Elektrotechnika laboratorium
III.2. Badanie transformatora jednofazowego
Instrukcja do badania transformatora jednofazowego
1. Wstęp teoretyczny
Transformator jest urzÄ…dzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany
układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły
wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za
pośrednictwem pola magnetycznego.
Podstawowa właściwością transformatora (wynika to z jego definicji) jest
możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego.
Rys. 1. Zasada działania transformatora.
Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów
-ð ð uzwojenia pierwotnego (zasilanego),
-ð ð uzwojenia wtórnego (odbiorczego),
-ð ð rdzenia ferromagnetycznego, na którym sÄ… umieszczone oba uzwojenia
(w specjalnych zastosowaniach stosuje siÄ™ transformatory bez rdzenia,
tzw. transformatory powietrzne).
Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora,
a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone
elektrycznie, tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń.
Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty
z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje siÄ™
transformatory bez rdzenia.
W zasadzie działaniu transformatora wykorzystano szczególny przypadek
zjawiska indukcji elektromagnetycznej indukowanie napięcia w układzie
nieruchomym.
2. Budowa transformatora jednofazowego
Zasada budowy każdego transformatora jest taka sama: musi on mieć rdzeń
stanowiący obwód magnetyczny oraz dwa obwody elektryczne: uzwojenie górne
i uzwojenie dolne.
1
Elektrotechnika laboratorium
Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem
obwodu magnetycznego (rdzenia).
Są to: transformatory rdzeniowe (Rys. 2a) i transformatory płaszczowe (Rys. 2b).
Części rdzenia, na których są umieszczone uzwojenia nazywamy kolumnami lub
słupami, a części łączące kolumny  jarzmami. Przestrzeń zawartą między kolumna
a jarzmem nazywa siÄ™ oknem W jednofazowym transformatorze rdzeniowym
(Rys. 2a) uzwojenie pierwotne i wtórne są dzielone na połówki i umieszczone na obu
kolumnach, pola przekrojów kolumn i jarzm są wówczas jednakowe.
Rys. 2. Zasada budowy transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego b) płaszczowego
1 kolumny, 2 jarzma
Rdzenie transformatorów wykonuje się z blachy transformatorowej o grubości
0,3 - 0,5mm. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru,
lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Izolacja między blachami ogranicza prądy
wirowe), a tym samym zapobiega nadmiernemu nagrzaniu rdzenia.
3. Strona górna i dolna transformatora
Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, które zasilamy ze z
ródła.
Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik.
Przyjęto zasadę, że:
-ð ð Wszystkie wielkoÅ›ci odnoszÄ…ce siÄ™ do strony pierwotnej (zasilanej) zawsze sÄ…
oznaczane ze wskaz
nikiem 1 i nazywane wielkościami pierwotnymi, np: napięcie
pierwotne U1, prąd pierwotny I1, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N1 itd.
-ð ð Wszystkie wielkoÅ›ci odnoszÄ…ce siÄ™ do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) sÄ…
oznaczane ze wskaz
nikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie
wtórne U2, prąd wtórny I2, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N2 itd.
Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy
transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego,
to taki transformator nazywamy obniżającym.
Z tego względu niezależnie od określeń pierwotne i wtórne stosuje się określenia
górne i dolne. Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym,
a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się górnymi i oznacza
je ze wskaz
nikiem g, np.: napięcie górne Ug, prąd górny Ig, liczba zwojów uzwojenia
górnego Ng itd.
Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, a wszystkie wielkości
odnoszÄ…ce siÄ™ do tego uzwojenia nazywa siÄ™ dolnymi i oznacza je ze wskaz
nikiem d,
np.: napięcie dolne Ud, prąd dolny Id, liczba zwojów uzwojenia dolnego Nd itd.
2
Elektrotechnika laboratorium
Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie.
Nie stosuje się jednocześnie wskaz
ników  pierwotne i wtórne" oraz  górne i dolne".
Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami, literami dużymi oznacza się wartości
skuteczne napięć, prądów i strumieni, a literami małymi wartości chwilowe.
4. Przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora
Przekładnia transformatora (zgodnie z normą) jest to stosunek napięcia górnego
do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie
jałowym.
Ug0
n =ð
Ud0
a. Przekładnia zwojowa
Występuje gdy stosunek SEM w obu uzwojeniach transformatora:
E1 4,44N1Fðmf N1
=ð =ð =ð nz
E2 4,44N2Fðmf N2
równy jest stosunkowi liczby zwojów.
b. Przekładnia napięciowa
Często w odniesieniu do przekładni transformatora jest używane określenie,
przekładnia napięciowa.
Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany
wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1, zwykle mówi się
więc: transformator podwyższający (lub obniżający) o przekładni 10. Przyjmując
uproszczenie, że Ug0ðEg i UdoðEd i uwzglÄ™dniajÄ…c zależność:
E1 4,44N1Fðmf N1
=ð =ð =ð nz ,
E2 4,44N2Fðmf N2
otrzymamy:
U Eg N
go g
n =ð ð ð .
