Politechnika Lubelska 

 

Wydział Elektrotechniki i Informatyki 

 

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń 

 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych 

 

Ćwiczenie nr 2 

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

 
 

2  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

1  Ogólne uwagi dotyczące regulacji napięcia w 

systemie elektroenergetycznymi. 

Podstawowymi parametrami decydującymi o jakości energii elektrycznej dostarczonej 

odbiorcom oraz o warunkach pracy systemu elektroenergetycznego są napięcie i 

częstotliwość. 

Działania zmierzające do utrzymania wartości napięcia na najkorzystniejszym poziomie 

nazywa się regulacją napięcia, podobnie jak działania prowadzące do utrzymywania 

właściwej częstotliwości – regulacją częstotliwości. W ramach niniejszego ćwiczenia 

przedstawiono podstawowe problemy regulacji tego pierwszego parametru. Nadrzędnym 

celem regulacji napięcia w systemie elektroenergetycznym jest utrzymanie takiej wartości 

napięcia na zaciskach odbiorników energii elektrycznej, która zapewni ich prawidłowa pracę. 

Z realizacją celu nadrzędnego jest związana realizacja celów dodatkowych: 

-  zredukowanie do minimum strat mocy i energii w sieci (co wiąże się ze 

zoptymalizowaniem rozpływu mocy biernej), 

-  osiągnięcie maksymalnej pewności pracy i zdolności przesyłowej systemu. 

Dążenie do osiągnięcia wymienionych celów jest oczywiście związane ze spełnieniem 

szeregu warunków wynikających z ograniczeń technicznych, mających konkretny wymiar 

ekonomiczny (np. przedwczesne zużycie podobciążeniowych przełączników zaczepów w 

transformatorach przy zbyt częstym działaniu). 

W sieciach systemu elektroenergetycznego można wyróżnić 3 charakterystyczne grupy sieci 

zróżnicowane pod względem wysokości napięcia i rodzaju pracy, a także organizacji 

prowadzenia ruchu. Grupy te bywają nazywane warstwami napięciowymi. Do warstwy 

najwyższej zalicza się wielkie elektrownie oraz wiążące je sieci 220kV, 400kV i 750kV. Do 

drugiej należą sieci 110kV wraz z zasilającymi je transformatorami. 

Sposoby regulacji napięcia w poszczególnych grupach  różnią się od siebie, zaś wpływ 

regulacji w jednej grupie na warunki napięciowe w grupach pozostałych jest ograniczony. 

Wzajemne powiązanie elementów systemu oraz ich możliwości regulacyjne przedstawiono 

schematycznie na rys. 1. 

 

 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

3 

 

Rys. 1. Elementy systemu elektroenergetycznego służące do regulacji napięcia i mocy biernej. 

 

W różnych warstwach napięciowych niektóre z wymienionych powyżej celów regulacji mają 

wyraźnie większe znaczenie od pozostałych. Tak wiec przy regulacji w sieciach średnich i 

niskich napiec podstawowym celem jest zapewnienie najkorzystniejszych poziomów napiec u 

odbiorców. W sieciach 110kV warunek zapewnienia najkorzystniejszych napięć odbiorcom 

zatraca swą ostrość, gdyż wobec znacznego zakresu regulacji przekładni w transformatorach 

110/śr.n. warunek ten sprowadza się do utrzymywania napięć 110 kV w dość szerokich 

granicach. W zamian za to zyskują na znaczeniu inne cele t.j. ograniczenie strat mocy i 

energii oraz utrzymanie maksymalnej pewności ruchu. W warstwie napięć najwyższych 

najważniejsze cele regulacji napięcia to ograniczenie strat przy utrzymaniu maksymalnej 

zdolności przesyłowej. Regulacja napięcia w tej warstwie posiada charakter kompleksowy i 

obejmuje całą sieć krajową. Jest ona realizowana za pomocą regulatorów wzbudzenia 

generatorów wielkich elektrowni, autotransformatorów sprzęgłowych, a rzadziej 

kompensatorów synchronicznych i wieloczłonowych baterii kondensatorów. Węższy zakres 

posiada regulacja napięcia w warstwie drugiej, ograniczona do obszaru równolegle 

współpracującej sieci 110kV zasilanej z kilku sąsiednich stacji redukcyjnych. 

Najmniejszy zasięg ma regulacja napięcia w sieci średniego napięcia ograniczona do obszaru 

zasilanego z jednego tylko transformatora 110kV/SN. Jest to przypadek najliczniej 

reprezentowany, a równocześnie najprostszy, bo sprowadzający się do regulacji pojedynczego 

4  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

obiektu, tzn. transformatora z regulacją przekładni pod obciążeniem. Ten właśnie przypadek 

jest przedmiotem badań przeprowadzonych w ramach niniejszego ćwiczenia. 

2  Transformator jako urządzenie do regulacji 

napięcia. 

Transformator energetyczny o regulowanej przekładni jest elementem systemu 

umożliwiającym regulację napięcia i rozpływu mocy biernej. Ogólne równania transformatora 

wyposażonego w przełącznik zaczepów wynikają z jednofazowego schematu zastępczego 

(rys. 2). 

 

Rys. 2. Schemat transformatora jednofazowego o zmiennej przekładni. 

E

1

 = U

1

 – I

1 

Z

1  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.1)

 

E

2

 = U

2

 + I

2

 Z

2

 

gdzie: Z

1

 = R

1

 + jX

1

;  Z

2

 = R

2

 + jX

2

; 

R

1

, R

2

 – rezystancje uzwojeń, 

X

1

, X

2

 – reaktancje rozproszenia uzwojeń. 

Uwzględniając, że  R

1

 << X

1

, R

2

 << X

2

 otrzymuje się: 

E

1

 = U

1

 – I

1q

 X

1

          (2.2) 

E

2

 = U

2

 + I

2q

 X

2

 

Równania (2.2) wraz z zależnościami 

2

1

2

1

E

E

z

z =

=

ϑ

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.3) 

oraz 

µ

ϑ

I

I

I

q

q

+

=

2

1

1

 

pozwalają na dokonanie analizy pracy transformatora w powiązaniu z różnymi układami 

regulacji. 

