Elektrotechnika laboratorium

1

III.2. Badanie transformatora jednofazowego

Instrukcja do badania transformatora jednofazowego

1. Wstęp teoretyczny

Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany

układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły
wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za
pośrednictwem pola magnetycznego.

Podstawowa właściwością transformatora (wynika to z jego definicji) jest

możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego.

Rys. 1. Zasada działania transformatora.

Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów
 uzwojenia pierwotnego (zasilanego),

 uzwojenia wtórnego (odbiorczego),

 rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia

(w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia,
tzw. transformatory powietrzne).

Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora,

a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone
elektrycznie, tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń.
Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty
z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się
transformatory bez rdzenia.

W zasadzie działaniu transformatora wykorzystano szczególny przypadek

zjawiska indukcji elektromagnetycznej indukowanie napięcia w układzie
nieruchomym.

2. Budowa transformatora jednofazowego

Zasada budowy każdego transformatora jest taka sama: musi on mieć rdzeń

stanowiący obwód magnetyczny oraz dwa obwody elektryczne: uzwojenie górne
i uzwojenie dolne.

Elektrotechnika laboratorium

2

Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem
obwodu magnetycznego (rdzenia).
Są to: transformatory rdzeniowe (Rys. 2a) i transformatory płaszczowe (Rys. 2b).
Części rdzenia, na których są umieszczone uzwojenia nazywamy kolumnami lub
słupami, a części łączące kolumny – jarzmami. Przestrzeń zawartą między kolumna
a jarzmem nazywa się oknem W jednofazowym transformatorze rdzeniowym
(Rys. 2a) uzwojenie pierwotne i wtórne są dzielone na połówki i umieszczone na obu
kolumnach, pola przekrojów kolumn i jarzm są wówczas jednakowe.

Rys. 2. Zasada budowy transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego b) płaszczowego
1 kolumny, 2 jarzma

Rdzenie transformatorów wykonuje się z blachy transformatorowej o grubości
0,3 - 0,5mm. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru,
lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Izolacja między blachami ogranicza prądy
wirowe), a tym samym zapobiega nadmiernemu nagrzaniu rdzenia.

3. Strona górna i dolna transformatora

Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, które zasilamy ze źródła.

Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik.
Przyjęto zasadę, że:
 Wszystkie wielkości odnoszące się do strony pierwotnej (zasilanej) zawsze są

oznaczane ze wskaźnikiem 1 i nazywane wielkościami pierwotnymi, np: napięcie
pierwotne U

1

, prąd pierwotny I

1

, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N

1

itd.

 Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są

oznaczane ze wskaźnikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie
wtórne U

2

, prąd wtórny I

2

, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N

2

itd.

Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy
transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego,
to taki transformator nazywamy obniżającym.
Z tego względu niezależnie od określeń pierwotne i wtórne stosuje się określenia
górne i dolne. Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym,
a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się górnymi i oznacza
je ze wskaźnikiem g, np.: napięcie górne U

g

, prąd górny I

g

, liczba zwojów uzwojenia

górnego N

g

itd.

Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, a wszystkie wielkości
odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się dolnymi i oznacza je ze wskaźnikiem d,
np.: napięcie dolne U

d

, prąd dolny I

d

, liczba zwojów uzwojenia dolnego N

d

itd.

Elektrotechnika laboratorium

3

Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie.
Nie stosuje się jednocześnie wskaźników „pierwotne i wtórne" oraz „górne i dolne".
Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami, literami dużymi oznacza się wartości
skuteczne napięć, prądów i strumieni, a literami małymi wartości chwilowe.

4. Przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora

Przekładnia transformatora (zgodnie z normą) jest to stosunek napięcia górnego

do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie
jałowym.

0

0

Ud

Ug

n



a. Przekładnia zwojowa

Występuje gdy stosunek SEM w obu uzwojeniach transformatora:

z

n

N

N

mf

N

mf

N

E

E











2

1

2

1

2

1

44

,

4

44

,

4

równy jest stosunkowi liczby zwojów.

b. Przekładnia napięciowa

Często w odniesieniu do przekładni transformatora jest używane określenie,
przekładnia napięciowa.
Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany
wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1, zwykle mówi się
więc: transformator podwyższający (lub obniżający) o przekładni 10. Przyjmując
uproszczenie, że U

g0

E

g

i U

do

E

d

i uwzględniając zależność:

z

n

N

N

mf

N

mf

N

E

E











2

1

2

1

2

1

44

,

4

44

,

4

,

otrzymamy:

d

g

d

g

do

go

N

N

E

E

U

U

n







.

Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń
transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów.
Aby określić przybliżoną zależność między prądami obu uzwojeń, należy skorzystać
z zasady zachowania mocy. Dla uproszczenia pominiemy wszystkie straty mocy
czynnej i mocy biernej, stąd: P

g

= P

d

i Q

g

=Q

d

a zatem i moce pozorne będą sobie

w przybliżeniu równe S

g

=S

d

. Ponieważ S

g

=U

g

I

g

oraz S

d

=U

d

I

d

, zatem:

Elektrotechnika laboratorium

4

g

d

g

d

d

g

N

N

U

U

I

I

n







.

Stąd wynika następujący wniosek:

W uzwojeniu wyższego napięcia płynie prąd mniejszy, a w uzwojeniu niższego
napięcia - prąd większy. W transformatorze następuje więc zmiana wartości napięcia
i prądu przemiennego przy stałej niezmienionej częstotliwości.

5. Analiza pracy transformatora

Transformator może się znajdować, w jednym z trzech charakterystycznych stanów
pracy:

a. Stan jałowy:

Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest

dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte (Rys. 3).

Rys. 3. Transformator w stanie jałowym

Transformator w stanie jałowym nie jest obciążony a więc nie oddaje żadnej mocy
(w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd).

Rys. 4. Charakterystyka stanu jałowego transformatora jednofazowego

Elektrotechnika laboratorium

5

b. Stan obciążenia:

Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie

pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony
odbiornik.

Rys. 5. Transformator w stanie obciążenia

W stanie obciążenia transformatora można wyznaczyć jego charakterystykę

zewnętrzną oraz charakterystykę sprawności. Charakterystyką zewnętrzną
transformatora nazywamy zależność napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego U

2

od

prądu wtórnego I

2

przy U

1

=U

1zn

=const, f=const, cosө

2

=const. Przykładowy przebieg

tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście
prądu I

2

, napięcie U

2

maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im

mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika
o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I

2

wystąpiłby wzrost napięcia

U

2

.

Rys. 5.3. Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego

Rys. 5.4. Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego

Elektrotechnika laboratorium

6

Zmianą napięcia przy określonym współczynniku mocy i określonym prądzie

obciążenia, nazywa się spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do
określonego obciążenia przy niezmienionym napięciu pierwotnym i stałej
częstotliwości.
Sprawność transformatora można również wyznaczyć tzw. metodą strat
poszczególnych. Moc czynna P

1

pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa

sumie mocy czynnej P

2

, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy;

w uzwojeniach ΔP

u

(wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu ΔP

0

(wyznaczonym w próbie stanu jałowego).
Sprawność transformatora

 







P

P

P

P

P

P

u

2

1

2

2

0

100%

100%





Ponieważ moc strony wtórnej

P

U I

2

2 2

2



cos



wobec tego sprawność













U I

U I

P

P

u

2 2

2

2 2

2

0

100%

cos

cos





Sprawność nowoczesnych transformatorów jest duża i zwykle przekracza 97%,
w jednostkach wielkiej mocy dochodzi do 99%. Przykładowy przebieg krzywej
sprawności przedstawiony jest na (Rys. 5.4). Krzywa sprawności ma pewne
maksimum. Można dowieść, że maksimum to wystąpi wówczas, gdy straty
w uzwojeniach są równe stratom w rdzeniu, tzn. straty obciążeniowe równe stratom
jałowym. Najczęściej maksimum zachodzi przy obciążeniach (40...60) %
znamionowego. Przy obciążeniu znamionowym, tzn. dla I

2

=I

2zn

, straty obciążeniowe

są kilkakrotnie większe od strat jałowych.

c. Stan zwarcia:

Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia

pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte.

Elektrotechnika laboratorium

7

Rys. 5. Transformator w stanie zwarcia: a) schemat układu pomiarowego, b) charakterystyka
zwarcia

Elektrotechnika laboratorium

8

Ćwiczenie 1: Badanie transformatora jednofazowego

1. Zagadnienia teoretyczne:

 budowa transformatora jednofazowego,

 strona górna i dolna transformatora,

 przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora,
 stany pracy transformatora oraz ich charakterystyki.

Dane znamionowe transformatora:
Moc: 120 [W]
I

1n

= 1 [A] U

1n

= 220 [V]

I

2n

= 4 [A] U

2n

= 24 [V]

2. Przebieg ćwiczenia:

a. Pomiar rezystancji uzwojeń:

Pomiary należy wykonać przy pomocy mostka Thomsona lub Wheatstone’a.
Wyniki pomiarów zapisać w tabeli:

R1

R2





b. Pomiar przekładni transformatora:

Dla kilku wartości napięcia zasilającego bliskich napięcia znamionowego
transformatora U

1n

odczytać wskazania woltomierzy.