Udo Ed Nd
Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń
transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów.
Aby określić przybliżoną zależność między prądami obu uzwojeń, należy skorzystać
z zasady zachowania mocy. Dla uproszczenia pominiemy wszystkie straty mocy
czynnej i mocy biernej, stąd: Pg= Pd i Qg=Qd a zatem i moce pozorne będą sobie
w przybliżeniu równe Sg=Sd. Ponieważ Sg=UgIg oraz Sd=UdId, zatem:
3
Elektrotechnika laboratorium
I
Ud Nd
g
n =ð ð ð .
Id U N
g g
Stąd wynika następujący wniosek:
W uzwojeniu wyższego napięcia płynie prąd mniejszy, a w uzwojeniu niższego
napięcia - prąd większy. W transformatorze następuje więc zmiana wartości napięcia
i prądu przemiennego przy stałej niezmienionej częstotliwości.
5. Analiza pracy transformatora
Transformator może się znajdować, w jednym z trzech charakterystycznych stanów
pracy:
a. Stan jałowy:
Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest
dołączone do z
ródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte (Rys. 3).
Rys. 3. Transformator w stanie jałowym
Transformator w stanie jałowym nie jest obciążony a więc nie oddaje żadnej mocy
(w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd).
Rys. 4. Charakterystyka stanu jałowego transformatora jednofazowego
4
Elektrotechnika laboratorium
b. Stan obciążenia:
Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie
pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony
odbiornik.
Rys. 5. Transformator w stanie obciążenia
W stanie obciążenia transformatora można wyznaczyć jego charakterystykę
zewnętrzną oraz charakterystykę sprawności. Charakterystyką zewnętrzną
transformatora nazywamy zależność napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego U2 od
prÄ…du wtórnego I2 przy U1=U1zn=const, f=const, cosé2=const. PrzykÅ‚adowy przebieg
tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście
prądu I2, napięcie U2 maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im
mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika
o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I2 wystąpiłby wzrost napięcia
U2.
Rys. 5.3. Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego
Rys. 5.4. Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego
5
Elektrotechnika laboratorium
Zmianą napięcia przy określonym współczynniku mocy i określonym prądzie
obciążenia, nazywa się spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do
określonego obciążenia przy niezmienionym napięciu pierwotnym i stałej
częstotliwości.
Sprawność transformatora można również wyznaczyć tzw. metodą strat
poszczególnych. Moc czynna P1 pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa
sumie mocy czynnej P2, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy;
w uzwojeniach "Pu (wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu "P0
(wyznaczonym w próbie stanu jałowego).
Sprawność transformatora
P2 P2
hð =ð 100% =ð 100%
P1 P2 +ð DðP0 +ð DðPu
Ponieważ moc strony wtórnej
P2 =ð U2I2 cosjð2
wobec tego sprawność
U2I2 cosjð2
hð =ð 100%
U2I2 cosjð2 +ð DðP0 +ð DðPu
Sprawność nowoczesnych transformatorów jest duża i zwykle przekracza 97%,
w jednostkach wielkiej mocy dochodzi do 99%. Przykładowy przebieg krzywej
sprawności przedstawiony jest na (Rys. 5.4). Krzywa sprawności ma pewne
maksimum. Można dowieść, że maksimum to wystąpi wówczas, gdy straty
w uzwojeniach są równe stratom w rdzeniu, tzn. straty obciążeniowe równe stratom
jałowym. Najczęściej maksimum zachodzi przy obciążeniach (40...60) %
znamionowego. Przy obciążeniu znamionowym, tzn. dla I2=I2zn, straty obciążeniowe
są kilkakrotnie większe od strat jałowych.
c. Stan zwarcia:
Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia
pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte.
6
Elektrotechnika laboratorium
Rys. 5. Transformator w stanie zwarcia: a) schemat układu pomiarowego, b) charakterystyka
zwarcia
7
Elektrotechnika laboratorium
Ćwiczenie 1: Badanie transformatora jednofazowego
1. Zagadnienia teoretyczne:
-ð ð budowa transformatora jednofazowego,
-ð ð strona górna i dolna transformatora,
-ð ð przekÅ‚adnia zwojowa i napiÄ™ciowa transformatora,
-ð ð stany pracy transformatora oraz ich charakterystyki.
Dane znamionowe transformatora:
Moc: 120 [W]
I1n = 1 [A] U1n = 220 [V]
I2n = 4 [A] U2n = 24 [V]
2. Przebieg ćwiczenia:
a. Pomiar rezystancji uzwojeń:
Pomiary należy wykonać przy pomocy mostka Thomsona lub Wheatstone a.
Wyniki pomiarów zapisać w tabeli:
R1 R2
Wð Wð
b. Pomiar przekładni transformatora:
Dla kilku wartości napięcia zasilającego bliskich napięcia znamionowego
transformatora U1n odczytać wskazania woltomierzy.