Regulację napięcia za pomocą transformatora przeprowadza się przez zmianę jego przekładni, 

zwiększając bądź zmniejszając liczbę czynnych zwojów w uzwojeniu pierwotnym lub 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

5 

wtórnym. O uzyskanych efektach napięciowych takiej regulacji decyduje nie tylko dokonana 

zmiana przekładni transformatora, ale także warunki sieciowe w miejscu jego zainstalowania. 

Spowodowane regulacją zmiany prowadzą do ustalenia się takich poziomów napięcia na 

transformatorze przy których następuje równowaga poboru i wytwarzania mocy biernej. 

Poniżej rozpatrzono 3 charakterystyczne przypadki usytuowania transformatora  w sieci oraz 

związane z nimi efekty zmiany przekładni: 

a)  transformator (a najczęściej autotransformator) jest usytuowany pomiędzy węzłami o 

określonych w sposób „sztywny” wartościach napięć  U

S1

 , U

S2

 ; pomiędzy aktualną 

wartością przekładni 

ϑ a mocą bierną odbieraną po stronie (2) zachodzi następujący 

związek: 

1

2

2

2

2

2

1

2

2

1

2

X

X

U

X

I

U

U

U

Q

S

S

S

S

+

⋅

⋅

−

⋅

⋅

⋅

−

⋅

⋅

=

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

µ

  

 

 

 

 

 

(2.4) 

Widzimy, że wartości przekładni określa żądany przepływ mocy biernej od jednego węzła do 

drugiego. 

b)  transformator sprzęga węzeł wytwórczy (szyny elektrowni) z węzłem o określonej 

wartości napięcia (szyny stacji przesyłowej); dzięki zmianom przekładni osiąga się 

żądany poziom napięcia w węźle wytwórczym, nawet wtedy, gdy możliwości 

wytwarzania mocy biernej w źródle są ograniczone. 

Pomiędzy wielkościami zadanymi (U

S2

 , Q

1

) a wielkością regulowaną (U

1

) oraz 

przekładnią 

ϑ zachodzi związek: 

0

)

(

)

(

1

2

2

1

2

2

2

1

2

1

=

+

⋅

⋅

+

⋅

−

⋅

⋅

⋅

+

X

X

Q

U

X

I

U

U

S

ϑ

ϑ

ϑ

µ

 

    (2.2) 

c)  transformator zasila sieć otwartą  /w szczególnym przypadku promieniową/ ; zmiany 

przekładni gwarantują odpowiedni poziom napięcia od strony tej sieci /U

2

/ przy 

odpowiadającym mu poziomie mocy biernej Q

2

 , tj. 

0

)

(

)

(

2

1

2

2

1

1

2

2

2

=

+

+

−

⋅

⋅

+

ϑ

ϑ

ϑ

µ

X

X

Q

U

X

I

U

U

S

  

 

 

 

 

 

(2.3) 

Na podstawie zależności /2.1/, /2.2/, /2.3/ stwierdzamy, że transformator wraz z odpowiednim 

układem sterowania zmianami przekładni może pełnić różne funkcje regulacyjne w zakresie 

poziomów napięcia, rozpływu i mocy biernej. 

6  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

3 Regulacja przekładni transformatora zasilającego 

sieć promieniową średniego napięcia 

Na rys. 3 przedstawiono transformator wraz z układem regulacji zasilający sieć promieniową. 

Transformator jest obciążony mocą P

S

 , Q

S

 w zależności od kształtu tzw. dobowych krzywych 

obciążenia, odpowiednio dla mocy czynnej i biernej.  

Sposób rozłożenia obciążenia wzdłuż linii możemy scharakteryzować wprowadzając 

rezystancję R

Z

 i reaktancję X

Z

 zdefiniowane w następujący sposób: 

S

n

i

i

i

Z

S

n

i

i

i

Z

Q

Q

X

X

P

P

R

R

∑

∑

=

=

⋅

=

⋅

=

1

1

;

 

       (3.1) 

przy czym: 

 

P

i

 – moc czynna odbierana w punkcie i, 

 

R

i

 – rezystancja pomiędzy transformatorem a i-tym punktem odbioru mocy czynnej, 

 

Q

i

, X

i

 – analogiczne wielkości dla mocy biernej i reaktancji 

Z uwagi na fakt, że wszystkie moce występujące w (3.1) są funkcjami czasu (podlegają 

zmianom dobowym) impedancja Z

Z 

= R

Z

 + jX

Z

 opisująca tzw. środek ciężkości obciążenia 

również nie posiada ustalonej wartości. 

 

Rys.3. Sieć promieniowa zasilana przez transformator z regulatorem napięcia. 

 

Napięcie w środku ciężkości obciążenia Z w układzie bez regulacji napięcia wynosi: 

3

)

(

110

⋅

⋅

−

⋅

−

⋅

=

b

S

Z

C

S

Z

Z

I

X

I

R

U

U

ϑ

 

      (3.2) 

a w układzie z regulacją: 

3

)

(

)

(

⋅

⋅

−

⋅

−

=

b

S

Z

C

S

Z

T

Z

I

X

I

R

t

U

U

       (3.3) 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

7 

przy czym wartość  U

T

(t) wynika z zaprogramowanych zmian przekładni transformatora. 

Korzystne efekty regulacyjne uzyskuje się uzależniając wartość napięcia regulowanego od 

prądu transformatora. Dokonuje się tego przez tzw. kompensację prądową regulatora 

(szczegóły techniczne tego rozwiązania są w p.5) otrzymując: 

[

]

3

)

(

)

(

)

(

⋅

⋅

−

+

⋅

−

+

=

b

S

Z

k

C

S

Z

k

T

Z

I

X

X

I

R

R

t

U

U

 

     (3.4) 

przy czym R

k

 , X

k

  są elementami układu kompensującego wbudowanego do regulatora. 