Zestawić układ według schematu:

Elektrotechnika laboratorium

9

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli:

Lp

U1

U2

V

Vśr

-

[V]

[V]

-

-

1
2
3
4

c. Badanie stanu jałowego transformatora

Zestawić układ według schematu.

Pomiary należy wykonać przy włączniku W otwartym, w zakresie napięcia 0,2 … 1,2
U

in

. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.

Lp

U

0

U

0

I

0

I

0

P

0

P

0

cos



0

Q

I



I

Fe

-

dz

[V]

dz

[A]

dz

[W]

-

[var]

[A]

[A]

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: P

0

, I

0

, cos



0

=f(U

0

)

d. Badane stanu zwarcia transformatora

Schemat układu według rysunku z podpunktu c, przy włączniku W otwartym
i zwartych zaciskach 3 i 4.
Ustawiamy napięcie zasilania, aż wartość prądu Iz=1,21

In

następnie je stopniowo

zmniejszamy do zera.
Uwaga: pomiary należy wykonać szybko ze względu na nagrzewanie się uzwojeń.

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać tabeli.

Elektrotechnika laboratorium

10

Lp

U

z

U

z

I

z

I

z

P

z

P

z

cos



0

Z

1z

R

1z

X

1z

-

dz

[V]

dz

[A]

dz

[W]

-

[

]

[

]

[

]

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: P

z

, I

z

, cos



z

=f(U

z

)

e. Badanie transformatora obciążonego

Schemat układu według rysunku z punktu c, przy włączniku W zamkniętym. Pomiary
należy wykonać przy napięciu zasilającym równym U

1n

.

Rezystorem R

0

należy nastawiać wartość prądu I

2

w zakresie 0,2 … 1,2 I

2n.

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.

Lp

I

2

L

2

U

2

I

1

I

1

U

2

P

1

P

1

P

2

P

2



-

dz

[A]

dz

dz

A

[V]

dz

[W]

dz

W

%

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: I

1

, U

2

= f(I

2

),

=f(P

2

)

3. Wnioski:

Elektrotechnika laboratorium

11

III.3. Badanie przekładnika prądowego.

Przekładnik prądowy

Przekładniki służą do zasilania obwodów prądowych i napięciowych przyrządów

pomiarowych i przekaźników. Zastosowanie przekładników w rozdzielniach wysokiego
napięcia pozawala na:

• bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych dzięki odizolowaniu obwodów

wtórnych od obwodów wysokiego napięcia,

• zastosowanie jednakowych przyrządów pomiarowych,
• zmniejszenie niebezpieczeństwa uszkodzenia przyrządów pomiarowych wskutek

elektrodynamicznego i cieplnego działania prądów zwarciowych,

• rozszerzenie zakresu przyrządów pomiarowych,
• oddzielenie rozdzielni od nastawni,
• zdalny pomiar wielkości elektrycznych.

Przekładniki prądowe są to urządzenia zbliżone do transformatorów mocy lecz w

odróżnieniu od nich są przystosowane do pracy w stanie bliskim stanowi zwarcia. Posiadają
dwa uzwojenia starannie od siebie odizolowane nawinięte na rdzeniu z blach
ferromagnetycznych.
Ich zasada działania jest identyczna jat transformatora tzn. pod wpływem zmiennego prądu w
uzwojeniu pierwotnym powstaje strumień magnetyczny (zmienny) który powoduje
wyidukowanie siły elektromotorycznej po stronie wtórnej, dzięki czemu w obwodzie
zamykanym przez amperomierz popłynie prąd.
Ze względu na w stanie bliskim stanowi zwarcia można pominąć magnesowania i możemy
zapisać przybliżoną zależność:

2

2

1

1

I

z

I

z



gdzie I

1

,I

2

– są wartościami skutecznymi prądów odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i

wtórnym
z

1

,z

2

– są ilościami zwojów odpowiednio po stronie pierwotnej i wtórnej

Z tej zależności z pewnym błędem jesteśmy w stanie wyznaczyć prąd płynący przez
uzwojenie pierwotne:

2

1

2

1

I

z

z

I



Elektrotechnika laboratorium

12

Badanie Przekładnika Prądowego

Pomiar uchybów prądowych.

Uchyb prądowy (uchyb przekładni) jest to różnica natężenia prądu wtórnego

pomnożonego przez przekładnię znamionową i natężenia prądu pierwotnego wyrażona w
procentach prądu pierwotnego:

Zmierzyć uchyby prądowe przekładnika prądowego przy różnym natężeniu prądu w
obwodzie pierwotnym i obciążeniu obwodu wtórnego; jednym amperomierzem.
W ćwiczeniu prąd w obwodzie pierwotnym będziemy mierzyli dokładnym amperomierzem
włączonym bezpośrednio do obwodu pierwotnego.
Schemat połączenia obwodu:

A

2

R

K

L

A

1

k

L

Po zanotowaniu danych znamionowych przekładnika prądowego zestawiamy układ i
zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J

1n

do 1,2J

1n

co 0,1J

1n

.

Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w tabelce:

Obciążenie obwodu wtórnego jednym amperomierzem
co odpowiada obciążeniu przekładnika mocą





A

V

S

a



 

n

S

%





Lp.

J

1

[A]

J

2

[A]

 

A

J

in

2





 

%

i





J

1

i J

2

– wartość pierwotnego i wtórnego

Elektrotechnika laboratorium

13

100

1

1

2

J

J

J

i

in









- uchyb prądowy

2

1

J

J





- przekładnia rzeczywista

n

n

in

J

J

2

1





- przekładnia znamionowa

Należy zwrócić uwagę, że uchyb może mieć wartość ujemną lub dodatnią. Z danych tabelki
wykreślamy zależność

 

1

J

f





oraz

 

2

J

f

i





.

Obciążenie obwodu wtórnego mocą S – S

n

.

Zestawiamy układ pomiarowy.
Po obciążeniu przekładnika prądowego mocą znamionową napięcie na zaciskach wynosi:

 

V

J

S

U

n

n

...

2

2





R

A

2

A

1

V

a

V

a

V

Z

d

Po włączeniu obwodu zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym i

regulujemy opornik Z

d

tak długo, aż woltomierz V przy prądzie w obwodzie wtórnym

badanego przekładnika prądowego J

2n

[5A] wskaże obliczone poprzednio napięcie U.

Pożądane jest aby współczynnik mocy obciążenia dodatkowego był równy w przybliżeniu
0,8 co odpowiada charakterowi cewek obwodów prądowych przyrządu (w ćwiczeniu można
użyć opornika suwakowego).
Następnie mierzymy spadek napięcia na samym tylko amperomierzu dla ustalenia mocy
pobieranej przez amperomierz i obliczenia ile procent mocy znamionowej stanowi obciążenie
przekładnika prądowego tylko jednym amperomierzem:

Elektrotechnika laboratorium

14





n

a

an

a

a

S

S

A

V

J

U

S

%















Obliczoną wartość S

a

wpisujemy do tabelki

Obciążenie obwodu wtórnego





A

V

S



 5

- 100% S

n

Lp.

J

1

[A]

J

2

[A]

 

A

J

in

2





 

%

i





Po wyłączeniu woltomierza zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J

1n

do 1,2J

1n

co 0,1J

1n

. Na podstawie pomiaru wykreślamy na wykresach wykresach punktu A

zależność

 

1

J

f





oraz

 

2

J

f

i





.

2. Charakterystyka magnesowania.

Charakterystyka magnesowania rdzenia przekładnika prądowego jest wyznaczona

przez pętlę histerezy magnetycznej

. Jest to zależność nieliniowa zarówno

dlatego, że każda pętla dla danej wartości amplitudy ma charakter nieliniowy jak też
dlatego, że wierzchołki pętli dla różnych indukcji maksymalnych układają się wzdłuż
krzywej nie będącej linią prostą, a nazywanej podstawową charakterystyką
magnesowania (rys. 1 – linia ciągła)

Elektrotechnika laboratorium

15

Wyznaczyć zależność napięcia po stronie wtórnej przekładnika prądowego od prądu J

0

przy rozwartym uzwojeniu pierwotnym – U

0

= f (J

0

). Zbadać zachowanie się przekładnika

prądowego przy zwartych zwojach uzwojenia pierwotnego.

Charakterystyka magnesowania sporządza się dla określenia liczby przetężeniowej,

stwierdzenia czy w uzwojeniu wtórnym nie ma zwarć zwojowych oraz stwierdzenia
przydatności przekładników do zabezpieczenia różnicowego. Charakterystyki przekładników
używanych do tego zabezpieczenia powinny być jednakowe.

Zestawiamy układ jak na rysunku. Zmieniamy doprowadzone napięcie i odczytujemy

wartość prądu. Pomiar przerywamy, gdy prąd osiągnie wartość 5 A. Dla zapobieżenia
trwałemu magnesowaniu rdzenia należy po zakończeniu pomiaru natężenie prądu stopniowo
zmniejszać do zera, a dopiero wówczas wyłączyć obwód. Następnie dla poznania, jak się
zachowuje przekładnik ze zwojami zwartymi, przeprowadzamy analogiczne pomiary przy
zwartym uzwojeniu pierwotnym. Należy w takim przypadku wymienić woltomierz na inny o
mniejszym zakresie.