Zestawić układ według schematu:
8
Elektrotechnika laboratorium
Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli:
Lp U1 U2 V Vśr
- [V] [V] - -
1
2
3
4
c. Badanie stanu jałowego transformatora
Zestawić układ według schematu.
Pomiary należy wykonać przy włączniku W otwartym, w zakresie napięcia 0,2 & 1,2
Uin. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.
Lp U0 U0 I0 I0 P0 P0 Q IFe
cosjð0 Imð
- dz [V] dz [A] dz [W] - [var] [A] [A]
1
2
3
4
5
6
WykreÅ›lić charakterystyki: P0, I0, cosjð0=f(U0)
d. Badane stanu zwarcia transformatora
Schemat układu według rysunku z podpunktu c, przy włączniku W otwartym
i zwartych zaciskach 3 i 4.
Ustawiamy napięcie zasilania, aż wartość prądu Iz=1,21In następnie je stopniowo
zmniejszamy do zera.
Uwaga: pomiary należy wykonać szybko ze względu na nagrzewanie się uzwojeń.
Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać tabeli.
9
Elektrotechnika laboratorium
Lp Uz Uz Iz Iz Pz Pz Z1z R1z X1z
cosjð0
- dz [V] dz [A] dz [W] -
[Wð] [Wð] [Wð]
1
2
3
4
5
6
WykreÅ›lić charakterystyki: Pz, Iz, cosjðz=f(Uz)
e. Badanie transformatora obciążonego
Schemat układu według rysunku z punktu c, przy włączniku W zamkniętym. Pomiary
należy wykonać przy napięciu zasilającym równym U1n.
Rezystorem R0 należy nastawiać wartość prądu I2 w zakresie 0,2 & 1,2 I2n.
Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.
Lp I2 L2 U2 I1 I1 U2 P1 P1 P2 P2
hð
- dz [A] dz dz A [V] dz [W] dz W %
1
2
3
4
5
6
WykreÅ›lić charakterystyki: I1, U2 = f(I2), hð=f(P2)
3. Wnioski:
10
Elektrotechnika laboratorium
III.3. Badanie przekładnika prądowego.
Przekładnik prądowy
Przekładniki służą do zasilania obwodów prądowych i napięciowych przyrządów
pomiarowych i przekaz
ników. Zastosowanie przekładników w rozdzielniach wysokiego
napięcia pozawala na:
" bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych dzięki odizolowaniu obwodów
wtórnych od obwodów wysokiego napięcia,
" zastosowanie jednakowych przyrządów pomiarowych,
" zmniejszenie niebezpieczeństwa uszkodzenia przyrządów pomiarowych wskutek
elektrodynamicznego i cieplnego działania prądów zwarciowych,
" rozszerzenie zakresu przyrządów pomiarowych,
" oddzielenie rozdzielni od nastawni,
" zdalny pomiar wielkości elektrycznych.
Przekładniki prądowe są to urządzenia zbliżone do transformatorów mocy lecz w
odróżnieniu od nich są przystosowane do pracy w stanie bliskim stanowi zwarcia. Posiadają
dwa uzwojenia starannie od siebie odizolowane nawinięte na rdzeniu z blach
ferromagnetycznych.
Ich zasada działania jest identyczna jat transformatora tzn. pod wpływem zmiennego prądu w
uzwojeniu pierwotnym powstaje strumień magnetyczny (zmienny) który powoduje
wyidukowanie siły elektromotorycznej po stronie wtórnej, dzięki czemu w obwodzie
zamykanym przez amperomierz popłynie prąd.
Ze względu na w stanie bliskim stanowi zwarcia można pominąć magnesowania i możemy
zapisać przybliżoną zależność:
z1I1 =ð z2I2
gdzie I1,I2  są wartościami skutecznymi prądów odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i
wtórnym
z1,z2  są ilościami zwojów odpowiednio po stronie pierwotnej i wtórnej
Z tej zależności z pewnym błędem jesteśmy w stanie wyznaczyć prąd płynący przez
uzwojenie pierwotne:
z2
I1 ð I2
z1
11
Elektrotechnika laboratorium
Badanie Przekładnika Prądowego
Pomiar uchybów prądowych.
Uchyb prądowy (uchyb przekładni) jest to różnica natężenia prądu wtórnego
pomnożonego przez przekładnię znamionową i natężenia prądu pierwotnego wyrażona w
procentach prÄ…du pierwotnego:
Zmierzyć uchyby prądowe przekładnika prądowego przy różnym natężeniu prądu w
obwodzie pierwotnym i obciążeniu obwodu wtórnego; jednym amperomierzem.
W ćwiczeniu prąd w obwodzie pierwotnym będziemy mierzyli dokładnym amperomierzem
włączonym bezpośrednio do obwodu pierwotnego.