Widzimy,  że gdyby znana była zależność  R

Z

(t), X

Z

(t), a elementy R

k

 , X

k 

mogłyby być 

programowane tak, aby R

Z

(t) = R

k

 i X

Z

(t) = X

k

 , wtedy dobowy przebieg napięcia w środku 

ciężkości obciążenia byłby zgodny z programem U

T

(t). W praktyce  

U

Z

 = U

T

(t) 

+ 

F(t) 

 

         (3.5) 

gdzie F(t) jest złożoną funkcją zależną od wielu czynników, której wartość powinna być w 

procesie regulacji zminimalizowana. Optymalizacja nastawień  R

k

, X

k

 jest osiągana poprzez 

eksperymentalne badania sieci terenowych zasilających charakterystyczne grupy odbiorców. 

Możliwość programowania przebiegu U

T

(t) np. za pomocą telesterowania daje istotne 

możliwości oddziaływania na odbiorców poprzez regulację napięcia. Jednakże w praktyce 

krajowe wartości U

T

 oprogramowane są w sposób „sztywny” (2 lub 3 wartości w ciągu doby 

przełączane za pomocą układu zegarowego) co znacznie ogranicza możliwość uzyskiwania 

tych efektów.  

4 Zasada działania i budowa transformatorowych 

regulatorów napięcia 

Aczkolwiek szczegółowe rozwiązania techniczne poszczególnych typów regulatorów 

mogą być znacznie zróżnicowane,  to jednak w każdym z nich można wyróżnić 

charakterystyczne elementy, które przedstawiono na rys.4. 

Układ pomiarowy dokonuje porównania wartości zadanej napięcia (nastawionej na 

regulatorze bądź wyprowadzonej przez urządzenie programujące) z wartością napięcia 

transformatora. W regulatorze RNTT-32 wykorzystywanym w ćwiczeniu układ ten 

zrealizowany jest w oparciu o wzmacniacze magnetyczne. Obecnie regulatory typu RNTT-32 

są wypierane przez nową konstrukcję RNTH-3 opartą o technikę elektroniczną. 

Przekaźniki opóźniające powodują, że sygnał na zadziałanie podobciążeniowego przekładnika 

zaczepów podawany jest dopiero wtedy, gdy zmiana napięcia trwa istotnie długo. W badanym 

regulatorze regulowana zwłoka 

∆t = 20÷200sek. Powoduje ona, że  średnia dobowa liczba 

zadziałań przełącznika zaczepów nie przekroczy 30-60. Pozwala to na uniknięcie wysokiej 

8  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

awaryjności przełącznika zaczepów, pracującego w szczególnie ciężkich warunkach 

podobciążeniowych. 

Przekaźnik blokujący stosuje się po to, aby po wykonaniu pierwszego przełączenia 

zabezpieczyć się przed zrealizowaniem dalszych przełączeń, o ile nie będzie to konieczne. 

Również dzięki temu podnosi się trwałość układu przełączającego. 

 

Rys. 4. Schemat funkcjonalny regulatora napięcia transformatora RNTT 32. 

Z punktu widzenia teorii regulacji automatycznej rozważany regulator jest elementem 

trójpołożeniowym o charakterystyce statycznej zgodnej z rys. 5. 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

9 

 

Rys. 5 Charakterystyka statyczna regulatora RNTT-32. 

Widoczne na rys.5 symbole mają następujące znaczenie: 

U

O

 – napięcie zadane,

  

U

dz

 – dolne napięcie zadziałania, 

U

dp

 – dolne napięcie powrotu 

U

gz

 – górne napięcie zadziałania, 

U

gp

 – górne napięcie powrotu, 

h

d

 = h

g

 = h – histereza regulatora, 

ε = U

gz

-U

dz

 

Ostatnie dwie wielkości podaje się najczęściej w procentach odnosząc je do napięcia 

znamionowego regulatora U

on

 = 100V 

Ogólnie rzecz biorąc poprawna praca regulatora możliwa jest wtedy, gdy zachowane są dwa 

warunki: 

-  nie może nastąpić jednoczesne wysłanie przez regulator sygnału na podwyższenie i 

obniżenie napięcia, 

-  nie zachodzi przeregulowanie t.j. ciągłe przełączanie zaczepów transformatora w górę i w 

dół. 

Spełnienie warunku pierwszego wymaga aby: 

h < 

ε 

który zapewnia najczęściej konstrukcja regulatora (dla RNTT-32  

ε = 2 – 8%   h = 0,4%). 

Spełnienie warunku drugiego jest uzależnione od procentowej wartości napięcia zaczepu 

transformatora przeliczonej na  stronę wtórną i odniesionej do U

on

  (

∆U

Z%

) i wyraża się w 

postaci nierówności: 

ε > ∆ U

z%  

+ h 

10  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

Ponieważ w przypadku laboratoryjnego modelu układu transformatora przełącznik zaczepów, 

również ze spełnieniem drugiego warunku stabilnej regulacji napięcia nie ma problemu. 

Szczegółowe informacje dotyczące modeli matematycznych regulatorów, szczegółów 

rozwiązań technicznych zawiera praca [1] oraz fabryczne instrukcje producenta [2] (w kraju 

transformatorowe regulatory napięcia produkuje Zakład Remontowy Energetyki w Gdańsku). 

5  Dobór parametrów układu kompensacji prądowej 

W praktyce do regulatora doprowadzane jest napięcie międzyfazowe z jednego z 

przekładników pracujących w układzie V,  

Międzyfazowe napięcie w środku ciężkości obciążenia wyznaczamy ze wzoru: 

U

ST

Z

 

=

 

U

ST 

 

-

 

∆U

ST

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.1)  

Techniczne rozwiązanie układu kompensacji. polega na doprowadzeniu do członu 

pomiarowego i porównanie z wartością zadaną  

(nastawnik członu pomiarowego jest wyskalowany w wartościach napięcia międzyfazowego) 

wielkości proporcjonalnej do U

STz , 

 zgodnie z rys.6a. 

