , przy zało eniu e

R

s1

= R

’

s2

oraz X

s1

= X

’

s2

.

Zawarto sprawozdania

•

Strona tytułowa

•

Schematy pomiarowe

•

Tabele pomiarowe charakterystyk biegu jałowego i stanu zwarcia

•

Wykresy charakterystyk biegu jałowego i stanu zwarcia

•

Schemat zast pczy transformatora

•

Obliczone

parametry

schematu zast pczego

•

Wnioski

Tabela pomiarowa

U

I

P

Lp [dz]

[V]

[dz]

[A]

[dz]

[W]

cos

1

2

3

4

5

6

7

8