R

W

A

V

K

L

k

L

Na podstawie pomiarów wykreślamy zależność U

0

= f(J

0

) przy rozwartym uzwojeniu

pierwotnym, która jest w innej skali obrazu zależności B = f (J) oraz zależność
U

0

’ = f (J

0

’) przy zwartym uzwojeniu pierwotnym/

3. Praca przy zaciskach wtórnych rozwartych.

Rozwarcie obwodu wtórnego przekładnika prądowego podczas pracy powoduje znaczne
zwiększenie strumienia magnetycznego, co jest przyczyną indukowania dużego napięcia
(nawet rzędu kilowoltów!) po stronie wtórnej. Cały prąd jest prądem magnesującym.
Następuje przesunięcie punktu pracy – magnesowanie a także skutki cieplne. Dlatego należy
zapamiętać: Nie wolno podczas przepływu prądu w obwodzie pierwotnym rozwierać
obwodu wtórnego przekładnika prądowego. W razie potrzeby wykonania przełączenia w
obwodzie wtórnym, należy zawsze zewrzeć zaciski k-l

Zmierzyć napięcie na rozwartych zaciskach wtórnych przekładnika prądowego, gdy w
uzwojeniu pierwotnym płynie prąd.
Przy rozwarciu obwodu wtórnego przekładnika prądowego strumień magnetyczny
wytwarzany przez prąd pierwotny nie jest osłabiony przez strumień prądu wtórnego.
Powoduje to nadmierne nagrzewanie się rdzenia oraz powstanie między rozwartymi
zaciskami napięcia o wartości niebezpiecznej dla ludzi. Po za tym praca przy otwartym

Elektrotechnika laboratorium

16

obwodzie może spowodować pozostawienie w rdzeniu magnetyzmu szczątkowego
wpływającego na uchyb przekładnika. Praca przekładnika prądowego przy obwodzie
wtórnym otwartym jest niedopuszczalna.

V

2

A

1

K

L

k

L

Zestawiamy układ przedstawiony na rysunku, przyłączając woltomierz do uzwojenia
wtórnego. Zwiększamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0, mierząc napięcie na
zaciskach obwodu wtórnego. Pomiar przerywamy, gdy prąd w uzwojeniu pierwotnym
osiągnie wartość znamionową. Wyniki pomiarów zestawiamy w tabelce.
Zaleca się obserwację kształtu krzywej napięcia na zaciskach obwodu wtórnego przy użyciu
oscyloskopu katodowego.

Elektrotechnika laboratorium

17

III.4. Badanie transformatora trójfazowego.

Transformator to urządzenie przeznaczone do przetwarzania napięcia i prądu o jednej
wartości, na napięcie i prąd o innej wartości tej samej częstotliwości. W transformatorze
wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zasadniczymi częściami
transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali
elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia – górnego i dolnego napięcia. Rdzeń stanowi
dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę
o dużej przenikalności magnetycznej. Uzwojenie transformatora połączone ze źródłem
napięcia zasilającego nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Uzwojenie połączone z
obciążeniem jest uzwojeniem wtórnym.

Badanie transformatora trójfazowego obejmuje: pomiar przekładni transformatora,
wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego, stanu zwarcia oraz wyznaczenie charakterystyki
zewnętrznej.

Wyznaczanie przekładni transformatora.
Przekładnię transformatora najczęściej wyznacza się w stanie jałowym (transformator
nieobciążony). Wyraża się ona stosunkiem wartości skutecznej napięcia U

g

w uzwojeniu

górnego napięcia do wartości skutecznej napięcia U

d

w uzwojeniu dolnego napięcia.

 = Error!

Do wyznaczenia przekładni transformatora trójfazowego można się posłużyć układem
przedstawionym na poniższym schemacie.

Układ do pomiaru przekładni.
Należy dokonać pomiaru napięć międzywęzłowych i wyznaczyć przekładnię z poniższej
zależności.

U

AB,

U

BC,

U

CA,

- napięcia międzyfazowe po stronie uzwojeń napięcia górnego,

U

ab,

U

bc,

U

ca,

- napięcia międzywęzłowe po stronie uzwojeń napięcia dolnego.



1

= Error!,



2

= Error!,



3

= Error!,

 = Error!

Wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego.

Elektrotechnika laboratorium

18

Do wyznaczenia charakterystyk stanu jałowego wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:

i

Wielkości mierzone:
I

A

, I

B,

I

C,

U

AB,

U

BC,

U

CA,

P

1,

P

2

Wielkości wyznaczane:
a) średnia wartość napięcia U = Error!,
b) prąd jałowy I

0

= Error!,

c) straty jałowe

P

0

= P

1

+ P

2 ,

d) współczynnik mocy stanu jałowego cos

0

= Error!,

e) składowa bierna prądu stanu jałowego (prąd magnesujący) I

0

sin

0,

f) składowa czynna prądu stanu jałowego I

0

cos



0.