Ponieważ 

U

0

 = U

st

 - 

∆U

k

 

          (5.2) 

Zatem układ kompensujący powinien spełniać warunek: 

∆U

k 

⋅ ϑ = ∆U

ST

          (5.3) 

Uniezależnienie spełnienia warunku (5.3) od kąta fazowego obciążenia można osiągnąć jeśli 

∆U

k 

⋅ ϑ

U

 = 

∆U

ST

 

         (5.4) 

Z teorii sieci wynikają następujące zależności na straty napięcia 

-  strata fazowa 

∆U

R

 = (I

c

⋅R

Z

 + I

b

⋅X

Z

) + j(I

c

⋅X

Z

 + I

b

⋅R

Z

) 

 

 

 

 

 

          (5.5a) 

-  strata międzyfazowa 

∆U

ST

 = 3   [(I

c

⋅X

Z

 + I

b

⋅R

Z

) + j(-I

c

⋅R

Z

 - I

b

⋅X

Z

) 

 

 

 

 

           (5.5b) 

gdzie: I

c

, I

b

 są składowymi prądu fazy R. 

 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

11 

 

Rys.6.a) Schemat połączenia regulatora napięcia z siecią za pośrednictwem układu 

przekładników, b) schemat układu kompensacji prądowej przekaźnika RNTT 

W układzie przedstawionym na rys. 6b zachodzi zależność: 

)

(

1

)

(

1

K

b

k

c

i

k

b

k

c

i

K

R

I

X

I

j

X

I

R

I

U

−

−

+

−

=

ϑ

ϑ

 

 

 

 

 

 

(5.6) 

(dławik odwraca fazę napięcia) 

Porównując (5.5b) i 5.6) stwierdzamy, że gdy parametry układu kompensacyjnego spełniają 

zależności 

12  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

k

i

U

Z

R

X

ϑ

ϑ

=

3

 oraz 

 

 

k

i

U

Z

X

R

ϑ

ϑ

=

3

     (5.7) 

 

3

2

X

u

R

i

K

ϑ

ϑ

=

 

 

3

2

R

u

X

i

K

ϑ

ϑ

=

 

wtedy spełniony jest warunek (5.4) 

 

Widzimy zatem, że rezystancja układu kompensacyjnego odpowiada rezystancji sieci, a 

reaktancja układu rezystancji sieci. 

 

Rys.7.a) Schemat modelu laboratoryjnego: 1 – dwukolumnowy transformator regulacyjny, 2 

– silnik napędowy, 3 – szczotki ruchome, b) zależności pomiędzy sygnałami regulatora oraz 

impulsami sterującymi silnikiem poruszającym szczotki. 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

13 

6 Zasada działania cyfrowego regulatora 

Z pewnością regulator cyfrowy różni się rozwiązaniami technicznymi od regulatora RNTT to 

jednak można w nim wyróżnić charakterystyczne elementy pełniące podobne lub ta same 

funkcje. Schemat tego regulatora przedstawiono na rysunku 8. 

 

Rys.8. Schemat funkcjonalny regulatora napięcia. 
 

Układ pomiarowy dokonuje porównania wartości zadanej napięcia nastawionej 

programowo z wartością napięcia na transformatorze. Realizowane w sposób programowy 

zwłoki czasowe powodują, że sygnał na zadziałanie odpowiednich przekaźników podawany 

jest dopiero wtedy, gdy zmiana napięcia trwa istotnie długo. Zwłoka ta nastawiana jest 

programowo i może ona wynosić od 0 do 60 sekund. 

Z punktu widzenia teorii regulacji automatycznej regulator jest elementem trójpołożeniowym 

o charakterystyce przedstawionej na rys. 9. 

 

U

dz 

U

dz 

U

gp 

U

gz 

h

d 

h

g 

U

wej 

U

o 

ε

 

X

 

1

 

0

 

 

Rys. 9. Charakterystyka statyczna cyfrowego regulatora autotransformatora 

 

14  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

U

o

 – napięcie zadane 

U

dz

 – dolne napięcie zadziałania 

U

dp 

– dolne napięcie powrotu 

U

gz 

– górne napięcie zadziałania 

U

gp 

– górne napięcie powrotu 

h

d 

= h

g  

= h  - histereza regulatora 

ε= U

gz 

– U

dz 

– strefa nieczułości regulatora 

Ostatnie dwie wielkości podaje się najczęściej w procentach odnosząc je do napięcia 

znamionowego regulatora U

on 

= 250V. 

Ogólnie rzecz biorąc praca regulatora możliwa jest wtedy, gdy zachowane są dwa warunki: 

•  nie może nastąpić jednoczesne wysłanie przez regulator sygnału na podwyższenie i 

obniżenie napięcia  

•  nie zachodzi przeregulowanie tj. ciągła zmiana pracy napędu w górę i w dół. 

Spełnienie warunku pierwszego wymaga, aby h<

ε. Warunek ten sprawdzany jest programowo 

w momencie startu pomiarów, w przypadku jego niespełnienia program wyrzuci ostrzeżenie. 

Spełnienie warunku drugiego jest uzależnione od procentowej wartości napięcia zaczepu 

transformatora przeliczonej na stronę wtórną i odniesionej do U

on 

(∆U

z% 

) i wyraża się w 

postaci nierówności  

ε > (∆U

z% 

+ h) 

Ponieważ w przypadku laboratoryjnego modelu transformatora ∆U

z% 

= 1,6% również ze 

spełnieniem drugiego warunku stabilnej regulacji napięcia nie ma problemu. 

7  Opis laboratoryjnego modelu układu regulacji 

napięcia. 

