„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI
i NAUKI

Eleonora Muszyńska

Dobieranie i sprawdzanie transformatorów
311[08].Z2.02

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2005

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr Jerzy Chiciński
mgr inż. Maria Pierzchała



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Katarzyna Maćkowska


Konsultacja:
dr Bożena Zając



Korekta:
mgr inż. Jarosław Sitek




Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].Z2.02
„Dobieranie i sprawdzanie transformatorów” zawartego w modułowym programie nauczania
dla zawodu technik elektryk.






















Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

4

2. Wymagania wstępne

5

3. Cele kształcenia

6

4. Materiał nauczania

7

4.1. Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia i zwarcia. Zwarcie

pomiarowe i zwarcie awaryjne transformatora

7

4.1.1. Materiał nauczania
4.1.2. Pytania sprawdzające
4.1.3. Ćwiczenia
4.1.4. Sprawdzian postępów

7
8
9

12

4.2. Budowa transformatorów energetycznych. Układy i grupy połączeń

transformatorów trójfazowych

13

4.2.1. Materiał nauczania
4.2.2. Pytania sprawdzające
4.2.3. Ćwiczenia
4.2.4. Sprawdzian postępów

13
15
16
17

4.3. Transformowanie napięć i prądów w układzie trójfazowym.
Obciążenie niesymetryczne

18

4.3.1. Materiał nauczania
4.3.2. Pytania sprawdzające
4.3.3. Ćwiczenia
4.3.4. Sprawdzian postępów

18
19
19
20

4.4. Praca równoległa transformatorów trójfazowych

21

4.4.1. Materiał nauczania
4.4.2. Pytania sprawdzające
4.4.3. Ćwiczenia
4.4.4. Sprawdzian postępów

21
22
22
24

4.5. Regulacja napięcia w transformatorze

25

4.5.1. Materiał nauczania
4.5.2. Pytania sprawdzające
4.5.3. Ćwiczenia
4.5.4. Sprawdzian postępów

25
26
26
27

4.6. Straty mocy i sprawność transformatora

28

4.6.1. Materiał nauczania
4.6.2. Pytania sprawdzające
4.6.3. Ćwiczenia
4.6.4. Sprawdzian postępów

28
29
29
30

4.7. Transformatory specjalne: transformator trójuzwojeniowy,

autotransformator, przekładnik prądowy i napięciowy, transformator

spawalniczy, transformator bezpieczeństwa, sterowania i sygnalizacji

31

4.7.1. Materiał nauczania
4.7.2. Pytania sprawdzające
4.7.3. Ćwiczenia
4.7.4. Sprawdzian postępów

31
33
33
35

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

4.8. Eksploatacja transformatorów. Najczęstsze uszkodzenia występujące

w transformatorach

36

4.8.1. Materiał nauczania
4.8.2. Pytania sprawdzające
4.8.3. Ćwiczenia
4.8.4. Sprawdzian postępów

36
37
37
39

5. Sprawdzian osiągnięć

40

6. Literatura

45

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

1.

WPROWADZENIE

Poradnik, który masz przed sobą, będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy

i kształtowaniu umiejętności z zakresu dobierania i sprawdzania transformatorów.

Wiadomości i umiejętności z tej dziedziny zostały określone w jednostce modułowej

311[08].Z2.02 „Dobieranie i sprawdzanie transformatorów”. Jest to jednostka modułowa
zawarta w module „Montaż i eksploatacja maszyn i urządzeń elektrycznych”.

Tak jak każda jednostka modułowa, również i ta ma ściśle określone cele kształcenia,

materiał nauczania, ćwiczenia, wskazania metodyczne do realizacji programu.

Zgodnie z tymi zaleceniami w poniższym poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne,

−

szczegółowe cele kształcenia,

−

materiał nauczania,

−

pytania sprawdzające,

−

propozycje ćwiczeń,

−

sprawdziany postępów,

−

przykładowy zestaw zadań testowych dla sprawdzenia efektywności kształcenia.

Jednostka modułowa „Dobieranie i sprawdzanie transformatorów” została podzielona na

8 tematów. Każdy z nich zawiera materiał nauczania, zestaw pytań sprawdzających,
propozycje ćwiczeń, a także sprawdziany postępów. Przed przystąpieniem do realizacji
ćwiczeń odpowiedz na pytania sprawdzające. Udzielone odpowiedzi pozwolą ci sprawdzić,
czy jesteś dobrze przygotowany do realizacji ćwiczeń.

Treść programu jednostki modułowej obejmuje wiadomości i umiejętności z zakresu

dobierania i sprawdzania transformatorów. Podczas procesu uczenia wykorzystaj wiadomości
i umiejętności uzyskane w jednostce modułowej 311[08].O3.01 oraz 311[08].O3.03.

Szczególną uwagę należy zwróć na:

−

kształtowanie umiejętności dobierania transformatora do określonego zadania,

−

wykonywanie pomiarów podstawowych parametrów transformatora jednofazowego
i trójfazowego z zachowaniem zasad bhp,

−

korzystanie z informacji znajdujących się na tabliczkach znamionowych transformatorów
i w katalogach.

Po zakończeniu realizacji programu tej jednostki modułowej nauczyciel sprawdzi Twoje

wiadomości i umiejętności za pomocą testu pisemnego. Abyś miał możliwość dokonania
ewaluacji swoich działań, rozwiąż przykładowy test sumujący zamieszczony na końcu
poniższego poradnika.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

2.

WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej 311[08].Z2.02 „Dobieranie

i sprawdzanie transformatorów” powinieneś umieć:

−

rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,

−

stosować ważniejsze wzory z zakresu elektrotechniki,

−

charakteryzować zjawisko indukcji elektromagnetycznej,

−

charakteryzować zjawiska elektromagnetyczne,

−

charakteryzować procesy przesyłania i rozdzielania energii elektrycznej,

−

charakteryzować procesy przetwarzania energii elektrycznej,

−

rozróżniać materiały stosowane do budowy maszyn elektrycznych,

−

czytać proste schematy i na ich podstawie dokonywać analizy,

−

korzystać z literatury technicznej, podręczników, norm, katalogów, przepisów budowy
i eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych,

−

korzystać z technologii komputerowej i informacyjnej,

−

pracować w grupie i indywidualnie,

−

analizować i wyciągać wnioski,

−

oceniać swoje umiejętności,

−

uczestniczyć w dyskusji,

−

przygotowywać prezentację,

−

prezentować siebie i grupę, w której pracujesz,

−

stosować różne sposoby przekazywania przygotowanych informacji,

−

przestrzegać przepisów bhp, ochrony przeciwpożarowej i ochrony środowiska.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3.

CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

sklasyfikować transformatory ze względu na budowę i zastosowanie,

−

odczytać i zinterpretować parametry różnych rodzajów transformatorów jednofazowych
i trójfazowych umieszczone na tabliczkach znamionowych oraz w katalogach,

−

obliczyć podstawowe parametry różnych rodzajów transformatorów wykorzystując
zależności między nimi,

−

dobrać transformator do określonego zadania,

−

zmierzyć podstawowe parametry dowolnego transformatora jednofazowego i trójfazowego,

−

wyznaczyć grupę połączeń transformatora trójfazowego,

−

wyznaczyć podstawowe charakterystyki transformatorów na podstawie pomiarów,

−

wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w transformatorach i określić ich sprawność,

−

dokonać pomiarów prądu, napięcia i mocy z wykorzystaniem przekładników,

−

zlokalizować proste usterki transformatorów jednofazowych i trójfazowych,

−

zanalizować pracę równoległą transformatorów trójfazowych na podstawie wyników
pomiarów,

−

opracować wyniki pomiarów parametrów transformatorów jednofazowych i trójfazowych
z wykorzystaniem programów komputerowych,

−

skorzystać z literatury, katalogów i dokumentacji technicznej transformatorów,

−

zastosować zasady bhp podczas pomiarów parametrów transformatorów.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4.

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia

i zwarcia. Zwarcie pomiarowe i zwarcie awaryjne
transformatora

4.1.1. Materiał nauczania

Transformatory to urządzenia przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej prądu

przemiennego, o określonych wartościach napięcia i prądu, na energię elektryczną również
prądu przemiennego, ale o innych (zwykle) wartościach napięcia i prądu, przy niezmienionej
częstotliwości. Przetwarzanie to odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego (rdzenia),
zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej.

Rys. 1. Zasada działania transformatora [źródło własne]

N

1

– liczba zwojów uzwojenia pierwotnego,

N

2

– liczba zwojów uzwojenia wtórnego,

U

1

– napięcie pierwotne (zasilające),

U

2

– napięcie wtórne,

Ф – strumień magnetyczny przenikający przez rdzeń
E

1

= 4,44

⋅N

1

⋅f⋅Ф

m

– wartość skuteczna siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu

pierwotnym,

E

2

= 4,44

⋅N

2

⋅f⋅Ф

m

– wartość skuteczna siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu

wtórnym,

dt

d

`

ϕ

−

=

e

– napięcie zwojowe, wartość chwilowa siły elektromotorycznej zaindukowanej w

jednym zwoju transformatora,

E` = 4,44

⋅f⋅Ф

m

– wartość skuteczna napięcia zwojowego,

2

1

z

N

N

n

=

– przekładnia zwojowa.

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

jest napięciem przemiennym, a do uzwojenia wtórnego nie jest podłączony żaden odbiornik
(zaciski strony wtórnej są rozwarte). W tym stanie prąd I

2

= 0, a napięcie wtórne U

20

= E

2

.

Prąd pierwotny transformatora I

1

jest niewielki (wynosi kilka % prądu znamionowego)

i nazywa się prądem jałowym lub prądem stanu jałowego transformatora I

1

= I

0

.

Przekładnia transformatora n jest to stosunek napięcia górnego U

g0

(wyższego) do

napięcia dolnego U

d0

(niższego) mierzonych na zaciskach transformatora w stanie jałowym.