I

10

;

P

Fe

; cos



0

I

10

I

10n

P

Fe

 P

0

cos



0n

cos



0

0
U

n

U

10

Badanie stanu zwarcia transformatora trójfazowego.

Do wyznaczenia charakterystyk stanu zwarcia wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:

Elektrotechnika laboratorium

19

Schemat układu do wyznaczania charakterystyk stanu zwarcia.

Wielkości mierzone:
I

A

, I

B,

I

C

U

AB,

U

BC,

U

CA

P

1,

P

2

Wielkości wyznaczane:
a) napięcie zwarcia przy danej wartości prądu I

z

U

z

= Error!,

b) prąd zwarcia I

z

= Error!,

c) straty mocy

P

Z

= P

1

+ P

2,

d) współczynnik mocy przy zwarciu cos



zn

= Error!,

I

1z

;

P

Cu

; cos



z

U

z

= 0 I

1z

P

Cu

 P

z

I

1z

cos



z

0
U

z

U

1z

Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie zwarcia.

Charakterystyka zewnętrzna.

Charakterystyka zewnętrzna określa zależność napięcia U

2

na zaciskach uzwojenia wtórnego

od prądu I

2

płynącego przez rezystancję obciążenia R

obc

.

Elektrotechnika laboratorium

20

Zestawiamy układ według schematu:

Wielkości wyznaczane:
a) średnie napięcie międzywęzłowe: U

1

= Error!,

b) średnie natężenie prądu: I

1

=



i2

Error!

c) moc pobierana: P

1

=

(P

I

+ P

II

),

d) średnie napięcie międzyprzewodowe: U

2

= Error!,

e) średnie natężenie prądu: I

2

=



i2

Error!,

f) moc oddawana: P

2

= ;3 U

2

I

2

,

g) moc pozorna po stronie pierwotnej: P

21

= ;3 U

1

I

1

,

h) spadek napięcia:

U = U

1

– U’

2,

i) współczynnik mocy po stronie pierwotnej: cos



1

= Error!,

j) sprawność:

 = Error!

Charakterystyki:

U

2,



U

20



U

2

Elektrotechnika laboratorium

21

0 I

2n

I

2

Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie obciążonym (charakterystyka
sprawności i charakterystyka zewnętrzna).

Elektrotechnika laboratorium

22

III.5. Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego

1. Część wstępna:

Materiał do przygotowania:
a) budowa silnika indukcyjnego jednofazowego,

- schemat zastępczy.

b) podstawowe charakterystyki silnika indukcyjnego jednofazowego,
c) rodzaje pracy maszyny indukcyjnej,
d) wytworzenie i kształt pola wirującego silnika indukcyjnego jednofazowego.

Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się

w stojanie uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy.
Zasilane prądem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole
zmienne, które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Przy
n = 0 silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza momentu rozruchowego. Jeżeli
jednak wirnikowi nada się pewną prędkość obrotową w dowolnym kierunku, to
pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika.
Silnik jednofazowy może wytwarzać moment rozruchowy, jeżeli zmieni się rozkład
indukcji w szczelinie. W tym celu w stojanie umieszcza się uzwojenie dodatkowe
pracujące bądź tylko w chwili rozruchu (uzwojenie rozruchowe), bądź też w sposób
ciągły (uzwojenie pomocnicze).

Silnik z uzwojeniem pomocniczym zwartym: 1 - uzwojenie główne, 2 - uzwojenie

pomocnicze

Elektrotechnika laboratorium

23

Małe silniki jednofazowe są często budowane z uzwojeniem pomocniczym

zwartym (rys). Mają one wirnik klatkowy i uzwojenie stojana skupione w postaci
cewek (1) nałożonych na bieguny stojana. Na każdym biegunie znajduje się żłobek,
który dzieli nabiegunnik na dwie nierówne części. Uzwojenie pomocnicze (2) stanowi
zwój zwarty obejmujący mniejszą część nabiegunnika. Powstaje w ten sposób
dodatkowy strumień

d wywołany sumą przepływów g + p (g - przepływ

uzwojenia głównego,

p - przepływ uzwojenia pomocniczego). Przesunięte względem

siebie w czasie i przestrzeni strumienie

g i d tworzą wirujące pole eliptyczne

powodujące powstanie niewielkiego momentu rozruchowego, wystarczającego do
uruchomienia silnika. Wadą tego rozwiązania jest mała sprawność silników, duże
straty stałe w zwoju zwartym i mały moment rozruchowy (ok. 0,25·Mn).