7.1  Układ regulacji napięcia typu RNTT 

Układ regulacji napięcia typu RNTT składa się z 3 elementów (rys.7) 

-  regulatora RNTT-32; 

-  1-fazowego, kolumnowego transformatora regulacyjnego będącego modelem fizycznym 

rzeczywistego transformatora sieciowego, 

-  układu impulsowego sterowania silnikiem napędowym szczotek, będącego rozwiązaniem 

modelującym funkcjonalnie podobciążeniowy przełącznik zaczepów, 

Do rzeczywistego transformatora z przełącznikiem zaczepów model ten upodabnia 

impulsowe działanie silnika w momencie podania z regulatora napięcia sygnału „w górę" czy 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

15 

„w dół". Jeśli nawet podczas posuwistego ruchu szczotki napięcie osiągnie zadaną wartość, to 

ruch ten zostanie przerwany dopiero po zakończeniu skoku odpowiadającego zmianie 

zaczepu rzeczywistego transformatora (rys.7b). Dzięki takiemu sposobowi sterowania, który 

zrealizowano w oparciu o automatykę przekaźnikową, analogia pomiędzy układem 

laboratoryjnym i układem rzeczywistym jest wystarczająca do realizacji celów dydaktycznych 

ćwiczenia. 

Widoczny na rys.7a transformator regulacyjny może być obciążony, zaś prąd obciążenia (do 

5A bezpośrednio, powyżej przez przekładnik) może być doprowadzony do regulatora w celu 

prowadzenia regulacji z kompensacją spadku napięcia. Napięcie 

∆U

z%

 (jeden skok szczotki) 

odpowiada, rzeczywistemu procentowemu napięciu zaczepu transformatorów. 

7.2  Układ regulacji napięcia z regulatorem cyfrowym 

Układ regulacji napięcia, działający z regulatorem cyfrowym zawiera 3 elementy: 

−  cyfrowy regulator, 
−  1 fazowy, kolumnowy transformator regulacyjny będący modelem fizycznym 

rzeczywistego transformatora sieciowego, 

−  układ impulsowego sterowania silnikiem napędowym szczotek modelujący 

podobciążeniowy przełącznik zaczepów. 

Układ modelu laboratoryjnego jest więc bardzo podobny do układu z regulatorem typu 

RNTT a jedyna istotna różnica jest w samym elemencie sterującym czyli w regulatorze. 

Sposób połączeń oraz budowa regulatora jest pokazana na rys.10. Istotną rolę w nim 

odgrywa program, którego dokładny opis umieszczono w następnym punkcie.

16  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

do karty 
pomiarowej
komputera

z karty
pomiarowej 
komputera

 

Rys. 10. Schemat modelu laboratoryjnego regulatora 

 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

17 

7.2.1 Opis oprogramowania regulatora 

Program ”CRA.exe” jest aplikacją pracującą w środowisku MICROSOFT 

WINDOWS 9X, dlatego też jedynym wymogiem jest posiadanie komputera klasy PC z 

zainstalowanym modułem LC-012-1612. Program umożliwia przeprowadzenie sesji 

pomiarowej z graficznym przedstawieniem wyników pomiaru oraz zapis wykonanych 

pomiarów w postaci elektronicznej. Wszystkie opcje dostępne poprzez wybranie 

odpowiednich parametrów programu. 

 

Po uruchomieniu program sprawdza biblioteki DLL serii LC, które są dostępne w 

systemie i je wczytuje. W przypadku braku biblioteki sygnalizowany jest błąd i następuje 

zakończenie pracy programu. 

UWAGA! Odpowiednie biblioteki DLL dla modułów LC oraz plik konfiguracyjny 

AMBEX.INI należy umieścić na standardowej ścieżce przeszukiwań WINDOWS, która 

obejmuje: katalog WINDOWS, katalog WINDOWS\SYSTEM, katalog uruchomieniowy 

programu CRA, katalogi z systemowej ścieżki PATH. 

 

Przy tworzeniu oprogramowania modułu przyjęto zasadę,  że cała komunikacja z 

modułem prowadzona jest za pośrednictwem rezydentnego programu dostępnego dla 

programów użytkowych poprzez przerwanie programowe. Takie rozwiązanie ma następujące 

zalety:  

•  użytkownik jest zwolniony ze znajomości szczegółów technicznych tak modułu, jak i 

używanego komputera,  

•  rozwiązanie to jest niezależne od używanej implementacji języka wyższego poziomu.  

 Program 

obsługi został napisany w standardzie driver'ów systemu operacyjnego MS-

DOS (wersja 3.1. i wyższe). Główną przyczyną wyboru takiego rozwiązania jest 

umożliwienie prostego badania obecności driver'a w systemie. Jedyną wykorzystywaną 

standardową funkcją driver'a jest funkcja inicjalizacji wykonywana w trakcie ładowania 

systemu. Po zainstalowaniu driver służy tylko jako obsługa danego przerwania 

programowego.  

 

Jeden driver jest w stanie obsłużyć do czterech modułów danego rodzaju 

zainstalowanych w komputerze. 

7.2.2 Interfejs użytkownika 

 Aplikacja 

składa się z sześciu podstawowych obszarów są to: menu, opcje, 

parametry, warunki, okno wykres oraz stan. 

18  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

 

Rys.11. Ogólny wygląd interfejsu użytkownika. 

• 

Obszar

 

Opcje

.  

 

Rys.12. Obszar Opcje. 
Obszar ten składa się z dwóch przycisków typu „OptionButton” gdzie wybrana opcja 

„Konfiguracja” odpowiada za przeprowadzenie konfiguracji programu i ustawienie 

wszystkich wymaganych parametrów pomiarowych. 

Opcja „ Start pomiarów” powoduje uruchomienie sesji pomiarowej. 

•  Obszar Parametry. 

 

Rys.13. Obszar parametry. 
 