Schemat połączenia obwodu:
R
K
L
A
1
k L
A
2
Po zanotowaniu danych znamionowych przekładnika prądowego zestawiamy układ i
zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J1n do 1,2J1n co 0,1J1n.
Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w tabelce:
Obciążenie obwodu wtórnego jednym amperomierzem
Lp. co odpowiada obciążeniu przekładnika mocą
Sa =ð Kð[ðV ×ð A]ð -ðKð%Sn
J1 [A] J2 [A]
Jðin ×ð J2[ðA]ð Dði[ð%]ð
Jð
J1 i J2  wartość pierwotnego i wtórnego
12
Elektrotechnika laboratorium
Jðin J2 -ð J1
Dði =ð 100 - uchyb prÄ…dowy
J
1
J1
Jð =ð - przekÅ‚adnia rzeczywista
J2
J1n
Jðin =ð - przekÅ‚adnia znamionowa
J2n
Należy zwrócić uwagę, że uchyb może mieć wartość ujemną lub dodatnią. Z danych tabelki
wykreÅ›lamy zależność Jð =ð f [ðJ1]ð oraz Dði =ð f [ðJ2]ð.
Obciążenie obwodu wtórnego mocą S  Sn .
Zestawiamy układ pomiarowy.
Po obciążeniu przekładnika prądowego mocą znamionową napięcie na zaciskach wynosi:
S2n
U =ð =ð ...[ðV]ð
J2n
R
A
1
Z
d
A
2
Va
Va
V
Po włączeniu obwodu zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym i
regulujemy opornik Zd tak długo, aż woltomierz V przy prądzie w obwodzie wtórnym
badanego przekładnika prądowego J2n [5A] wskaże obliczone poprzednio napięcie U.
Pożądane jest aby współczynnik mocy obciążenia dodatkowego był równy w przybliżeniu
0,8 co odpowiada charakterowi cewek obwodów prądowych przyrządu (w ćwiczeniu można
użyć opornika suwakowego).
Następnie mierzymy spadek napięcia na samym tylko amperomierzu dla ustalenia mocy
pobieranej przez amperomierz i obliczenia ile procent mocy znamionowej stanowi obciążenie
przekładnika prądowego tylko jednym amperomierzem:
13
Elektrotechnika laboratorium
Sa =ð Ua ×ð Jan =ð Kð[ðV ×ð A]ð
Sa =ð Kð%Sn
Obliczoną wartość Sa wpisujemy do tabelki
Obciążenie obwodu wtórnego
Lp.
S =ð 5[ðV ×ð A]ð - 100% Sn
J1 [A] J2 [A]
Jðin ×ð J2[ðA]ð Dði[ð%]ð
Jð
Po wyłączeniu woltomierza zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J1n
do 1,2J1n co 0,1J1n. Na podstawie pomiaru wykreślamy na wykresach wykresach punktu A
zależność Jð =ð f [ðJ1]ð oraz Dði =ð f [ðJ2]ð.
2. Charakterystyka magnesowania.
Charakterystyka magnesowania rdzenia przekładnika prądowego jest wyznaczona
przez pętlę histerezy magnetycznej . Jest to zależność nieliniowa zarówno
dlatego, że każda pętla dla danej wartości amplitudy ma charakter nieliniowy jak też
dlatego, że wierzchołki pętli dla różnych indukcji maksymalnych układają się wzdłuż
krzywej nie będącej linią prostą, a nazywanej podstawową charakterystyką
magnesowania (rys. 1  linia ciągła)
14
Elektrotechnika laboratorium
Wyznaczyć zależność napięcia po stronie wtórnej przekładnika prądowego od prądu J0
przy rozwartym uzwojeniu pierwotnym  U0 = f (J0). Zbadać zachowanie się przekładnika
prÄ…dowego przy zwartych zwojach uzwojenia pierwotnego.
Charakterystyka magnesowania sporządza się dla określenia liczby przetężeniowej,
stwierdzenia czy w uzwojeniu wtórnym nie ma zwarć zwojowych oraz stwierdzenia
przydatności przekładników do zabezpieczenia różnicowego. Charakterystyki przekładników
używanych do tego zabezpieczenia powinny być jednakowe.
Zestawiamy układ jak na rysunku. Zmieniamy doprowadzone napięcie i odczytujemy
wartość prądu. Pomiar przerywamy, gdy prąd osiągnie wartość 5 A. Dla zapobieżenia
trwałemu magnesowaniu rdzenia należy po zakończeniu pomiaru natężenie prądu stopniowo
zmniejszać do zera, a dopiero wówczas wyłączyć obwód. Następnie dla poznania, jak się
zachowuje przekładnik ze zwojami zwartymi, przeprowadzamy analogiczne pomiary przy
zwartym uzwojeniu pierwotnym. Należy w takim przypadku wymienić woltomierz na inny o
mniejszym zakresie.
k
RW
K
A
V
L
L
Na podstawie pomiarów wykreślamy zależność U0 = f(J0) przy rozwartym uzwojeniu
pierwotnym, która jest w innej skali obrazu zależności B = f (J) oraz zależność
U0 = f (J0 ) przy zwartym uzwojeniu pierwotnym/
3. Praca przy zaciskach wtórnych rozwartych.
Rozwarcie obwodu wtórnego przekładnika prądowego podczas pracy powoduje znaczne
zwiększenie strumienia magnetycznego, co jest przyczyną indukowania dużego napięcia
(nawet rzędu kilowoltów!) po stronie wtórnej. Cały prąd jest prądem magnesującym.