W transformatorze jednofazowym przekładnia napięciowa n jest w przybliżeniu równa

przekładni zwojowej:

d

g

d

g

0

d

g0

N

N

E

E

U

U

n

≈

≈

=

~U

1

N

1

E

1

E

2

N

2

~U

2

odbiornik

Φ

I

1

I

2

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie pierwotne

zasilone jest napięciem przemiennym, a do uzwojenia wtórnego podłączony jest odbiornik. W
tym stanie w obu uzwojeniach płyną prądy. Prąd strony wtórnej zależy od napięcia na
zaciskach tej strony oraz od parametrów obciążenia, natomiast prąd strony pierwotnej I

1

tak

dopasowuje się do prądu obciążenia, aby sumaryczny przepływ magnesujący rdzeń:

Θ

µ

(t) = N

1

· i

1

– N

2

· i

2

wywołał strumień magnetyczny indukujący sem. e

1

zbliżoną do napięcia zasilania u

1

.

W stanie obciążenia transformatora słuszna jest zależność:

1

2

1

2

2

1

N

N

U

U

I

I

≈

≈

Stan zwarcia transformatora jest to taki stan pracy transformatora, w którym jedno

z uzwojeń jest zasilane, a zaciski wyjściowe drugiego zwarte bezpośrednio lub przez bardzo
małą impedancję. W tym stanie U

2

= 0.

Stan zwarcia występuje w praktyce jako stan awaryjny lub jako stan pomiarowy

realizowany w laboratorium, w celu określenia parametrów zwarcia transformatora.

Awaryjny stan zwarcia, który zaistnieje przy zasilaniu transformatora napięciem

znamionowym, jest bardzo niebezpieczny ze względu na dynamiczne i cieplne skutki
działania bardzo dużego prądu zwarciowego i w czasie eksploatacji należy tego stanu unikać.

Ze względu na bezpieczeństwo próbę zwarcia pomiarowego przeprowadza się przy

obniżonym napięciu zasilającym.

Wartość napięcia zasilania, przy której w uzwojeniu strony zasilanej transformatora

płynie prąd znamionowy I

1N

, nazywa się napięciem zwarcia transformatora U

z

.

Napięcie zwarcia podaje się na tabliczkach znamionowych transformatorów, jako

wartość procentową napięcia znamionowego:

100%

1N

Z

z%

⋅

=

U

U

u

.

Impedancja zwarcia transformatora Z

z

jest stosunkiem zapięcia zasilania w stanie zwarcia

do prądu pobieranego przez uzwojenie zasilane.

N

z

z

I

U

Z

=

,

2

N

z

z

I

P

R

=

, (dla U = U

z

),

P

z

– moc zwarcia – jest to moc pokrywająca praktycznie w całości straty w uzwojeniach.

Znając rezystancję

z

R

i impedancję zwarcia

z

Z

wyznaczyć można reaktancję zwarcia

z

X

:

2

z

2

z

z

R

Z

X

−

=

.

Parametry Z

z

, R

z

, X

z

odnoszą się do tej strony transformatora, po której wykonywano

pomiary.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest transformator?
2. W jakich warunkach powstaje zjawisko indukcji elektromagnetycznej?
3. Co to jest przekładnia znamionowa transformatora?
4. Jaki jest związek przekładni napięciowej z przekładnią zwojową?
5. Jaki stan pracy nazywamy stanem jałowym?
6. Czym charakteryzuje się stan jałowy?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

7. Od czego zależy siła elektromotoryczna zaindukowana w uzwojeniach transformatora?
8. Czym charakteryzuje się stan obciążenia?
9. Jaki jest związek przekładni prądowej z przekładnią zwojową?
10. Dlaczego prąd stanu jałowego jest mniejszy od prądu znamionowego transformatora

obciążonego?

11. Co to jest zmienność napięcia w transformatorze?
12. Na czym polega zwarcie awaryjne transformatora?
13. Co to jest zwarcie pomiarowe?
14. Co nazywamy napięciem zwarcia?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dany jest transformator sieciowy 230/24V o mocy znamionowej S

N

= 200VA

i procentowym napięciu zwarcia u

z%

= 4%. Oblicz:

−

przekładnię znamionową transformatora,

−

znamionowy prąd pierwotny i wtórny,

−

napięcie bezpieczne dla tego transformatora (napięcie zwarcia w woltach),

−

liczbę zwojów strony pierwotnej, jeżeli liczba zwojów strony wtórnej wynosi 110 zw.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) podać wzory na przekładnię transformatora jednofazowego, moc znamionową, napięcie

zwarcia,

2) wykorzystując zależności między danymi parametrami wykonać niezbędne obliczenia,
3) zaprezentować wyniki obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

zeszyt do ćwiczeń, długopis.

Ćwiczenie 2

Na podstawie schematu przedstawionego na rys. 2 wykonaj próbę stanu jałowego

transformatora jednofazowego.

Rys. 2. Schemat połączeń do próby stanu jałowego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z danymi znamionowymi transformatora wskazanego przez nauczyciela,
2) skompletować aparaturę niezbędną do wykonania ćwiczenia zwracając uwagę na zakresy

pomiarowe mierników,

3) połączyć układ według załączonego schematu,

1.1

2.1

1.2 2.2

V

1

W A

V

2

~U

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

1.1 2.1






1.2 2.2

A W

V

~U

4) wykonać pomiary dla kilku wartości napięć w granicach napięcia znamionowego,
5) wykonać obliczenia następujących parametrów:

−

przekładnię

2N

1N

U

U

n

=

,

−

straty w rdzeniu

10

2

0

1

10

Fe

Δ

P

I

R

P

P

≈

−

=

,

−

współczynnik mocy w stanie jałowym,

0

1

10

0

cos

I

U

P

=

ϕ

,

−

składową czynną I

Fe

prądu jałowego I

0

1

10

1

Fe

Fe

U

P

E

P

I

≈

=

Δ

,

−

składową bierną prądu jałowego I

0

2

Fe

2

0

I

I

I

−

=

μ

.

6) wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli:

Lp.

U

1

U

20

n

cosφ

I

Fe

I

µ

ΔP

F

e

1

2

7) zastosować zasady bhp podczas pomiarów,
8) zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

transformator jednofazowy wskazany przez nauczyciela,

−

autotransformator,

−

woltomierze i amperomierz,

−

watomierz,

−

przewody łączeniowe.

Uwaga: Ćwiczenie należy wykonać pracując w zespołach dwuosobowych mając czas 45 min.

Ćwiczenie 3

Wykonaj próbę zwarcia pomiarowego transformatora jednofazowego w oparciu

o schemat przedstawionego na rys. 3.

Rys. 3. Schemat połączeń do próby stanu zwarcia

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z danymi znamionowymi transformatora wskazanego przez nauczyciela,
2) skompletować aparaturę niezbędną do wykonania ćwiczenia zwracając na zakresy

pomiarowe mierników,

3) połączyć układ według załączonego schematu,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

4) ustalić napięcie zwarcia za pomocą autotransformatora tak, aby prąd strony pierwotnej był

równy prądowi znamionowemu,

5) obliczyć procentowe napięcie zwarcia i porównać wynik z danymi katalogowymi,
6) odczytać wskazanie watomierza przy znamionowym prądzie pierwotnym,
7) zastosować zasady bhp podczas pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

transformator jednofazowy wskazany przez nauczyciela,

−

autotransformator,

−

woltomierz i amperomierz,

−

watomierz,

−

przewody łączeniowe.

Uwaga: Ćwiczenie należy wykonać pracując w zespołach dwuosobowych mając czas 30 min.

Ćwiczenie 4

Wykonaj pomiary rezystancji uzwojeń oraz rezystancji izolacji w danym transformatorze

jednofazowym.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przypomnieć sobie zasady pomiaru małych rezystancji metodą techniczną i metodą

mostkową,

2) zaproponować układy pomiarowe,
3) zgromadzić niezbędne przyrządy pomiarowe,
4) pomiary rezystancji uzwojenia GN i DN wykonać po konsultacji z nauczycielem metodą

techniczną lub mostkową,

5) wynik pomiaru porównać ze wskazaniem miernika elektronicznego do pomiaru bardzo

małych rezystancji,

6) pomiar rezystancji izolacji wykonać za pomocą miernika do pomiaru rezystancji izolacji:

−

między zaciskiem strony GN a zwartym i uziemionym uzwojeniem DN,

−

między zaciskiem strony DN a zwartym i uziemionym uzwojeniem GN,

7) opracować wyniki pomiarów, wyciągnąć wnioski i zaprezentować efekty swoich badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

woltomierz i amperomierz do metody technicznej,

−

mostek Thomsona,

−

miernik elektroniczny (uniwersalny),

−

miernik do pomiaru rezystancji izolacji.

Ćwiczenie 5

Zbadaj transformator jednofazowy w stanie obciążenia, zgodnie ze schematem z rys.4.

Rys. 4. Schemat układu do badania transformatora w stanie obciążenia

1.1 2.1






1.2 2.2

A

1

W

1

V

1

~U

A

2

W

2

V

2

R

obc

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z danymi znamionowymi transformatora,
2) skompletować aparaturę pomiarową zwracając szczególną uwagę na zakresy pomiarowe

mierników,

3) połączyć układ pomiarowy według załączonego schematu,
4) rezystorem R

obc

nastawiać wartość prądu I

2

w zakresie (0,2....1)I

2N

, przy czym I

2N

oznacza

prąd znamionowy strony wtórnej,

5) wskazania przyrządów przy kolejnych wartościach prądu I

2

zanotować w tabeli,

6) w czasie pomiarów utrzymywać stałą wartość napięcia pierwotnego, równą wartości

znamionowej napięcia strony pierwotnej,

7) na podstawie uzyskanych wyników wykreśl charakterystyki U

2

= f(I

2

) i η = f(I

2

),

8) zachować bezpieczeństwo i porządek na stanowisku pracy.