Elektrotechnika laboratorium

24

0

M

r

M

n

M

n

0

M

r

M

n

M

n

0

M

r

M

n

M

n

Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem

rozruchowym kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym,

c) z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym

Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia

umieszczonego w stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne
tak, aby osie obu uzwojeń były przesunięte względem siebie o kąt

/2. Jeżeli prądy

płynące w uzwojeniu głównym i pomocniczym są przesunięte o kąt

 = /2, to przy

jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole wirujące jest kołowe, a więc
moment rozruchowy jest największy.

Elektrotechnika laboratorium

25

t = 0

t = T/6

2



0

B

x



t = T/2

t = T/3

t = T/4

Przebieg podstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez

uzwojenie jednofazowe dla różnych chwil czasowych

Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z

uzwojeniem pomocniczym kondensatorów (rys. a, b) lub powiększenie rezystancji
tego uzwojenia (rys. c). Uzwojenie wykorzystywane tylko podczas rozruchu
wyłączane jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego W, umieszczonego na wale
silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma kondensatorami (rys. b), z których jeden
jest załączony tylko na czas rozruchu, natomiast drugi pracuje ciągle. Rozwiązanie
takie stosuje się po to, aby uzyskać pole jak najbardziej zbliżone do kołowego
zarówno podczas rozruchu (większy moment rozruchowy), jak i podczas obciążenia
(większy współczynnik mocy), kiedy to potrzebna pojemność kondensatora maleje
kilkakrotnie. W celu uproszczenia konstrukcji często rezygnuje się ze zmiany
pojemności i wówczas uzwojenie pomocnicze współpracuje z jednym, stale
załączonym, kondensatorem.
Zwiększenie momentu rozruchowego przez zwiększenie rezystancji uzwojenia
dodatkowego (rys. c) uzyskuje się najczęściej po nawinięciu tego uzwojenia
przewodem o odpowiednio zmniejszonym przekroju.
Według PN-IEC 34-1:1997 minimalny moment rozruchowy Mr

min

silników

jednofazowych nie może być mniejszy od 0,3·Mn.
Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik
taki nie zatrzymuje się, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim
przypadku maleje około dwukrotnie. Stosując odpowiedni układ połączeń faz silnika
trójfazowego i odpowiednio dobranych elementów RLC można, przy zasilaniu go
napięciem jednofazowym, uzyskać moc zbliżoną do jego mocy znamionowej.
Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych.
Wynika to stąd, że strumień przeciwbieżny ma względem wirnika prędkość większą
od synchronicznej i wywołuje w jego rdzeniu duże straty.

Elektrotechnika laboratorium

26

Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy,

natężenia prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego
o znamionowej częstotliwości (s, cos

0, I0, P0 = f(U0) przy f = fn).

Charakterystyki biegu jałowego umożliwiają, podobnie jak przy badaniu silnika
trójfazowego, określenie strat jałowych i wyznaczenie przybliżonej wartości strat
mechanicznych oraz pozwalają ocenić poprawność konstrukcji silnika, szczelinę
maszyny itp.
Prąd biegu jałowego ma dwie składowe. Pierwsza odpowiadająca prądowi wirnika o
częstotliwości s·f jest, podobnie jak w silniku trójfazowym, bardzo mała. Druga
natomiast odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości (2-s)·f ma znaczną
wartość. Dlatego wypadkowy prąd biegu jałowego silnika jednofazowego może być
znacznie większy (do 3 razy) niż prąd biegu jałowego odpowiadającego mu silnika
trójfazowego.
Prąd biegu jałowego silników jednofazowych z kondensatorowym uzwojeniem
pomocniczym jest mniejszy, ponieważ wytwarzane w tym silniku pole jest polem
wirującym, toteż nie są indukowane w wirniku prądy o częstotliwości (2-s)f.

I

0

, P

0

, cos



0

0

U

n

U

0

I

0

cos



0

s

0

P

0



P

m

f = f

n

Charakterystyki biegu jałowego

Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności momentu rozruchowego,

współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranych przez silnik przy
zatrzymanym wirniku od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (Mr,
cos

z, Iz, Pz = f(Uz) przy s = 1, f = fn).

Elektrotechnika laboratorium

27

I

z

, P

z

, cos



z

, M

r

I

z

P

z

cos



z

M

r

0

U

z

f = f

n

s = 1

Charakterystyki stanu zwarcia

Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości

obrotowej, mocy pobieranej, współczynnika mocy, momentu obrotowego i sprawności
od mocy oddawanej na wale przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości
(I, n, P1, cos

, M,  = f(P2) przy U = Un, f = fn).

Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie
pracy. Wartości poszczególnych parametrów przy P2 = Pn odczytane z charakterystyk
obciążenia należy porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę.
Tolerancje wartości podanych na tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996.