Następuje przesunięcie punktu pracy  magnesowanie a także skutki cieplne. Dlatego należy
zapamiętać: Nie wolno podczas przepływu prądu w obwodzie pierwotnym rozwierać
obwodu wtórnego przekładnika prądowego. W razie potrzeby wykonania przełączenia w
obwodzie wtórnym, należy zawsze zewrzeć zaciski k-l
Zmierzyć napięcie na rozwartych zaciskach wtórnych przekładnika prądowego, gdy w
uzwojeniu pierwotnym płynie prąd.
Przy rozwarciu obwodu wtórnego przekładnika prądowego strumień magnetyczny
wytwarzany przez prąd pierwotny nie jest osłabiony przez strumień prądu wtórnego.
Powoduje to nadmierne nagrzewanie się rdzenia oraz powstanie między rozwartymi
zaciskami napięcia o wartości niebezpiecznej dla ludzi. Po za tym praca przy otwartym
15
Elektrotechnika laboratorium
obwodzie może spowodować pozostawienie w rdzeniu magnetyzmu szczątkowego
wpływającego na uchyb przekładnika. Praca przekładnika prądowego przy obwodzie
wtórnym otwartym jest niedopuszczalna.
K L
A
1
k L
V
2
Zestawiamy układ przedstawiony na rysunku, przyłączając woltomierz do uzwojenia
wtórnego. Zwiększamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0, mierząc napięcie na
zaciskach obwodu wtórnego. Pomiar przerywamy, gdy prąd w uzwojeniu pierwotnym
osiągnie wartość znamionową. Wyniki pomiarów zestawiamy w tabelce.
Zaleca się obserwację kształtu krzywej napięcia na zaciskach obwodu wtórnego przy użyciu
oscyloskopu katodowego.
16
Elektrotechnika laboratorium
III.4. Badanie transformatora trójfazowego.
Transformator to urządzenie przeznaczone do przetwarzania napięcia i prądu o jednej
wartości, na napięcie i prąd o innej wartości tej samej częstotliwości. W transformatorze
wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zasadniczymi częściami
transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali
elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia  górnego i dolnego napięcia. Rdzeń stanowi
dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę
o dużej przenikalności magnetycznej. Uzwojenie transformatora połączone ze z
ródłem
napięcia zasilającego nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Uzwojenie połączone z
obciążeniem jest uzwojeniem wtórnym.
Badanie transformatora trójfazowego obejmuje: pomiar przekładni transformatora,
wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego, stanu zwarcia oraz wyznaczenie charakterystyki
zewnętrznej.
Wyznaczanie przekładni transformatora.
Przekładnię transformatora najczęściej wyznacza się w stanie jałowym (transformator
nieobciążony). Wyraża się ona stosunkiem wartości skutecznej napięcia Ug w uzwojeniu
górnego napięcia do wartości skutecznej napięcia Ud w uzwojeniu dolnego napięcia.
Jð = Error!
Do wyznaczenia przekładni transformatora trójfazowego można się posłużyć układem
przedstawionym na poniższym schemacie.
Układ do pomiaru przekładni.
Należy dokonać pomiaru napięć międzywęzłowych i wyznaczyć przekładnię z poniższej
zależności.
UAB, UBC, UCA, - napięcia międzyfazowe po stronie uzwojeń napięcia górnego,
Uab, Ubc, Uca, - napięcia międzywęzłowe po stronie uzwojeń napięcia dolnego.
Jð1 = Error!, Jð2 = Error!, Jð3 = Error!, Jð = Error!
Wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego.
17
Elektrotechnika laboratorium
Do wyznaczenia charakterystyk stanu jałowego wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:
i
Wielkości mierzone:
IA, IB, IC,UAB, UBC, UCA,P1, P2
Wielkości wyznaczane:
a) średnia wartość napięcia U = Error!,
b) prąd jałowy I0 = Error!,
c) straty jaÅ‚owe DðP0 = P1 + P2 ,
d) współczynnik mocy stanu jaÅ‚owego cosjð0 = Error!,
e) skÅ‚adowa bierna prÄ…du stanu jaÅ‚owego (prÄ…d magnesujÄ…cy) I0sinjð0,
f) skÅ‚adowa czynna prÄ…du stanu jaÅ‚owego I0cosjð0.