U

1N

= ............V , U

2N

= ..........V, I

2N

= .........A

I

2

U

2

P

1

P

2

η

A V W W –

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

amperomierze do 1 A,

−

woltomierze,

−

watomierze,

−

opornik laboratoryjny – 1 sztuka,

−

transformator jednofazowy obniżający napięcie,

−

przewody łączeniowe.

Uwaga: Ćwiczenie należy wykonać pracując w zespołach dwuosobowych mając 40 minut na

wykonanie zadania.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) odczytać parametry transformatorów umieszczone na tabliczkach

znamionowych?

…

…

2) zinterpretować parametry transformatorów umieszczone na

tabliczkach znamionowych?

…

…

3) obliczyć parametry różnych transformatorów wykorzystując

zależności między nimi?

…

…

4) zmierzyć straty mocy w rdzeniu transformatora?

…

…

5) zmierzyć straty mocy w uzwojeniach transformatora?

…

…

6) wyznaczyć napięcie zwarcia w transformatorze?

…

…

7) zmierzyć rezystancje uzwojeń i rezystancje izolacji

w transformatorze?

…

…

8) wyznaczyć podstawowe charakterystyki transformatora w stanie

jałowym, zwarcia i obciążenia?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

1B

U1B

1A1 1B1 1C1

1A2 1B2 1C2

1A 1B 1C

1A

U1A

U1B

1B

U1C

1C

1A 1B 1C

1A1 1B1 1C1




1A2 1B2 1C2

U1A

1A

1C

U1C

1A 1B 1C

1A1

1B1 1C1

1A2

1B2 1C2

1A

U1A1B

U1C1A

1B

U1B1C

1C

1A1

1B1

1C1

1A2

1B2

1C2

1A 1B 1C

1C

U1B1C

1B

U1C1A

U1A1B

1A

a) b)











c) d)

4.2. Budowa transformatorów energetycznych, układy

i grupy połączeń

4.2.1. Materiał nauczania

Transformowanie napięć i prądów trójfazowych realizować można za pośrednictwem

trzech transformatorów jednofazowych, tworzących zespół trójfazowy lub też jednego
transformatora trójfazowego.

Transformatory energetyczne wykonywane są jako transformatory olejowe, to znaczy, że

rdzeń oraz nawinięte na jego kolumny (słupy) uzwojenia umieszczone są wewnątrz kadzi
wypełnionej olejem transformatorowym.

Zasadę budowy typowego transformatora trójfazowego przedstawia rys. 5.

Rys. 5. Zasada budowy transformatora trójfazowego z rdzeniem niesymetrycznym [5]

Uzwojenia górnego i dolnego napięcia każdej z faz transformatora (GN i DN), montuje

się na kolumnach rdzenia współśrodkowo i są one odizolowane zarówno od siebie jak i od
rdzenia. Najczęściej bliżej rdzenia umieszcza się uzwojenie dolnego napięcia transformatora
trójfazowego.

Uzwojenia trzech faz transformatora po stronie pierwotnej i wtórnej łączy się w różne

układy trójfazowe.

Po stronie pierwotnej transformatora trójfazowego, uzwojenia fazowe połączyć można w

gwiazdę (Y) albo w trójkąt (D).

Rys. 6. Sposoby łączenia uzwojeń po stronie pierwotnej [w oparciu o 1 i 5]

a) i b) uzwojenia połączone w gwiazdę, c) i d) uzwojenia połączone w trójkąt

GN DN rdzeń

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

Po stronie wtórnej transformatora trójfazowego uzwojenia każdej fazy, połączyć można

w gwiazdę (y), w trójkąt (d) oraz w zygzak (z).

Rys. 7. Przykładowy układ połączeń w zygzak i zasada rysowania wykresu wektorowego [w oparciu o 1 i 5]

Ponieważ po stronie pierwotnej uzwojenia transformatora można łączyć w gwiazdę (Y)

lub w trójkąt (D), a po stronie wtórnej w gwiazdę (y), trójkąt (d) lub zygzak (z), więc biorąc
pod uwagę różne możliwe kombinacje, rozróżnia się następujące układy połączeń
transformatora trójfazowego: Yy, Yd, Dy, Dd, Yz, Dz.

Grupa połączeń transformatora trójfazowego obejmuje układ połączeń oraz przesunięcie

godzinowe.

Przesunięcie godzinowe określa kąt przesunięcia między dwoma dowolnymi, ale

odpowiednimi napięciami, strony pierwotnej i wtórnej (licząc zgodnie z ruchem wskazówek
zegara od górnego do dolnego napięcia). Przyjmuje się, że jedna godzina 1h = 30

o

.

W zależności od zastosowanego układu połączeń między napięciami

międzyprzewodowymi strony pierwotnej i wtórnej, mogą występować różne przesunięcia
godzinowe, a więc różne grupy połączeń transformatorów.

Rys. 8. Zasada wyznaczania przesunięcia godzinowego w układzie Yd11 [w oparciu o 5]

W praktyce najczęściej spotyka się grupy połączeń o przesunięciach godzinowych:

− 11 ( Dy 11, Yz 11, Yd 11),

− 5 (Yd 5, Dy 5),
− 0 (Yy 0).

2A 2B 2C

2A1 2B1 2C1

2A3 2B3 2C3

2A2 2B2 2C2

2A4 2B4

2C4

2A

2A1

2C3 2B4 2A3
2C1 2B2 2C4
2C 2A2 2C2

2A4

2B3

2B1 2B

a b c

2A1

2B1 2C1

2A2

2B2 2C2

A B C

1A2 1B2 1C2

1A1 1B1 1C1

2A

U2A2B

U2C2A

2B

U2B2C

2C

1A

U1A

U1B

1B

U1C

1C

U1A1B

U2A2B


U1A1B

11h

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Przekładnią znamionową transformatora trójfazowego nazywamy stosunek wartości

skutecznych znamionowych napięć międzyprzewodowych strony górnego i dolnego napięcia
transformatora.

DN

GN

UN

U

U

n

=

Sposób wyrażenia przekładni znamionowej (napięciowej) za pośrednictwem przekładni

zwojowej przedstawia tabela 1.

Tab. 1. Przekładnia transformatora trójfazowego w różnych układach połączeń [1]

Lp. Układ połączeń Zależność między przekładnią napięciową a zwojową

1 Yy

z

D

G

DfN

GfN

DN

GN

UN

3

3

n

N

N

U

U

U

U

n

=

≈

=

=

2 Yd

z

D

G

DfN

GfN

DN

GN

UN

3

3

3

n

N

N

U

U

U

U

n

=

≈

=

=

3 Dy

z

D

G

DfN

GfN

DN

GN

UN

3

3

3

3

3

n

N

N

U

U

U

U

n

=

≈

=

=

4 Dd

z

D

G

Df

GfN

DN

GN

UN

n

N

N

U

U

U

U

n

N

=

≈

=

=

5 Yz

z

D

G

DfN

GfN

DN

GN

UN

3

3

2

3

3

2

2

3

3

n

N

N

U

U

U

U

n

=

≈

=

=

6 Dz

z

D

G

DfN

GfN

DN

GN

UN

3

2

3

2

2

3

n

N

N

U

U

U

U

n

=

≈

=

=

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń:
1. W jaki sposób można łączyć uzwojenia po stronie pierwotnej transformatora

trójfazowego?

2. W jaki sposób można łączyć uzwojenia po stronie wtórnej transformatora trójfazowego?
3. Co oznaczają symbole: Yd, Yz, Dy, Dd, Dz, Yy podawane na tabliczkach znamionowych

transformatorów?

4. Co to jest przekładnia znamionowa transformatora trójfazowego?
5. W jaki sposób wyznacza się przekładnię transformatora w układach Yd i Dy?
6. Co rozumiesz przez określenie „przesunięcie godzinowe”?
7. Jak graficznie wyznacza się „przesunięcie godzinowe”?
8. Co to jest „grupa połączeń” transformatora trójfazowego?
9. Od czego zależy wybór „grupy połączeń” transformatora?
10. Jakie „grupy połączeń” transformatorów stosuje się najczęściej i jakie są tego przyczyny?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Narysuj cztery różne kombinacje układów Dy i w każdym z nich określ przesunięcie

godzinowe.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) narysować układy Dy, wykorzystując fakt, że zarówno gwiazda jak i trójkąt mogą być

łączone na różne sposoby,

2) w każdym przypadku narysować wykresy wektorowe pamiętając o właściwym

oznaczaniu wektorów,

3) określić przesunięcia godzinowe,
4) wyciągnąć wnioski i przedstawić wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory kreślarskie, zeszyt do ćwiczeń.

Uwaga: Uczniowie pracując indywidualnie mogą określać grupę połączeń różnych układów.

Ćwiczenie 2

Wyznacz grupę połączeń w układzie przedstawionym na rys. 9.

Rys. 9. Układ Yz

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) narysować wykres wektorowy właściwy dla strony pierwotnej,
2) narysować wykres wektorowy właściwy dla strony wtórnej,
3) wybrać dwa dowolne odpowiednie napięcia (na przykład U

AB

i U

ab

),

4) określić przesunięcie godzinowe,
5) wyciągnąć wnioski i zaprezentować wyniki konstrukcji.

a b c

2A1 2B1 2C1

2A3 2B3 2C3

2A2 2B2 2C2

2A4 2B4

2C4

A B C

1A2 1B2 1C2

1A1 1B1 1C1

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory kreślarskie,

−

zeszyt do ćwiczeń.