Odpowiada za ustawienie wszystkich wymaganych parametrów niezbędnych do prawidłowej 

pracy programu. Większość parametrów wybierana jest z listy typu „ComboBox”, jednakże 

użytkownik ma możliwość wprowadzenia ręcznie z klawiatury komputera danych jeżeli 

zachodzi taka konieczność. 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

19 

•  Obszar Warunki: 

 

Rys.14. Obszar Warunki. 
 
Użytkownik niema możliwości ingerencji w tej części, ponieważ wartości wyświetlane w tym 

oknie są wyliczane automatycznie na podstawie parametrów wprowadzonych przy 

konfiguracji programu. 

•  Obszar Menu 

 

Rys.15. Obszar menu. 
Posiada dwa przyciski: „Wyjście” odpowiadające za zakończenie pracy programu oraz 

„Zapisz”, który umożliwia zapisanie wykonanej sesji pomiarowej. 

•  Obszar wykres 

 

Rys.16. Obszar Wykres. 

 

20  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

Jest to graficzny obszar interfejsu, odpowiada zarówno za wyświetlanie informacji o aktualnej 

wartości napięcia mierzonego, jak również za wizualizacje tej wartości w postaci trendu. 

Legenda umieszczona pod wykresem informuje o kolorze jaki może przyjmować linia trendu, 

która zmienia się w zależności od wartości napięcia.  

•  Obszar Regulacja napięcia 

 

Rys.17. Obszar Regulacja napięcia 
Obszar ten składa się z dwóch kontrolek sygnalizujących pracę napędu. Informuje nas o 

stanie wyjść cyfrowych, zapalenie się odpowiedniej lampki sygnalizuje wysłanie sygnału do 

napędu w celu podwyższenia lub obniżenia napięcia. 

7.2.3 Przykład zastosowania 

 

Po uruchomieniu programu CRA.exe program domyślnie ustawiony jest w trybie 

konfiguracji. Umożliwia on użytkownikowi dokonanie odpowiednich ustawień w menu 

parametry zgodnych z celem ćwiczenia. 

 

Zgodnie z zasadą działania cyfrowego regulatora opisaną w punkcie 6 do poprawnie 

wykonanej sesji potrzebne są następujące parametry: 

U

o

 – napięcie zadane 

90 V 

h  - histereza regulatora 

20 V 

ε 

 

– strefa nieczułości regulatora 

0,5 % 

Dodatkowo w parametrach możemy ustawić jeszcze dwa warunki: 

•  zwłokę czasową, czyli czas po upływie jakiego regulator ma zareagować na stan 

podwyższonego lub obniżonego napięcia. 

•  liczbę próbek, czyli informacja z ilu pomiarów napięcia ma być wyliczana średnia z 

pomiarów. Opcja ta ustawiona na zbyt dużą wartość może spowodować spowolnienie 

działania programu, możemy ją zmieniać w zakresie od 0-50 próbek. 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

21 

 

Poniższy rysunek przedstawia odpowiednie obszary z uzupełnionymi danymi. Prawy obszar 

„Warunki” zostanie uzupełniony danymi przez program po obliczeniu danych w chwili 

wystartowania pomiaru. 

 

Rys.18. Konfiguracja parametrów. 
Po prawidłowym ustawieniu odpowiednich parametrów możemy przystąpić do wykonania 

pomiarów. 

 

Rys.19. Wygląd interfejsu podczas pracy programu. 

 

 

Na rys 19 widoczny jest interfejs w trakcie dokonywania pomiarów. Program 

obliczył odpowiednie warunki dla wprowadzonych danych zgodnie z którymi: 

Górne napięcie zadziałania U

gz 

= 100V 

Górne napięcie powrotu U

gp 

= 98,75V 

Dolne napięcie zadziałania U

dz 

= 100V 

Dolne napięcie powrotu U

dp 

= 81,25V 

22  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

Na wykresie wartość górnego i dolnego napięcia zadziałania oznaczona jest przerywaną linią, 

natomiast wartości U

gz 

, U

gp 

, U

dz 

, U

dp 

wpisane są w pola tekstowe znajdujące się po prawej 

stronie wykresu.  

Zgodne z charakterystyka przedstawioną na rys 9 i zasadą działania regulatora, który jest 

elementem trójpołożeniowym wykres może zmieniać kolor w zależności od wartości napięcia 

i przedziału w jakim się ono znajduje.  

•  kolor czerwony informuje, że napięcie mierzone U jest większe od górnego napięcia 

zadziałania lub mniejsze od dolnego napięcia zadziałania U

gz 

< U < U

dz 

. 

•  kolor zielony świadczy o tym, iż napięcie znajduje się w zakresach określonych przez 

histerezę regulatora czyli U

gz  

> U

  

> U

gp 

lub U

dp 

> U > U

dz

 

•  kolor czarny wykresu określa wartości napięcia, gdzie żadna z granic nie jest 

przekroczona, napięcie znajduje się w stanie nieczułości regulatora. 

Wszystkie możliwe stany i kolory jakie może przyjmować wykres widoczne są na poniższym 

rysunku. 

 

Rys.20. Przykład graficzny wykresu.

 

 
Aktualna wartość napięcia wskazywana w górnym polu odpowiada punktowi na wykresie 

umieszczonemu przy osi y. Na wykresie widoczne jest ostatnie 100 próbek pomiarowych. 

Czas w jakim one zostaną wykonane zależy od ustawionej zmiennej „Liczba próbek”, z 

których wyliczana jest średnia. 

Kolejny rysunek przedstawia przypadek, kiedy napięcie spadło poniżej dolnego napięcia 

zadziałania.

 

 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

23 

 

Rys.21. Przykład działania programu. 

 

Wykres przyjmuje barwę czerwoną, w obszarze „Stan” kontrolka „Góra” zapala się na 

zielono co jest jednoznaczne z wysłaniem sygnału do przekaźnika służącego do uruchomienia 

silnika w celu podwyższenia napięcia.  