I10;DðPFe; cosjð0
I10
I10n
DðPFe ð P0
cosjð0n
cosjð0
0
Un U10
Badanie stanu zwarcia transformatora trójfazowego.
Do wyznaczenia charakterystyk stanu zwarcia wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:
18
Elektrotechnika laboratorium
Schemat układu do wyznaczania charakterystyk stanu zwarcia.
Wielkości mierzone:
IA, IB, IC
UAB, UBC, UCA
P1, P2
Wielkości wyznaczane:
a) napięcie zwarcia przy danej wartości prądu Iz Uz = Error!,
b) prÄ…d zwarcia Iz = Error!,
c) straty mocy DðPZ = P1 + P2,
d) współczynnik mocy przy zwarciu cosjðzn = Error!,
I1z;DðPCu; cosjðz
Uz = 0 I1z DðPCu ð Pz
I1z cosjðz
0
Uz U1z
Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie zwarcia.
Charakterystyka zewnętrzna.
Charakterystyka zewnętrzna określa zależność napięcia U2 na zaciskach uzwojenia wtórnego
od prądu I2 płynącego przez rezystancję obciążenia Robc.
19
Elektrotechnika laboratorium
Zestawiamy układ według schematu:
Wielkości wyznaczane:
a) średnie napięcie międzywęzłowe: U1 = Error!,
b) Å›rednie natężenie prÄ…du: I1 = uði2Error!
c) moc pobierana: P1 = uð(PI + PII),
d) średnie napięcie międzyprzewodowe: U2 = Error!,
e) Å›rednie natężenie prÄ…du: I2 = uði2Error!,
f) moc oddawana: P2 = ;3 U2I2,
g) moc pozorna po stronie pierwotnej: P21 = ;3 U1I1,
h) spadek napiÄ™cia: DðU = U1  U 2,
i) współczynnik mocy po stronie pierwotnej: cosjð1 = Error!,
j) sprawność: hð = Error!
Charakterystyki:
U2, hð
U20 hð
U2
20
Elektrotechnika laboratorium
0 I2n I2
Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie obciążonym (charakterystyka
sprawności i charakterystyka zewnętrzna).
21
Elektrotechnika laboratorium
III.5. Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego
1. Część wstępna:
Materiał do przygotowania:
a) budowa silnika indukcyjnego jednofazowego,
- schemat zastępczy.
b) podstawowe charakterystyki silnika indukcyjnego jednofazowego,
c) rodzaje pracy maszyny indukcyjnej,
d) wytworzenie i kształt pola wirującego silnika indukcyjnego jednofazowego.
Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się
w stojanie uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy.
Zasilane prÄ…dem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole
zmienne, które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Przy
n = 0 silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza momentu rozruchowego. Jeżeli
jednak wirnikowi nada się pewną prędkość obrotową w dowolnym kierunku, to
pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika.
Silnik jednofazowy może wytwarzać moment rozruchowy, jeżeli zmieni się rozkład
indukcji w szczelinie. W tym celu w stojanie umieszcza siÄ™ uzwojenie dodatkowe
pracujÄ…ce bÄ…dz
tylko w chwili rozruchu (uzwojenie rozruchowe), bÄ…dz
też w sposób
ciągły (uzwojenie pomocnicze).
Silnik z uzwojeniem pomocniczym zwartym: 1 - uzwojenie główne, 2 - uzwojenie
pomocnicze
22
Elektrotechnika laboratorium
Małe silniki jednofazowe są często budowane z uzwojeniem pomocniczym
zwartym (rys). MajÄ… one wirnik klatkowy i uzwojenie stojana skupione w postaci
cewek (1) nałożonych na bieguny stojana. Na każdym biegunie znajduje się żłobek,
który dzieli nabiegunnik na dwie nierówne części. Uzwojenie pomocnicze (2) stanowi
zwój zwarty obejmujący mniejszą część nabiegunnika. Powstaje w ten sposób
dodatkowy strumieÅ„ Fðd wywoÅ‚any sumÄ… przepÅ‚ywów Qðg + Qðp (Qðg - przepÅ‚yw
uzwojenia głównego, Qðp - przepÅ‚yw uzwojenia pomocniczego). PrzesuniÄ™te wzglÄ™dem
siebie w czasie i przestrzeni strumienie Fðg i Fðd tworzÄ… wirujÄ…ce pole eliptyczne
powodujÄ…ce powstanie niewielkiego momentu rozruchowego, wystarczajÄ…cego do
uruchomienia silnika. Wadą tego rozwiązania jest mała sprawność silników, duże
straty staÅ‚e w zwoju zwartym i maÅ‚y moment rozruchowy (ok. 0,25·Mn).