Ćwiczenie 3

Liczba zwojów fazowych uzwojenia GN transformatora trójfazowego N

1

= 900 zwojów,

a uzwojenia DN N

2

= 515 zwojów. Oblicz przekładnię tego transformatora dla układów

połączeń Yd, Yz i Dy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wyprowadzić wzory na przekładnie znamionowe dla podanych układów w zależności od

liczby zwojów,

2) obliczyć i porównać uzyskane przekładnie,
3) wyciągnąć wnioski i zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zeszyt do ćwiczeń, długopis.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) podać oznaczenia końcówek uzwojeń w transformatorach?

…

…

2) skojarzyć uzwojenia transformatora w gwiazdę, trójkąt lub zygzak?

…

…

3) narysować różne kombinacje układów Yd, Yy, Dd, Dy, Yz, Dz

transformatora?

…

…

4) wyznaczyć przekładnię w różnych układach połączeń transformatora?

…

…

5) wyznaczyć grupę połączeń transformatora trójfazowego?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

4.3. Transformowanie napięć i prądów w układzie trójfazowym.

Obciążenie niesymetryczne

4.3.1. Materiał nauczania

W elektroenergetyce (przy wytwarzaniu, przesyłaniu, transformowaniu i rozdzielaniu

energii elektrycznej) wykorzystuje się trójfazowe układy napięć.

Symetryczny układ napięć (prądów) to zespół trzech napięć (prądów) o jednakowych

amplitudach przesuniętych wzajemnie o kąt

3

2

π

.

W stanie ustalonym transformator trójfazowy, zasilony symetrycznym układem napięć

i obciążony odbiornikiem trójfazowym symetrycznym, charakteryzuje się jednakowymi
przebiegami prądów i napięć we wszystkich trzech fazach (przebiegi te są przesunięte

względem siebie o kąt

3

2

π

).

Moc znamionowa transformatora trójfazowego określona jest wzorem:

fN

fN

N

N

N

3

3

I

U

I

U

S

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

Jeśli w rdzeniu transformatora trójfazowego zachodzić będzie magnesowanie swobodne

(będą wszystkie potrzebne harmoniczne prądu magnesującego), to strumień magnetyczny
będzie sinusoidalnie zmienny, a więc również napięcie będzie sinusoidalnie zmienne. Taki
przypadek występuje, gdy uzwojenie pierwotne jest połączone w gwiazdę z przewodem
neutralnym lub w trójkąt.

W przypadku gdy uzwojenia strony pierwotnej połączone są w gwiazdę bez przewodu

neutralnego, trzecia harmoniczna prądu magnesującego nie ma gdzie płynąć i w efekcie ulega
odkształceniu krzywa strumienia magnetycznego i napięcie indukowane po stronie wtórnej.

Jeżeli, w przypadku odkształcenia strumienia magnetycznego, strona wtórna będzie

połączona w trójkąt, to siły elektromotoryczne indukowane przez trzecią harmoniczną pola
powodują przepływ trzeciej harmonicznej prądu wtórnego, która wytłumia zniekształcenie
strumienia.

Wniosek:

Jeśli strumień magnetyczny będzie odkształcony od sinusoidy, to również napięcie będzie

odkształcone. Dla prawidłowej transformacji napięć należy więc tak skonfigurować układ
połączeń, aby jedno z uzwojeń transformatora było połączone w trójkąt lub gwiazdę
z przewodem neutralnym.

W układach trójfazowych, oprócz obciążenia trójfazowego symetrycznego, może

wystąpić obciążenie niesymetryczne (jedno- lub dwufazowe). Obciążenie jednofazowe
możliwe jest tylko w układach z wyprowadzonym po stronie wtórnej przewodem neutralnym.

Nie wszystkie układy połączeń nadają się do pracy przy niesymetrycznych obciążeniach,

gdyż nie w każdym układzie następuje kompensacja amperozwojów pierwotnych i wtórnych,
co jest warunkiem prawidłowej pracy transformatora. Najbardziej niekorzystna praca przy
obciążeniu niesymetrycznym występuje w układzie Yy, a najbardziej wskazanym układem
w takich przypadkach jest układ Dy i Yz.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. W jaki sposób należy połączyć uzwojenia w transformatorze trójfazowym po stronie

pierwotnej, aby przy połączeniu po stronie wtórnej w gwiazdę z przewodem neutralnym
napięcie nie było odkształcone od sinusoidy? (odpowiedź uzasadnij).

2. Jaki jest wzór na moc znamionową transformatora trójfazowego?
3. Jakie parametry decydują o doborze transformatora do odbiornika energii elektrycznej?
4. Jakie układy połączeń transformatora nadają się do obciążenia niesymetrycznego?
5. Dlaczego w układzie Yy wskazany jest dobór odbiornika symetrycznego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dobierz transformator trójfazowy do zasilania budynku pieczarkarni o mocy

przyłączeniowej 90 kW, współczynniku mocy cosφ = 0,9 oraz napięciu znamionowym
odbiorników 230 i 400 V. Do zasilania stacji transformatorowej należy wykorzystać istniejącą
linię napowietrzną 15 kV.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) obliczyć moc pozorną znamionową obciążenia,
2) obliczyć obciążenie szczytowe S

szcz.

,

3) wyznaczyć moc transformatora przyjmując S

T

≥ S

szcz.

,

4) dobrać transformator z katalogów uwzględniając wartości napięć znamionowych,
5) zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

katalogi transformatorów trójfazowych,

−

kalkulator, zeszyt ćwiczeń.

Ćwiczenie 2

Wyszukując informacje w podręczniku i różnych innych źródłach, przygotuj prezentację

na temat: „Jakie czynniki decydują o zastosowaniu określonej grupy połączeń?”.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wyszukać informacje na temat wad i zalet różnych układów połączeń,
2) porównać koszt budowy różnych uzwojeń transformatora,
3) porównać wpływ trzeciej harmonicznej prądu magnesującego na odkształcenie napięcia

wtórnego transformatorów,

4) przeanalizować wpływ asymetrycznego obciążenia na pracę transformatorów przy

różnych układach połączeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zeszyt do ćwiczeń,

−

stanowisko z dostępem do Internetu, literatura techniczna, podręczniki.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dobrać transformator trójfazowy do określonego zadania?

…

…

2) podać wzór na moc znamionową transformatora trójfazowego?

…

…

3) obliczyć moc znamionową transformatora trójfazowego?

…

…

4) wyjaśnić znaczenie trzeciej harmonicznej prądu magnesującego?

…

…

5) wskazać układy połączeń nadające się do pracy przy obciążeniu

niesymetrycznym?

…

…

6) wskazać układy nadające się do pracy przy obciążeniu

symetrycznym?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

4.4. Praca równoległa transformatorów trójfazowych

4.4.1. Materiał nauczania

Praca równoległa transformatorów stosowana jest z różnych względów techniczno-

ruchowych, m. in. ze względu na potrzebę zwiększenia mocy transformowanej, dopasowanie
pod względem ekonomicznym mocy pracujących transformatorów do zapotrzebowania
odbiorców, możliwość wyłączenia części transformatorów z pracy w celu dokonania
zabiegów konserwacyjno-remontowych.

Rys. 10. Schemat dwóch transformatorów połączonych równolegle [5]

Transformatory współpracujące równolegle mają uzwojenia pierwotne przyłączone do

wspólnych szyn sieci zasilającej, a uzwojenia wtórne do wspólnych szyn sieci odbiorczej
(rys. 10).

Praca równoległa transformatorów jest poprawna, jeżeli w obwodach wtórnych tych

transformatorów, w stanie jałowym, nie popłyną żadne prądy wyrównawcze, jeżeli
transformatory obciążają się proporcjonalnie do swoich mocy znamionowych oraz jeżeli
odpowiednie prądy poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie.

Aby transformatory mogły ze sobą prawidłowo pracować równolegle, muszą być

spełnione następujące warunki:
1. Przekładnie znamionowe powinny być jednakowe (najlepiej przy jednakowych napięciach

znamionowych pierwotnych i wtórnych) – tolerancja ± 0,5 %.

2. Napięcia zwarcia powinny być zbliżone – tolerancja ±10 %.
3. Stosunek mocy znamionowych nie może przekroczyć wartości 1: 3 lub 3: 1.
4. Przesunięcia godzinowe przyłączanych transformatorów muszą być bezwzględnie

jednakowe.

Przy ustalaniu łącznej mocy współpracujących równolegle transformatorów o takich

samych napięciach zwarcia, przyjmuje się, że ich moce znamionowe dodaje się algebraicznie:

S

= S

I

N

+ S

II

N

gdzie: S

I

N

− moc znamionowa pierwszego transformatora,

S

II

N

− moc znamionowa drugiego transformatora.

L1
L2
L3

L1
L2
L3
N

zasilanie

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

Jeżeli procentowe napięcia zwarcia nie są jednakowe to bardziej będzie się obciążał

transformator o mniejszym napięciu zwarcia i on pierwszy osiągnie swoją moc znamionową.
Wtedy transformator drugi (o większym napięciu zwarcia) obciąży się mocą:

II

Z%

I

Z%

II

N

II

u

u

S

S

=

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń:
1. Jaką pracę transformatorów nazywamy równoległą?
2. Jaki jest cel stosowania pracy równoległej transformatorów?
3. Kiedy współpracę równoległą transformatorów uważa się za poprawną?
4. Co to są prądy wyrównawcze?
5. Jak brzmią warunki pracy równoległej transformatorów?
6. W jaki sposób można skontrolować właściwe połączenie transformatorów do pracy

równoległej?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zbadać możliwość współpracy równoległej dwóch transformatorów o następujących

danych:
1) S

N1

= 160 kVA, 15750±5% / 400 V, Yz5, u

z1%

= 4,55%,

2) S

N2

= 250 kVA, 15750±5% / 400 V, Yz5, u

z2%

= 4,95%.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) sprawdzić każdy warunek współpracy równoległej transformatorów i w tym celu

powinieneś:

a) określić grupę połączeń każdego z transformatorów,
b) obliczyć średnie napięcie zwarcia tych transformatorów,
c) obliczyć odchyłkę napięcia zwarcia każdego z transformatorów,
d) zbadać możliwość współpracy z punktu widzenia mocy znamionowych,

2) zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

zeszyt, długopis.