0

P

2

I , M , n ,



, P

1

, cos



cos



P

1



n

M

I

f = f

n

U = U

n

Charakterystyki obciążenia

Elektrotechnika laboratorium

28

2. Program ćwiczenia obejmuje:

 pomiar rezystancji uzwojeń

 przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania

 pomiar charakterystyk biegu jałowego
 pomiar charakterystyk elektromechanicznych

UWAGA DO ĆWICZENIA !

Aby uniknąć przegrzania koła i taśmy hamulcowej przy obciążaniu silnika pomiary
należy przeprowadzić sprawnie i po zakończeniu pomiarów natychmiast „zdjąć”
obciążenie wału.

DANE SILNIKA

F = 50 Hz

P = 180 W

η = 0.55

I = 2 A

ν = 200 V

cosφ = 0.63

n = 1400 obr/min

3. Przebieg ćwiczenia:

a) pomiar rezystancji uzwojeń mostkiem Wheatstone’a

- uzwojenia głównego
-uzwojenia rozruchowego

b) przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania
c) pomiar charakterystyki biegu jałowego
Układ połączeń jak na rys. 1. bez obciążenia zewnętrznego wału silnika. Pomiar
rozpoczynamy od podania poprzez autotransformator napięcia o wartości 240V i
zmniejszamy je do 140V (po 10V).
Odczytujemy z przyrządów wyniki U

0

, I

0

, P

0

. n

0

i wpisujemy je w tabelkę.

Wzory do obliczeń pozostałych parametrów:

0

0

0

cos

I

U

P







1

2

0

0

0

0

0

R

I

P

P

P

P

U















F

m

P

i

P





- wyznaczamy drogą ekstrapolacji krzywej

Elektrotechnika laboratorium

29

Rys. 1. UKŁAD POŁĄCZENIA DLA OBROTÓW W PRAWO

Rys. 2. ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA W LEWO

V

A

W

U

Z

V

U

B

V

W

A

Z

B

A

W

V

A

W

U

Z

V

U

B

V

W

A

Z

B

A

W

Elektrotechnika laboratorium

30

 

2

0

U

f

AP

j



U

0

I

0

P

0

n

cosφ

0

2

I

0

R

1

ΔP

j

2

U

0

ΔP

m

ΔP

F

Lp.

[V]

[A]

[W]

[obr/min]

-

[W]

[W]

[v

2

]

[W]

[W]

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

10.

Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić zależności

I

0

= f (U

0

)

P

0

= f (U

0

)

ΔP

j

= f (U

0

)

cosφ

0

= f (U

0

)

ΔP

j

= f (U

0

2

)

d) pomiar charakterystyk elektromechanicznych
Układ połączeń jak na rys. 1. dodając zmienne obciążenie wału silnika poprzez
ręczną zmianę poprzeczki naciągu dynamometrów.

Pomiar rozpoczynamy od stanu jałowego przy stałym napięciu zasilania uzwojenia
stojana 220V.
Zmieniamy obciążenie wału silnika od zera do 2 kg.
Odczytujemy z przyrządów wyniki: U, I, P, n, F

1

, F

2

.

Średnicę koła hamulcowego mierzymy przymiarem.
Obliczamy parametry: M, cosφ.

U

I

P

n

F

1

F

2

F

M

S

cosφ

Lp.

[V]

[A]

[W]

[obr/min] [kg]

[kg]

[N]

[Nm] [VA]

-

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Elektrotechnika laboratorium

31

Wzory do obliczeń

F = (F

1

– F

2

) g

D = 135 mm

F

1

– siła zgodna z kierunkiem obrotu wirnika

F

2

– siła przeciwna do kierunku obrotu wirnika

2

D

F

M



I

U

S





I

U

P

S

P









cos

Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślamy charakterystyki:
n = f (M)
cosφ = f (M)

4. Opracowanie wyników

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Schematy układów pomiarowych.
2. Tabelki z wynikami.
3. Obliczenia poszczególnych parametrów.
4. Wykresy charakterystyk:

a) charakterystyki biegu jałowego
b) charakterystyka elektromechaniczna

5. Oszacowanie błędów pomiarowych poszczególnych parametrów

i charakterystyk.

6. Wykaz przyrządów zastosowanych w ćwiczeniu.

F

1

F

2

D

Elektrotechnika laboratorium

32

Literatura:

1. Z. Bajorek: Teoria maszyn elektrycznych – laboratorium

Cz. I instrukcje do ćwiczeń – wyd. Ucz. Pol. Rzeszowskiej, Rzeszów 1977

2. Praca zbiorowa: Maszyny i napędy elektryczne.

Poradnik technika elektrotechnika. Wyd. Szk. I Ped. Warszawa 1978.

3. Praca zbiorowa: Laboratorium maszyn elektrycznych cz. II.

Maszyny indukcyjne. Pol. Śląska, Gliwice 1985

III.6. Badanie silnika asynchronicznego pierścieniowego