23
Elektrotechnika laboratorium
M
M
r
M
n
0
n
M
M
r
M
n
0 n
M
M
n
M
r
0 n
Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem
rozruchowym kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym,
c) z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym
Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia
umieszczonego w stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne
tak, aby osie obu uzwojeÅ„ byÅ‚y przesuniÄ™te wzglÄ™dem siebie o kÄ…t pð/2. Jeżeli prÄ…dy
pÅ‚ynÄ…ce w uzwojeniu głównym i pomocniczym sÄ… przesuniÄ™te o kÄ…t bð = pð/2, to przy
jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole wirujące jest kołowe, a więc
moment rozruchowy jest największy.
24
Elektrotechnika laboratorium
B
t = 0
t = T/6
t = T/4 x
0
pð
2
pð
t = T/3
t = T/2
Przebieg podstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez
uzwojenie jednofazowe dla różnych chwil czasowych
Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z
uzwojeniem pomocniczym kondensatorów (rys. a, b) lub powiększenie rezystancji
tego uzwojenia (rys. c). Uzwojenie wykorzystywane tylko podczas rozruchu
wyłączane jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego W, umieszczonego na wale
silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma kondensatorami (rys. b), z których jeden
jest załączony tylko na czas rozruchu, natomiast drugi pracuje ciągle. Rozwiązanie
takie stosuje się po to, aby uzyskać pole jak najbardziej zbliżone do kołowego
zarówno podczas rozruchu (większy moment rozruchowy), jak i podczas obciążenia
(większy współczynnik mocy), kiedy to potrzebna pojemność kondensatora maleje
kilkakrotnie. W celu uproszczenia konstrukcji często rezygnuje się ze zmiany
pojemności i wówczas uzwojenie pomocnicze współpracuje z jednym, stale
załączonym, kondensatorem.
Zwiększenie momentu rozruchowego przez zwiększenie rezystancji uzwojenia
dodatkowego (rys. c) uzyskuje się najczęściej po nawinięciu tego uzwojenia
przewodem o odpowiednio zmniejszonym przekroju.
Według PN-IEC 34-1:1997 minimalny moment rozruchowy Mrmin silników
jednofazowych nie może być mniejszy od 0,3·Mn.
Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik
taki nie zatrzymuje siÄ™, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim
przypadku maleje około dwukrotnie. Stosując odpowiedni układ połączeń faz silnika
trójfazowego i odpowiednio dobranych elementów RLC można, przy zasilaniu go
napięciem jednofazowym, uzyskać moc zbliżoną do jego mocy znamionowej.
Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych.
Wynika to stąd, że strumień przeciwbieżny ma względem wirnika prędkość większą
od synchronicznej i wywołuje w jego rdzeniu duże straty.
25
Elektrotechnika laboratorium
Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy,
natężenia prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego
o znamionowej czÄ™stotliwoÅ›ci (s, cosjð0, I0, P0 = f(U0) przy f = fn).
Charakterystyki biegu jałowego umożliwiają, podobnie jak przy badaniu silnika
trójfazowego, określenie strat jałowych i wyznaczenie przybliżonej wartości strat
mechanicznych oraz pozwalają ocenić poprawność konstrukcji silnika, szczelinę
maszyny itp.
Prąd biegu jałowego ma dwie składowe. Pierwsza odpowiadająca prądowi wirnika o
czÄ™stotliwoÅ›ci s·f jest, podobnie jak w silniku trójfazowym, bardzo maÅ‚a. Druga
natomiast odpowiadajÄ…ca prÄ…dowi wirnika o czÄ™stotliwoÅ›ci (2-s)·f ma znacznÄ…
wartość. Dlatego wypadkowy prąd biegu jałowego silnika jednofazowego może być
znacznie większy (do 3 razy) niż prąd biegu jałowego odpowiadającego mu silnika
trójfazowego.
Prąd biegu jałowego silników jednofazowych z kondensatorowym uzwojeniem
pomocniczym jest mniejszy, ponieważ wytwarzane w tym silniku pole jest polem
wirującym, toteż nie są indukowane w wirniku prądy o częstotliwości (2-s)f.
I , P , cos jð
0 0 0
cos jð
0
f = f
n
P
0
I
0
s
0
Dð P
m
0
U U
n 0
Charakterystyki biegu jałowego
Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności momentu rozruchowego,
współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranych przez silnik przy
zatrzymanym wirniku od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (Mr,
cosjðz, Iz, Pz = f(Uz) przy s = 1, f = fn).
26
Elektrotechnika laboratorium
I , P , cos jð , M
z z z r
I
z
cos jð
z
f = f M
n r
s = 1
P
z
0
U
z
Charakterystyki stanu zwarcia
Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości
obrotowej, mocy pobieranej, współczynnika mocy, momentu obrotowego i sprawności
od mocy oddawanej na wale przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości
(I, n, P1, cosjð, M, hð = f(P2) przy U = Un, f = fn).
Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie
pracy. Wartości poszczególnych parametrów przy P2 = Pn odczytane z charakterystyk
obciążenia należy porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę.