Ćwiczenie 2

Dokonaj analizy pracy równoległej dwóch transformatorów trójfazowych na podstawie

wyników pomiarów przeprowadzonych w układzie z rys. 11.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

Rys. 11. Schemat połączeń przy badaniu pracy równoległej transformatorów

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) sprawdzić dane znamionowe obu transformatorów pod kątem ewentualnej współpracy

równoległej,

2) wyznaczyć przekładnie i napięcia zwarcia obu transformatorów,
3) połączyć układ do pracy równoległej według załączonego schematu (rys. 11):

a) wyłączniki W1,W2 i W3 są otwarte,
b) załączyć uzwojenia pierwotne transformatorów do sieci,
c) sprawdzić wskazania woltomierzy (jeżeli woltomierze V1 i V2 wskazują zero, to

można zamknąć W2),

d) sprawdzić, czy w obwodach wtórnych obu transformatorów, w stanie jałowym, nie

płyną żadne prądy wyrównawcze (sprawdzić wskazania amperomierzy w stanie
jałowym transformatorów i wyciągnąć wnioski),

e) w celu obciążenia transformatorów zamknąć W3,
f) zwiększając stopniowo obciążenie, wykonać 6 pomiarów odczytując wskazania

poszczególnych amperomierzy,

g) transformatory obciążać do osiągnięcia natężenia prądu znamionowego jednego

z transformatorów,

h) wyniki pomiarów zapisać w tabeli.

Lp.

I

[A]

I

1

[A]

I

2

[A]

4) na podstawie pomiarów wykreślić krzywe I

I

= f(I) oraz I

II

= f(I),

5) zachować szczególne zasady bhp podczas wykonywania pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dwa transformatory trójfazowe (najlepiej o zbliżonych wartościach napięć zwarcia),

−

instrukcja do ćwiczenia,

−

mierniki (woltomierze, amperomierze),

−

przewody łączeniowe

−

zeszyt do ćwiczeń.

A

V

1

V

2

A

1

A

2

1A 1B 1C 1A 1B 1C W1

Tr I Tr II

W2

W3

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) podać cel stosowania pracy równoległej transformatorów?

…

…

2) wymienić i scharakteryzować warunki pracy równoległej?

…

…

3) sprawdzić, czy transformatory nadają się do pracy równoległej

…

…

4) połączyć układ w celu umożliwienia pracy równoległej

transformatorów?

…

…

5) dokonać analizy pracy równoległej na podstawie wyników

pomiarów?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

4.5. Regulacja napięcia w transformatorze

4.5.1. Materiał nauczania

Powszechnie stosowanym sposobem regulacji napięcia w sieciach elektroenergetycznych

jest zmiana przekładni transformatorów. Każdy transformator energetyczny wyposażony jest
w kilka zaczepów, na przykład „+5%”, czy „–10%”. Zaczepy te odpowiadają procentowym
zmianom liczby zwojów w stosunku do przekładni znamionowej transformatora. Ze względu
na dużą wartość prądu zaczepy umieszczone są zwykle po stronie wysokiego napięcia.

Znając liczbę zwojów oraz układ połączeń transformatora, można obliczać dowolne

wartości napięć w transformatorach.

Na przykład w układzie połączeń Yd przekładnia transformatora wynosi:

2

1

2

1

3

N

N

U

U

N

N

=

.

Korzystając z tej zależności można obliczyć na przykład napięcie U

1(+5%)

przy położeniu

przełącznika zaczepów w pozycji „+5%”:

U

1(+5% )

= U

1

+ 0,05 · U

1

= 1,05· U

1

, a następnie:

U

2

= U

1(+5%)

N

2

:

3 N

1

.

Rozróżnia się dwa rodzaje regulacji napięcia w transformatorach:

− regulacją w stanie beznapięciowym

− regulacją pod obciążeniem.

Transformatory regulowane w stanie beznapięciowym mają przełącznik, którym

manipuluje się ręcznie, po odłączeniu transformatora od sieci zasilającej (rys. 12).

Rys. 12. Zmiana przekładni transformatora [2]

Zaczep zerowy „0” odpowiada wartości znamionowej napięcia. Na zaczepie +5% liczba

zwojów jest większa o 5% od liczby zwojów na zaczepie zerowym. Na zaczepie –5% liczba
zwojów jest o 5% mniejsza niż na zaczepie zerowym.

Wadą regulacji w stanie beznapięciowym jest konieczność odłączania transformatora od

sieci na czas przełączania i dlatego metodę taką stosuje się tylko sezonowo albo w razie
konieczności zmiany konfiguracji lub obciążenia szczytowego sieci.

Transformatory z regulacją pod obciążeniem są stosowane na wyższe napięcia, w dużych

stacjach węzłowych. Zmiana zaczepu jest automatyczna, zależnie od zmniejszania się lub
zwiększania napięcia w sieci. Zmiana napięcia jest płynna, a transformator nie jest wyłączony
na czas przełączania spod napięcia (kolejne etapy przełączania zaczepów pokazuje rys. 13.

+5%

0%

-5%

U

1

U

2

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

Rys. 13. Kolejne etapy przełączania zaczepów pod obciążeniem [2]

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Z czego wynika konieczność regulacji napięcia w transformatorze?
2. Jakie znasz sposoby regulacji napięcia w transformatorach?
3. Która z metod regulacji napięcia jest bardziej przydatna w praktyce i dlaczego?
4. Jak zmieni się napięcie po stronie wtórnej transformatora, jeżeli zmniejszymy liczbę

zwojów po stronie pierwotnej?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Transformator trójfazowy ma dane: S

N

= 1000 kVA, U

GN

= 10500 ±5% V, U

DN

= 400 V

grupa połączeń Dy5. Oblicz znamionowe napięcia w stanie jałowym, jeżeli napięcie sieci po
stronie górnego napięcia wynosi 10300 V, a przełącznik zaczepów ustawiony jest w pozycji –
5%.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) obliczyć napięcie U

GN-5%

= U

GN

– 0,05U

GN

,

2) obliczyć przekładnię U

GN-5%

/ U

DN

,

3) obliczyć napięcie w stanie jałowym po stronie wtórnej, jeśli napięcie sieci wynosi

10300 V,

4) zaprezentować wyniki swoich obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

zeszyt do ćwiczeń.

Ćwiczenie 2

Oblicz liczby zwojów fazowych oraz prądy znamionowe przewodowe i fazowe na

każdym zaczepie w transformatorze o parametrach: S

N

= 630 kVA, U

GN

/U

DN

= 15750 ±5% /

5200 V, Yd11, e’ = 10 V/zw.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) podać wzór na moc S

N

transformatora i przekształcając go wyznaczyć wzór na prąd

znamionowy,

2) obliczyć znamionowy prąd przewodowy na każdym zaczepie, zwracając uwagę na sposób

skojarzenia uzwojeń,

3) obliczyć znamionowe napięcie fazowe transformatora, a następnie liczbę zwojów

wykorzystując związek liczby zwojów z napięciem zwojowym.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

zeszyt do ćwiczeń.

Ćwiczenie 3

Transformator jednofazowy 230V/12V ma liczbę zwojów pierwotnych N

1

= 3500 zw.

Oblicz liczbę zwojów dwóch części uzwojenia wtórnego tak, aby na wyjściu transformatora
uzyskać napięcia 3V, 5V i 8V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pracować samodzielnie mając 10 minut na wykonanie zadania,
2) narysować schemat budowy transformatora z odczepami po stronie wtórnej,
3) rozwiązanie zadania uzasadnić odpowiednimi wzorami i obliczeniami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

zeszyt do ćwiczeń.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) uzasadnić potrzebę regulacji napięcia w transformatorach?

…

…

2) omówić metody regulacji napięcia w transformatorach?

…

…

3) porównać różne sposoby regulacji pod kątem wad i zalet?

…

…

4) dokonać analizy działania transformatora przy różnym ustawieniu

przełącznika zaczepów?

…

…

5) obliczyć napięcia i prądy znamionowe przy różnym ustawieniu

przełącznika zaczepów?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

4.6. Straty mocy i sprawność w transformatorze

4.6.1. Materiał nauczania

W transformatorach występują następując straty mocy:

∑

Δ

+

Δ

+

Δ

=

Δ

iz

cu

e

F

P

P

P

P

,

a) straty mocy w rdzeniu (Δ P

Fe

),

b) straty mocy w uzwojeniach (ΔP

Cu

),

c) straty dielektryczne (ΔP

iz

).

ad a) Straty mocy w rdzeniu (żelazie) nazywa się również stratami jałowymi.

ΔP

Fe

≈ ΔP

o

.

Wartość tych strat wyznaczyć można podczas próby stanu jałowego (rys. 2).
Straty w rdzeniu spowodowane są pętlą histerezy oraz prądami wirowymi, dzielą się
więc na straty histerezowe (ΔP

h

) oraz straty wiroprądowe (ΔP

w

):

ΔP

Fe

= ΔP

h

+ ΔP

w

,

ΔP

h

= c

h

fB

2

,

ΔP

w

= c

w

f

2

B

2

; gdzie: f – częstotliwość, B – indukcja magnetyczna.

ad b) Straty w uzwojeniach (w miedzi) są proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu

w uzwojeniach. Zależą od prądu obciążenia, więc nazywa się je stratami
obciążeniowymi lub zmiennymi.
Przyjmuje się, że straty te równe są stratom mocy w uzwojeniach przy znamionowym
prądzie obciążenia. Wyznacza się je więc podczas próby zwarcia pomiarowego (rys. 3).
ΔP

CuN

= mR

z

I

N

2

; gdzie m liczba faz, R

z

– rezystancja zwarciowa,

ΔP

CuN

= ΔP

z

.

ad c) Straty dielektryczne są to straty w układach izolacyjnych, nie opisuje się ich wzorem,

ale można stwierdzić, że wartość tych strat rośnie ze wzrostem mocy transformatora.