Sygnał ten zostanie oczywiście wysłany w momencie kiedy zmiana napięcia będzie trwała 

dostatecznie długo (w naszym przypadku zwłoka czasowa = 2s). 

Po wykonaniu pomiarów wynik możemy zapisać w postaci pliku tekstowego w formie 

przedstawionej poniżej. 

"Napięcie zadane = 90" 
"Strefa nieczułości= 20" 
"Górne napięcie zadziałania = 100" 
"Górne napięcie powrotu = 98,75" 
"Dolne napięcie zadziałania = 80" 
"Dolne napięcie powrotu = 81,25" 
"L.P  Pomiar  Góra  Dół","  Czas próbki" 
"1      82,88      0  

  0       13:49:10" 

"2      82,82      0  

  0       13:49:10" 

"3      82,88      0  

  0       13:49:11" 

"4      82,92      0  

  0       13:49:11" 

"5      82,86      0  

  0       13:49:11" 

"6      82,90      0  

  0       13:49:12" 

"7      82,80      0  

  0       13:49:12" 

"8      83,02      0  

  0       13:49:12" 

"9      82,76      0  

  0       13:49:12" 

"10    82,98      0  

  0       13:49:13" 

"11    82,86      0   

  0       13:49:13" 

"12    81,93      0  

  0       13:49:13" 

"13    80,35      0   

  0       13:49:14" 

"14    80,43      0   

  0       13:49:14" 

"15    80,41      0  

  0       13:49:14" 

"16    80,45      0  

  0       13:49:14" 

"17    80,41      0  

  0       13:49:15" 

"18    80,49      0  

  0       13:49:15" 

"19    80,41      0  

  0       13:49:15" 

"20    80,45      0  

  0       13:49:15" 

24  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

"21    80,35      0  

  0       13:49:16" 

"22    80,39      0  

  0       13:49:16" 

"23    80,28      0    

  0       13:49:16" 

"24    80,33      0   

  0       13:49:17" 

"25    80,28      0  

  0       13:49:17" 

"26    80,35      0  

  0       13:49:17" 

"27    80,45      0  

  0       13:49:17" 

"28    77,92      0  

  0       13:49:18" 

"29    77,85      0  

  0       13:49:18" 

"30    77,75      0  

  0       13:49:18" 

"31    77,82      0  

  0       13:49:19" 

"32    77,86      0  

  0       13:49:19" 

"33    77,81      0  

  0       13:49:19" 

"34    77,80      0    

0       13:49:19" 

"35    77,90      0    

0       13:49:20" 

"36    77,88      1    

0       13:49:20" 

"37    77,90      1    

0       13:49:20" 

"38    77,88      1    

0       13:49:21" 

"39    77,85      1    

0       13:49:21" 

"40    77,81      1    

0       13:49:21" 

"41    77,90      1    

0       13:49:22" 

"42    77,88      1    

0       13:49:22" 

"43    77,90      1   

0       13:49:22" 

"44    77,75      1   

0       13:49:22" 

"45    77,86      1    

0       13:49:23" 

"46    77,90      1    

0       13:49:23" 

"47    77,92      1    

0       13:49:23" 

"48    77,88      1    

0       13:49:24" 

"49    77,92      1    

0       13:49:24" 

"50    77,86      1    

0       13:49:24" 

"51    77,65      1    

0       13:49:25" 

"52    77,85      1    

0       13:49:25" 

"53    77,92      1    

0       13:49:25" 

"54    77,92      1    

0       13:49:26" 

"55    79,14      1    

0       13:49:26" 

"56    80,33      1    

0       13:49:26" 

"57    80,20      1    

0       13:49:27" 

"58    80,33      1    

0       13:49:27" 

"59    80,45      1    

0       13:49:27" 

"60    80,49      1    

0       13:49:28" 

"61    80,51      1    

0       13:49:28" 

"62    80,35      1    

0       13:49:28" 

"63    80,35      1    

0       13:49:29" 

"64    80,35      1    

0       13:49:29" 

"65    80,28      1    

0       13:49:29" 

"66    80,30      1    

0       13:49:30" 

"67    81,34      0    

0       13:49:30" 

"68    82,90      0    

0       13:49:30" 

"69    82,84      0    

0       13:49:31" 

"70    82,98      0    

0       13:49:31" 

"71    82,86      0    

0       13:49:31" 

"72    82,96      0    

0       13:49:32" 

"73    82,90      0    

0       13:49:32" 

"74    83,08      0    

0       13:49:32" 

"75    82,88      0    

0       13:49:33" 

"76    82,84      0    

0       13:49:33" 

"77    82,90      0    

0       13:49:33" 

"78    82,90      0    

0       13:49:34" 

"79    82,72      0    

0       13:49:34" 

"80    82,85      0    

0       13:49:34" 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

25 

"81    82,90      0    

0       13:49:35" 

"82    82,92      0    

0       13:49:35" 

 

 Na 

początku pliku przestawione są parametry konfiguracyjne i warunki pracy 

regulatora, następnie w kolumnach odpowiednio L.P – liczba porządkowa czyli numer próbki, 

U – wartość próbki (napięcia), Góra i Dół – stan wyjść cyfrowych 1 lub 0 , Czas próbki – jest 

to czas systemowy zapisany w momencie wykonania pomiaru. 