Tolerancje wartości podanych na tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996.
I , M , n , hð , P , cos jð
1
n
hð
cos jð
P
1
M I
f = f
n
U = U
n
0
P
2
Charakterystyki obciążenia
27
Elektrotechnika laboratorium
2. Program ćwiczenia obejmuje:
·ð ð pomiar rezystancji uzwojeÅ„
·ð ð przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania
·ð ð pomiar charakterystyk biegu jaÅ‚owego
·ð ð pomiar charakterystyk elektromechanicznych
UWAGA DO ĆWICZENIA !
Aby uniknąć przegrzania koła i taśmy hamulcowej przy obciążaniu silnika pomiary
należy przeprowadzić sprawnie i po zakończeniu pomiarów natychmiast  zdjąć
obciążenie wału.
DANE SILNIKA
F = 50 Hz P = 180 W
· = 0.55 I = 2 A
½ = 200 V cosĆ = 0.63
n = 1400 obr/min
3. Przebieg ćwiczenia:
a) pomiar rezystancji uzwojeń mostkiem Wheatstone a
- uzwojenia głównego
-uzwojenia rozruchowego
b) przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania
c) pomiar charakterystyki biegu jałowego
Układ połączeń jak na rys. 1. bez obciążenia zewnętrznego wału silnika. Pomiar
rozpoczynamy od podania poprzez autotransformator napięcia o wartości 240V i
zmniejszamy je do 140V (po 10V).
Odczytujemy z przyrządów wyniki U0, I0, P0. n0 i wpisujemy je w tabelkę.
Wzory do obliczeń pozostałych parametrów:
P0
cosjð =ð
U0 ·ð I0
2
DðP0 =ð P0 -ð DðPU 0 =ð P0 -ð I0 ·ð R1
DðPm i DðPF - wyznaczamy drogÄ… ekstrapolacji krzywej
28
Elektrotechnika laboratorium
V
U
Z
W
U W
A B
W
A
Z A
V
B V
Rys. 1. UKA
AD POA

CZENIA DLA OBROTÓW W PRAWO
V
U
Z
W
U W
A B
A W
Z A
V
B V
Rys. 2. ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA W LEWO
29
Elektrotechnika laboratorium
2
APj -ð f (ðU )ð
0
Lp. U0 I0 P0 n cosĆ02 I0R1 "Pj2 U0 "Pm "PF
[V] [A] [W] [obr/min] - [W] [W] [v2] [W] [W]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić zależności
I0 = f (U0)
P0 = f (U0)
"Pj = f (U0)
cosĆ0 = f (U0)
"Pj = f (U02)
d) pomiar charakterystyk elektromechanicznych
Układ połączeń jak na rys. 1. dodając zmienne obciążenie wału silnika poprzez
ręczną zmianę poprzeczki naciągu dynamometrów.
Pomiar rozpoczynamy od stanu jałowego przy stałym napięciu zasilania uzwojenia
stojana 220V.
Zmieniamy obciążenie wału silnika od zera do 2 kg.
Odczytujemy z przyrządów wyniki: U, I, P, n, F1, F2.
Średnicę koła hamulcowego mierzymy przymiarem.
Obliczamy parametry: M, cosĆ.
Lp. U I P n F1 F2 F M S cosĆ
[V] [A] [W] [obr/min] [kg] [kg] [N] [Nm] [VA] -
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
30
Elektrotechnika laboratorium
Wzory do obliczeń
F = (F1  F2) g
F1 F2
D
D = 135 mm
F1  siła zgodna z kierunkiem obrotu wirnika
F2  siła przeciwna do kierunku obrotu wirnika
D
M =ð F
2
S =ð U ·ð I
P P
cosjð =ð =ð
S U ·ð I
Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślamy charakterystyki:
n = f (M)
cosĆ = f (M)
4. Opracowanie wyników
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Schematy układów pomiarowych.
2. Tabelki z wynikami.
3. Obliczenia poszczególnych parametrów.
4. Wykresy charakterystyk:
a) charakterystyki biegu jałowego
b) charakterystyka elektromechaniczna
5. Oszacowanie błędów pomiarowych poszczególnych parametrów
i charakterystyk.
6. Wykaz przyrządów zastosowanych w ćwiczeniu.
31
Elektrotechnika laboratorium
Literatura:
1. Z. Bajorek: Teoria maszyn elektrycznych  laboratorium
Cz. I instrukcje do ćwiczeń  wyd. Ucz. Pol. Rzeszowskiej, Rzeszów 1977
2. Praca zbiorowa: Maszyny i napędy elektryczne.
Poradnik technika elektrotechnika. Wyd. Szk. I Ped. Warszawa 1978.
3. Praca zbiorowa: Laboratorium maszyn elektrycznych cz. II.
Maszyny indukcyjne. Pol. ÅšlÄ…ska, Gliwice 1985
III.6. Badanie silnika asynchronicznego pierścieniowego
32