Sprawność transformatora jest to stosunek mocy czynnej oddanej przez transformator (P)

do mocy czynnej pobranej przez transformator (P

in

):

in

P

P

=

η

lub

%

100

⋅

=

in

P

P

η

P < P

in

P = P

in

– ∑ΔP

2

2

2

cos

ϕ

U

mI

P

=

P

U

mI

P

in

ΣΔ

+

=

2

2

2

cos

ϕ

e

F

z

P

I

n

R

U

mI

U

mI

Δ

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

cos

cos

ϕ

ϕ

η

.

Z równania wynika, że sprawność zależy od obciążenia.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

Dla stałej wartości napięcia wtórnego oraz cosφ

2

= const maksymalna wartość sprawności

transformatora występuje, gdy: Δ P

Fe

= ΔP

Cu

Cu

Fe

N

P

P

S

S

Δ

Δ

=

max)

(

2

η

.

Transformator zbudowany jest zwykle tak, że maksymalna sprawność występuje przy

obciążeniu wynoszącym około 70% obciążenia znamionowego.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak wyjaśnić przyczyny strat w rdzeniu transformatora?
2. W jaki sposób można wpływać na zmniejszenie strat mocy w rdzeniu?
3. Dlaczego straty w żelazie nazywa się też stratami jałowymi?
4. Od czego zależą straty mocy w uzwojeniach transformatora?
5. Podczas jakiej próby wyznacza się straty w uzwojeniach?
6. W jaki sposób doświadczalnie można wyznaczyć straty w rdzeniu transformatora?
7. W jaki sposób można doświadczalnie wyznaczyć straty w uzwojeniach transformatora?
8. Co to jest sprawność transformatora?
9. Dlaczego sprawność nie jest wielkością stałą?
10. Jaki jest przebieg sprawności przy zmianach obciążenia?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Transformator trójfazowy ma dane znamionowe:

S

N

= 200 kVA, n

UN

= 10,5/0,4 kV f

N

= 50 Hz, ΔP

oN

= 380 W, ΔP

zN

= 830 W. Oblicz

sprawność tego transformatora, jeżeli jest on obciążony prądem znamionowym przy
współczynniku mocy cosφ = 0,8

ind

.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) obliczyć znamionowy prąd strony wtórnej,
2) obliczyć moc czynną oddaną przez transformator,
3) obliczyć moc czynną pobraną przez transformator,
4) określić sprawność transformatora.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator, zeszyt do ćwiczeń, długopis.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiary strat mocy w żelazie i w miedzi oraz wyznacz sprawność

transformatora w warunkach pracy znamionowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z danymi znamionowymi badanego transformatora,
2) dobrać przyrządy pomiarowe zwracając szczególną uwagę na zakresy pomiarowe,
3) zaproponować układy pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań (wykorzystać

schematy do przeprowadzenia próby biegu jałowego, próby zwarcia i obciążenia),

4) po akceptacji prowadzącego połączyć układy pomiarowe,
5) wykonać niezbędne pomiary i obliczenia,
6) sporządzić zestawienie wyników,
7) zaprezentować wyniki swojej pracy,
8) zastosować zasady bhp podczas montażu układu i pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

transformator jednofazowy,

−

autotransformator,

−

amperomierze,

−

woltomierze,

−

watomierze,

−

kalkulator zeszyt do ćwiczeń.

Uwaga: Minimalny czas na zaprojektowanie i wykonanie oraz zaprezentowanie wyników

wynosi 60 minut.

Ćwiczenie 3

Uzasadnij, dlaczego sprawność transformatora nie jest wielkością stałą. Wyjaśnij, jak

zmienia się sprawność przy zmianach prądu obciążenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) na podstawie dostępnej literatury oraz wyników pomiarów uzyskanych podczas ćwiczeń

wykonywanych w tej jednostce modułowej wyjaśnić, od czego zależy sprawność
transformatora,

2) narysować wykres sprawności i omówić jego przebieg.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

podręcznik z maszyn elektrycznych,

−

sprawozdania z przeprowadzonych dotychczas ćwiczeń.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić, co oznaczają symbole Δ P

Fe,

ΔP

Cu

oraz ΔP

iz

?

…

…

2) wyjaśnić przyczyny strat w rdzeniu?

…

…

3) wyjaśnić przyczyny strat w uzwojeniach?

…

…

4) określić sprawność transformatora?

…

…

5) narysować i objaśnić wykres sprawności transformatora?

…

…

6) dokonać pomiaru strat mocy w transformatorze?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

4.7. Transformatory specjalne: transformator trójuzwojeniowy,
autotransformator, przekładnik prądowy i napięciowy,

transformator spawalniczy, transformator bezpieczeństwa,
sterowania i sygnalizacji

4.7.1.Materiał nauczania

Transformator trójuzwojeniowy (rys. 14) to transformator trójfazowy, który dla każdej

fazy ma uzwojenie górnego (GN), średniego (SN) i dolnego napięcia (DN). Transformator
taki znajduje zastosowanie w elektrowniach, gdzie jedno z uzwojeń wtórnych zasila sieć
potrzeb własnych elektrowni, w dużych zakładach przemysłowych, a przede wszystkim
w stacjach sprzęgających sieci o trzech różnych napięciach znamionowych.

Rys. 14.

Schemat transformatora trójuzwojeniowego w układzie Yyd [1]

Autotransformator (transformator jednouzwojeniowy) jest odmianą transformatora,

w którym uzwojenie dolnego napięcia stanowi część uzwojenia górnego napięcia (rys. 15).

Rys. 15.

Schemat połączeń autotransformatora [źródło własne]

I = I

2

–

I

1

–

prąd we wspólnej części autotransformatora

Autotransformatory wykonuje się jako urządzenia o stałej lub zmiennej (za pomocą

odczepów lub suwaka) liczbie zwojów uzwojenia wtórnego.

1

2

10

20

N

N

U

U

=

– zależność między napięciami U

1

i U

2

w stanie jałowym,

2

2

2

1

1

1

I

U

S

I

U

S

S

P

=

≈

=

=

– moc przechodnia, czyli moc pozorna przekazywana ze

strony pierwotnej na stronę wtórną,

I

U

S

W

2

=

– moc własna autotransformatora,

110kV

6kV

15kV

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

n

n

S

n

n

I

U

S

P

W

1

1

2

2

−

=

−

=

– zależność między mocą własną a mocą przechodnią.

Wadą autotransformatora jest to, że dzięki galwanicznemu połączeniu obu uzwojeń

wszelkie zaburzenia mogą przenosić się ze strony pierwotnej na wtórną. Może to stanowić
niebezpieczeństwo dla odbiorców i obsługi tego urządzenia.

Przekładniki napięciowe i prądowe – to transformatory specjalne, które zasilają

przyrządy zabezpieczające, odizolowują obwody pomiarowe i zabezpieczające od obwodu
wysokiego napięcia, zmieniają zakresy pomiarowe mierników prądu przemiennego.

Rys. 16.

Schemat przekładnika: a) prądowego, b) napięciowego [źródło własne]

Przekładniki prądowe mają uzwojenia pierwotne zasilane prądem odbiorników, a do

uzwojenia wtórnego włączone są szeregowo amperomierze, cewki prądowe watomierzy
i liczników lub wyzwalacze i przekaźniki. Znamionowy prąd wtórny wynosi zwykle 5 A
(czasem 1 A). Przekładnik taki pracuje w warunkach zbliżonych do stanu zwarcia
pomiarowego transformatora energetycznego i można przyjąć, że:

1

2

2

1

N

N

I

I =

.

Uzwojenie wtórne przekładnika prądowego powinno być zwarte miernikiem lub –

w przypadku odłączenia miernika – przewodem. Jeżeli obwód wtórny pozostaje otwarty, to
prąd jałowy jest roboczym prądem pierwotnym, co powoduje nadmierne nagrzewanie rdzenia
i niebezpieczny wzrost napięcia wtórnego.

Przekładniki napięciowe mają uzwojenia pierwotne przyłączone do mierzonego napięcia,

a do uzwojenia wtórnego przyłączone są równolegle woltomierze, cewki napięciowe
watomierzy i liczników. Znamionowe napięcia strony pierwotnej są znormalizowane tak jak
w sieci), a znamionowe napięcie strony wtórnej wynosi zwykle 100 V.

Przekładnik napięciowy pracuje w warunkach zbliżonych do stanu jałowego

transformatora i można przyjąć, że:

2

1

2

1

N

N

U

U =

.

Transformator spawalniczy musi zapewnić ciągłość palenia się łuku elektrycznego

między elektrodą spawalniczą a metalem, uniemożliwić przepływ prądu o dużej wartości
w przypadku zwarcia elektrod, a także musi być dostosowany do regulacji wartości prądu
spawania. Regulację prądu uzyskuje się albo przez zmianę liczby zwojów uzwojenia (rys. 17),
albo przez zmianę długości szczeliny powietrznej rdzenia transformatora.

Rys. 17.

Zasada budowy transformatora spawalniczego [5]

S1
P1

S2

A

V

A a




B

P2

b

a)

b)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

Transformatory bezpieczeństwa są to transformatory o napięciu strony wtórnej nie

większym niż napięcie uznawane za bezpieczne w określonych warunkach środowiskowych
(np. transformator o przekładni 230/24V). Wykorzystywane są najczęściej do zasilania
odbiorników elektrycznych w miejscach o dużym zagrożeniu porażeniem prądem elektrycznym
oraz w miejscach, co do których wymagają tego przepisy. Stosowane są na przykład do
zasilania lamp przenośnych i halogenowych oraz do zasilania instalacji oświetleniowej w
miejscach mokrych i wilgotnych. Transformatory bezpieczeństwa umieszczone są w trwałej
obudowie, oddzielonej od wnętrza podwójną izolacją.