W powyższym przykładzie program dokonał zapisu 82 próbek w ciągu 25 sekund. Zgodnie z 

parametrami dolne napięcie zadziałania wynosi 80V. Wartości próbek od 1 do 28 są większe 

od 80V  regulator więc znajduje się w strefie nieczułości. Próbki od 28 do 35 mają wartość 

mniejszą od 80V lecz system w tym momencie nie wysyła jeszcze sygnału do napędu w celu 

podwyższenia napięcia ponieważ stan obniżonego napięcia musi trwać zgodnie z nastawioną 

zwłoką czasową wynoszącą dwie sekundy. Dopiero po upływie tego czasu zostanie wysłany 

sygnał, co jest widoczne w wynikach pomiarów na próbkach 36-67, w kolumnie góra wartość 

zmienia się z 0 na 1 co odpowiada zmianie stanu wyjścia cyfrowego. Sygnał ten jest 

podtrzymywany do czasu kiedy wartość napięcia nie wzrośnie powyżej dolnego napięcia 

powrotu czyli 81,25V próbki 56-66 są przykładem tego stanu wartości są przedziału 81,25V > 

U > 80V w kolumnie „Góra” wartość jest ustawiona na 1 i nie zmieni się dopóki napięcie nie 

wzrośnie powyżej dolnego napięcia powrotu. 

Analogicznie do przedstawionego przykładu będzie wyglądał przypadek wzrostu napięcia 

powyżej górnego napięcia zadziałania. Regulator doprowadzi do obniżenia napięcia. 

8 Program ćwiczenia. 

W  ćwiczeniu będą badane następujące zagadnienia dotyczące układów regulacji napięcia: 

sprawdzanie kształtu charakterystyki statycznej regulatora,  badanie warunków stabilnej 

pracy regulatora, badanie efektywności regulacji napięcia. Jako pierwszy do badania zostaje 

poddany regulator RNTT. W tym celu należy ustawić przełącznik dwupołożeniowy 

trójbiegunowy P1 w położenie odpowiadające pracy regulatora RNTT, włączyć zasilanie 

układu a następnie postępować zgodnie z opisem umieszczonym w poniższych punktach 

ćwiczenia (8.1, 8.2, 8.3). Po zrealizowaniu poszczególnych punktów, należy poddać badaniu 

cyfrowy regulator autotransformatora. W związku z tym należy przełączyć przełącznik 

dwupołożeniowy trójbiegunowy P1 w położenie odpowiadające włączeniu do obwodu 

regulatora cyfrowego, następnie włączyć zasilanie regulatora i przystąpić do badań, które 

należy wykonać wg punktów 8.1, 8.2, opisanych poniżej. 

26  

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia 

Po skończeniu wykonywania ćwiczenia, należy odłączyć napięcie zasilania od układu i 

przedstawić protokół z zapisanymi danymi pomiarowymi prowadzącemu laboratorium 

8.1  Sprawdzanie kształtu charakterystyki statycznej regulatora. 

 Przy 

wyłączonym napędzie szczotki transformatora regulacyjnego, zmieniając powoli 

U

wej

 za pomocą autotransformatora, należy obserwować stan sygnalizacji świetlnej i 

wskazania woltomierza przyłączonego do zacisków przekładnika napięciowego. 

Dla dwóch wartości napięcia zadanego nastawianego za pomocą zwór na przekładnikach A, 

B regulatora i dwóch wartości strefy niedziałania 

ε nastawionych za pomocą potencjometru 

wyznaczyć wartości U

dz

, U

dp

, U

gz

, U

gp

 i naszkicować charakterystykę regulatora. 

8.2  Badanie warunków stabilnej pracy regulatora. 

 Załączyć napęd szczotki transformatora regulacyjnego. Zmieniając U

wej

 obserwować 

pracę układu sterowania napędem. Ustawić za pomocą przekaźników czasowych taką wartość 

skoku szczotki transformatora, która miałaby wartość 

∆U

z%

 > 2%. Sprawdzić,  że w 

przypadku gdy 

ε < ∆U

z%

+h następuje podawanie na przemian sygnałów „w górę” i „w dół”, 

czyli stan pracy niestabilnej. 

8.3  Badanie efektywności regulacji napięcia za pomocą regulatora 

RNTT32. 

 Wykorzystując laboratoryjny układ regulacji napięcia należy zbadać efektywność 

regulacji prowadzonej dla modelu pojedyńczej linii promieniowej zasilanej ze stacji 

110/15kV. Schemat sieci rzeczywistej i modelu przedstawia rys.22. 

Jest on zgodny z układem z ćwiczenia 1, w którym wyznaczono statystyczne wskaźniki 

jakości napięcia w punkcie A. Jako mierniki efektywności procesu regulacji napięcia 

przyjmujemy statystyczne wskaźniki jakości napięcia U

A

 przy zmieniającym się obciążeniu 

przyłożonym w punkcie C. W ćwiczeniu badamy siec, dla której R

z

 = 8,7

Ω, X

z

 = 5

Ω, zaś moc 

P

c

(t) zmienia się wg dobowych krzywych obciążenia od 500 kW do 4000 kW. Krzywe do 

modelowania przebiegu obciążenia dostarcza prowadzący  ćwiczenia. Skale przeliczeniowe 

dla modelu sieci są zgodne z przedstawionymi w ćwiczeniu 1. Ustawiając w stanie 

bezobciążeniowym U

A

 = 225V. Przyjmując 1h = 1min należy tak zmieniać obciążenie za 

pomocą autotransformatora Atr, aby było ono w przybliżeniu zgodne z zadaną krzywą. 

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych  

27 

 

Rys. 22. Schematy a) sieci rzeczywistej, b) modelu do badania efektywności regulacji 

napięcia za pomocą regulatora RNTT32. 

Przy zadziałaniu regulacji należy natychmiast korygować moc pobierana z modelu. 

Otrzymamy z rejestratora wykres należy opracować statystycznie zgodnie z metodą opisaną w 

ćwiczeniu 1. Wyniki należy porównać z wynikami otrzymanymi w ćwiczeniu zwracając 

uwagę na wartości wskaźników jakości napięcia. 

9 Literatura. 

1.  Praca zbiorowa „Instrukcja eksploatacji układów regulacji napięcia transformatorów” SEP, 

Wrocław 1984. 

2.  Hellman W., Szczerba Z.:”Regulacja napięcia i częstotliwości w systemie 

elektroenergetycznym” WNT 1978.