Specjalnymi właściwościami odznaczają się też transformatory stosowane w układach

sterowania i sygnalizacji. Są to urządzenia o bardzo małych napięciach zwarcia, przy
odciążaniu obwodu odbiorczego, napięcie wyjściowe ulega tylko nieznacznym zmianom.
Zastosowanie takich transformatorów zdecydowanie zmniejsza wpływ prądów płynących w
obwodach głównych na obwody sterowania i sygnalizacji.

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie zastosowanie mają transformatory trójuzwojeniowe?
2. Do czego służą autotransformatory?
3. Czym różnią się autotransformatory od zwykłych transformatorów dwuuzwojeniowych?
4. Jakie parametry znamionowe charakteryzują autotransformatory?
5. Co to są przekładniki i do czego służą?
6. Jakim wymaganiom muszą sprostać transformatory spawalnicze?
7. Co oznacza symbol podawany na niektórych transformatorach?
8. Czym różnią się transformatory bezpieczeństwa od zwykłych transformatorów

dwuuzwojeniowych?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dobierz transformator do zasilania trzech lamp halogenowych o mocy P = 35W każda

lampa i U

N

= 12V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) obliczyć łączną moc pobieraną przez halogeny,
2) dobrać z katalogu odpowiedni transformator,
3) zaprezentować wyniki pracy mając 15 minut na wykonanie zadania.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

katalogi transformatorów halogenowych,

−

kalkulator,

−

zeszyt ćwiczeń,

−

długopis.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

R

obc

~U

V

A

1

W

A

2

Ćwiczenie 2

Dokonaj pomiaru prądu, napięcia i mocy z wykorzystaniem przekładnika prądowego,

zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 18.

Rys. 18.

Schemat układu do pomiarów z użyciem przekładnika prądowego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykonać pomiary mocy czynnej pobieranej przez różne odbiorniki energii elektrycznej

przy napięciu znamionowym,

2) porównać moc zmierzoną z mocą znamionową odbiorników,
3) na podstawie wskazań amperomierzy wyznaczyć przekładnię znamionową przekładnika,
4) wyniki porównać z danymi znamionowymi przekładnika,
5) zastosować zasady bhp podczas montażu układu i podczas pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

3 odbiorniki wskazane przez nauczyciela,

−

przekładnik prądowy laboratoryjny,

−

amperomierze,

−

watomierz,

−

woltomierz.

Ćwiczenie 3

Dany jest transformator o II klasie ochronności. Dobierz do niego odpowiednią lampę,

podłącz ją do obwodu wtórnego tego transformatora, podłącz transformator do sieci,
a następnie dokonaj pomiarów prądu i napięcia w obwodzie lampy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z danymi znamionowymi transformatora,
2) spośród dostępnych na stanowisku lamp wybrać właściwą, zwracając szczególną uwagę

na moc i napięcie znamionowe,

3) zaproponować układ pomiarowy i po akceptacji prowadzącego podłączyć lampę do

transformatora,

4) wykonać niezbędne pomiary,
5) zaprezentować wyniki pracy,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

6) zachować szczególne bezpieczeństwo podczas montażu układu i pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

pudełko z różnymi rodzajami lamp,

−

transformator bezpieczeństwa,

−

katalog transformatorów bezpieczeństwa,

−

katalogi źródeł światła,

−

amperomierz, woltomierz.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dokonać pomiaru z wykorzystaniem przekładników prądowych?

…

…

2) dokonać pomiaru z wykorzystaniem przekładników napięciowych?

…

…

3) wykorzystać autotransformator do regulacji napięcia?

…

…

4) dobrać transformator bezpieczeństwa do określonego zadania?

…

…

5) scharakteryzować działanie transformatora spawalniczego?

…

…

6) skorzystać z katalogów przy doborze transformatorów specjalnych?

…

…

7) zastosować zasady bhp podczas pomiarów z wykorzystaniem

przekładników?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

4.8. Eksploatacja transformatorów. Najczęstsze uszkodzenia

występujące w transformatorach

4.8.1. Materiał nauczania

Eksploatację transformatorów należy prowadzić w oparciu o:

1) przepisy w sprawie szczegółowych zasad eksploatacji sieci elektroenergetycznych,
2) przepisy w sprawie ogólnych zasad eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych,
3) warunki techniczne podane przez wytwórcę,
4) szczegółową instrukcję eksploatacji.

Oględziny transformatorów powinny być wykonywane w terminach określonych

w instrukcji eksploatacji, jednak nie rzadziej niż:
1) raz w czasie zmiany w stacjach ze stałą obsługą,
2) raz w miesiącu w stacjach bez stałej obsługi o górnym napięciu 110 kV i wyższym,
3) nie rzadziej niż raz w roku w stacjach bez stałej obsługi o napięciu górnym niższym niż

110 kV.
Oględziny obejmują między innymi:

1) stan napisów i oznaczeń informacyjno-ostrzegawczych,
2) stan transformatorów i aparatury pomocniczej,
3) działanie przyrządów kontrolno-pomiarowych i rejestrujących,
4) poziom oleju i ewentualne wycieki,
5) stan przejść, ogrodzeń i zamknięć,
6) stan izolatorów.

Przeglądy – ich terminy i zakres wynikają z przeprowadzonych oględzin i oceny stanu

technicznego transformatorów, jednak nie rzadziej niż co 10 lat dla transformatorów o mocy
od 0,1 do 1,6 MVA hermetyzowanych.

Przeglądy transformatorów obejmują głównie:

1) oględziny,
2) pomiary i próby eksploatacyjne,
3) sprawdzenie stanu technicznego transformatorów,
4) sprawdzenie działania rezerwy ruchowej,
5) konserwacje i naprawy.

Podczas przeglądu transformatora wykonuje się między innymi:

1) pomiar rezystancji izolacji i wskaźników R

60

/R

15

,

gdzie: R

60

– rezystancja izolacji po upływie 60s od chwili włączenia napięcia,

R

15

– rezystancja izolacji po upływie 15s od chwili włączenia napięcia

2) badanie oleju w zakresie:

−

zawartości wody i ciał stałych,

−

rezystywności,

−

napięcia przebicia.

Do najczęstszych objawów uszkodzeń transformatorów energetycznych zaliczyć można:

przeciekanie oleju, intensywne nagrzewanie się, przebicie izolacji uzwojeń, trzaski wewnątrz
kadzi, zadziałanie przekaźnika Buchholza. (informacje na ten temat można odnaleźć w [1]).

W przypadku podejrzenia uszkodzenia transformatora nie wolno utrzymywać go w pracy,

lecz należy bezzwłocznie wyjaśnić przyczyny i usunąć objawy.

Wyjaśnienie przyczyn polega na:

−

oględzinach zewnętrznych,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

−

pomiarach rezystancji izolacji,

−

stwierdzeniu braku przerw w uzwojeniach,

−

sprawdzeniu zabezpieczeń,

−

sprawdzeniu działania zaczepów regulacyjnych,

−

badaniu oleju,

−

pomiarze reaktancji rozproszeniowych.

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co rozumiesz przez określenie eksploatacja transformatorów?
2. Jakie czynności wchodzą w zakres oględzin, a jakie w zakres przeglądów?
3. Na czym polega pomiar rezystancji uzwojeń w transformatorze?
4. Na czym polega pomiar rezystancji izolacji w transformatorze trójfazowym?
5. Jaka powinna być wartość wskaźnika R

60

/R

15

?

6. Jakie przyczyny mogą spowodować przebicie izolacji w transformatorze?
7. O jakim uszkodzeniu mogą świadczyć trzaski wewnątrz transformatora?
8. W jakich przypadkach istnieje konieczność wymiany oleju w transformatorze?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary rezystancji uzwojeń oraz rezystancji izolacji w danym transformatorze

trójfazowym.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykonać pomiary po wyłączeniu transformatora spod napięcia,
2) pomiar rezystancji wykonywać pomiędzy liniowymi zaciskami transformatora:

−

uzwojeń GN – między fazami A – B , A – C, B – C (zalecany mostek Wheatstone’a),

−

uzwojeń DN – między fazami a – 0, b – 0, c – 0 (zalecany mostek Thomsona),

3) ze zmierzonych rezystancji uzwojeń transformatora pomiędzy zaciskami liniowymi po

stronie GN, obliczyć rezystancje faz zależnie od sposobu połączenia uzwojeń,

4) dokonać oceny wyników pomiaru,
5) pomiar rezystancji izolacji wykonać miernikiem izolacji 2500 V,
6) przed przystąpieniem do pomiaru, uziemić badane uzwojenie na czas około 2 minut,
7) odczyty wykonywać po upływie 15 s od chwili włączenia napięcia pomiarowego (R

15

)

i po upływie 60 s (R

60

),

8) W transformatorach dwuuzwojeniowych zmierzyć rezystancję izolacji:

−

uzwojenia GN względem uzwojenia DN i kadzi (rys. 19a),

−

uzwojenia DN względem uzwojenia GN i kadzi (rys. 19b),

−

uzwojenia GN i DN względem kadzi względem kadzi (rys. 19c),

−

uzwojenia GN względem uzwojenia DN (rys. 19d),

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

Rys. 19.

Schematy do pomiaru rezystancji izolacji w transformatorze trójfazowym [3]

9) dokonać oceny wyników pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

transformator trójfazowy,

−

miernik do pomiaru rezystancji izolacji,

−

miernik do pomiaru rezystancji uzwojeń.

Ćwiczenie 2

W danym transformatorze jednofazowym, po zasileniu strony pierwotnej napięciem

znamionowym 230 V, napięcie strony wtórnej, w stanie jałowym wynosi 0. Zlokalizuj
uszkodzenie w tym transformatorze. Zaprezentuj sposób wykrycia usterki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać szczegółowych oględzin transformatora, pod kątem uszkodzeń mechanicznych,
2) w zależności od wyników oględzin oraz objawów uszkodzenia, dokonać niezbędnych

pomiarów,

3) przeprowadzić analizę wyników pomiarów,
4) zaprezentować wyniki pracy, podając lokalizację uszkodzenia,
5) zastosować zasady bhp podczas lokalizacji uszkodzenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

niesprawny transformator jednofazowy,

−

miernik do pomiaru rezystancji uzwojeń,

−

woltomierz.

Ćwiczenie 3

Korzystając z informacji zawartych w podręczniku, poradnikach i różnych innych

źródłach, wyjaśnij, jakie przyczyny mogą wywoływać trzaski wewnątrz transformatora
trójfazowego lub przebicie izolacji. W jaki sposób można wykryć i usunąć tę usterkę?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać analizy możliwych przyczyn wymienionych usterek,
2) znaleźć sposób wykrycia i usunięcia usterki,
3) zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

podręcznik – Goźlińska E.: Maszyny elektryczne,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

−

poradniki elektryka.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie eksploatacji?

…

…

2) wymienić czynności wchodzące w zakres oględzin?

…

…

3) wymienić czynności wchodzące w zakres przeglądów?

…

…

4) przeprowadzić pomiar rezystancji uzwojeń?

…

…

5) przeprowadzić pomiary rezystancji izolacji?

…

…

6) ocenić wyniki pomiarów?

…

…

7) zlokalizować proste usterki transformatorów jednofazowych?

…

…

8) zlokalizować proste usterki transformatorów trójfazowych?

…

…

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję, masz na to około 5 minut.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test składa się z 20 zadań dotyczących dobierania i sprawdzania transformatorów.
5. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 35 minut.
6. Odpowiedzi udzielaj wyłącznie na załączonej karcie odpowiedzi.
7. Wszystkie zadania to zadania wielokrotnego wyboru. Zawierają cztery możliwe

odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Zaznacz poprawną odpowiedź,
zaczerniając właściwe pole w karcie odpowiedzi. Jeśli się pomyliłeś, to otocz błędną
odpowiedź kółkiem i zaznacz nową odpowiedź.

8. Zadania:1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 14, 16, 18, 19, 20 są z poziomu podstawowego,

pozostałe są z poziomu ponad podstawowego. Rozwiązuj najpierw zadania z poziomu
podstawowego.

9. W niektórych zadaniach, udzielenie prawidłowej odpowiedzi wymaga wykonania

pomocniczych obliczeń (możesz wykorzystać kalkulator).

10. Możesz uzyskać maksymalnie 20 punktów.
11. Pamiętaj, że pracujesz samodzielnie.
12. Po zakończeniu testu podnieś rękę i zaczekaj, aż nauczyciel odbierze od Ciebie pracę.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Dobieranie i sprawdzanie transformatorów

1. Transformator przedstawiony na rysunku to transformator:

a) jednofazowy rdzeniowy,
b) jednofazowy płaszczowy,
c) trójfazowy rdzeniowy,
d) trójfazowy płaszczowy.

2. Moc znamionowa transformatora jednofazowego określona jest zależnością:

a)

ϕ

cos

UI

P

=

,

b)

ϕ

cos

3UI

P

=

,

c)

UI

S

=

,

d)

UI

S

3

=

.

3. Zwiększenie obciążenia transformatora spowoduje wzrost strat mocy czynnej:

a) w uzwojeniu wtórnym,
b) w uzwojeniu pierwotnym,
c) w rdzeniu transformatora,
d) w obu uzwojeniach.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

4. Przyczyną odkształcenia prądu magnesującego i

μ

od przebiegu sinusoidalnego jest:

a) pętla histerezy i zjawisko nasycania się obwodu magnetycznego,
b) zbyt duże obciążenie obwodu wtórnego,
c) zbyt małe obciążenie obwodu wtórnego,
d) zjawisko prądów wirowych.

5. Straty w rdzeniu transformatora spowodowane są:

a) prądami wirowymi oraz zakłóceniami radioelektrycznymi,
b) prądami wirowymi oraz źle dobranym obciążeniem,
c) pętlą histerezy oraz źle dobranym obciążeniem,
d) pętlą histerezy oraz prądami wirowymi.

6. Jeden z postulatów poprawnej pracy równoległej transformatorów ma postać:

a) transformatory obciążają się proporcjonalnie do swoich mocy znamionowych,
b) w obwodach wtórnych w stanie jałowym płyną prądy wyrównawcze,
c) w stanie obciążenia prądy wtórne muszą być przesunięte w fazie,
d) stosunek mocy transformatorów powinien być większy niż 3:1.

7. Na podstawie próby zwarcia pomiarowego transformatora można ustalić:

a) straty mocy w rdzeniu,
b) sprawność transformatora,
c) przekładnię znamionową,
d) straty mocy w uzwojeniach.

8. W transformatorze jednofazowym o danych N

1

= 3000 zw, U

1

= 230 V, U

2

= 12 V liczba

zwojów wtórnych wynosi:

a) 157,
b) 58,
c) 300,
d) 158.

9. W przekładniku prądowym prąd I

1

= 500A, prąd I

2

= 5A, N

1

= 2, liczba zwojów wtórnych

wynosi:

a) 2,
b) 20,
c) 200,
d) 2000.

10. Jeżeli w transformatorze trójfazowym S

N

= 630 kVA, U

DN

= 5200V, Yd5 to znamionowy

prąd fazowy strony wtórnej wynosi:

a) 121,2 A,
b) 40,3 A,
c) 69,9 A,
d) 20,2 A.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

11. W układzie połączeń Yz transformatora trójfazowego przekładnia określona jest wzorem:

a)

2

1

3N

N

,

b)

2

1

3

N

N

,

c)

2

1

3

2

N

N

,

d)

2

1

3

2

N

N

.

12. Wyznaczone podczas próby zwarcia pomiarowego napięcie zwarcia wynosi U

Z

= 1800 V.

Jeżeli znamionowe napięcie pierwotne tego transformatora wynosi 30 kV, to procentowe
napięcie zwarcia wynosi:

a) 4%,
b) 5%,
c) 6%,
d) 7%.

13. Jeżeli w pewnym transformatorze napięcie zwojowe (zaindukowane w jednym zwoju

transformatora) e` = 10 V/zw, to strumień magnetyczny w rdzeniu tego transformatora
wynosi:

a) 0,0455 Wb,
b) 0,4550 Wb,
c) 0,0455 T,
d) 0,4550 T.

14. Jeżeli napięcie znamionowe strony pierwotnej transformatora trójfazowego wynosi

15750 V, uzwojenia są skojarzone w gwiazdę, to znamionowe napięcie fazowe tego
transformatora wynosi:

a) 15750 V,
b) 9093 V,
c) 10500 V,
d) 5250 V.

15. W transformatorze trójfazowym o U

GN

/U

DN

= 10500±5%/400 V, przełącznik zaczepów

ustawiono w pozycję +5%. Napięcie w stanie jałowym w tym transformatorze przy
zasilaniu napięciem 10500 V wynosi:

a) 400 V,
b) 381 V,
c) 419 V,
d) 230 V.

16. O zastosowaniu określonej grupy połączeń transformatora decyduje między innymi:

a) moc zapotrzebowana przez odbiorcę,
b) niesymetria obciążenia i koszt budowy,
c) wartość napięcia strony pierwotnej i wtórnej,
d) wartość współczynnika mocy.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

17. W przedstawionym układzie

grupa połączeń transformatora wynosi:

a) Yd1,
b) Dy1,
c) Yd5,
d) Dy7.

18. Moc własna autotransformatora o przekładni

230 / 110 V i prądzie obciążenia 6 A wynosi:

a) 660 VA,
b) 1380 VA,
c) 344 VA,
d) 200 VA.

19. Charakterystyką zewnętrzną transformatora nazywamy:

a) zależność napięcia U

2

na zaciskach uzwojenia wtórnego do prądu obciążenia I

2

,

b) zależność prądu zwarcia I

1Z

od napięcia zwarcia U

1Z

,

c) zależność sprawności od prądu obciążenia I

2

,

d) zależność współczynnika mocy cosφ od napięcia zwarcia U

1Z

.

20. Przyczyną trzasków wewnątrz transformatora energetycznego mogą być:

a) nieszczelne spoiny kadzi,
b) zbyt niski poziom oleju,
c) przepięcia i wyładowania do kadzi,
d) zwarcie między zwojami.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………………………………

Dobieranie i sprawdzanie transformatorów

Zaznacz poprawną odpowiedź

Nr

zadania

Odpowiedź Punkty

1 a b c d

2 a b c d

3 a b c d

4 a b c d

5 a b c d

6 a b c d

7 a b c d

8 a b c d

9 a b c d

10 a b c d

11 a b c d

12 a b c d

13 a b c d

14 a b c d

15 a b c d

16 a b c d

17 a b c d

18 a b c d

19 a b c d

20 a b c d

Razem

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

6. LITERATURA

1. Goźlińska E.: Maszyny elektryczne. WSiP, Warszawa 2001
2. Kotlarski W.: Sieci elektroenergetyczne. WSiP, Warszawa 2002
3. Laskowski J.: Poradnik elektroenergetyka przemysłowego. COSiW SEP, Warszawa 2000
4. Pilawski M.: Pracownia elektryczna. WSiP, Warszawa 1995
5. Stein Z.: Maszyny i napęd elektryczny. WSiP, Warszawa 1999
6. Zakrzewski K., Byczkowska L.: Transformatory i przetworniki elektromechaniczne

prądu stałego. Politechnika Łódzka, Łódź 1993