BADANIE TRANSFORMATORA JEDNOFAZOWEGO
1. WIADOMOÅšCI PODSTAWOWE
Transformator jest to statyczne (bez części ruchomych) urządzenie elektromagnetyczne
przetwarzające energię prądu przemiennego na energię prądu przemiennego o innym na ogół
napięciu i innym na ogół prądzie lecz przy zachowaniu niezmienionej częstotliwości.
Transformator ma dwa zasadnicze obwody: magnetyczny, czyli rdzeń, kt6ry przewodzi
strumień magnetyczny oraz elektryczny, czyli uzwojenie, w którym indukuje się napięcie
elektryczne i przez który płynie prąd elektryczny. Transformator jednofazowy ma najczęściej
dwa uzwojenia. Taki transformator nazywa siÄ™ transformatorem dwuuzwojeniowym.
Budowane są także transformatory trójuzwojeniowe, czterouzwojeniowe i jednouzwojeniowe.
Transformator jednouzwojeniowy nazywa siÄ™ autotransformatorem lub transformatorem
oszczędnościowym. Uzwojenie, do którego doprowadza się energię, nazywa się uzwojeniem
pierwotnym. Uzwojenie, z którego odprowadza się energię, nazywa się uzwojeniem wtórnym.
Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia pierwotnego nazywane są wielkościami
pierwotnymi i oznaczone sÄ… indeksem 1, np.:
U1 - napięcie pierwotne,
I1 - prÄ…d pierwotny,
zl - liczba zwojów uzwojenia pierwotnego.
Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego nazywane są wielkościami
wtórnymi i oznaczone są indeksem 2, np.:
U2 - napięcie wtórne,
I2 - prąd wtórny,
z2 - liczba zwojów uzwojenia wtórnego.
Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od napięcia pierwotnego, to transformator nazywa się
transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od napięcia
pierwotnego, to transformator nazywa się transformatorem obniżającym.
Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym, wszystkie wielkości
odnoszące się do tego uzwojenia nazywane są wielkościami górnymi i oznaczone są
indeksem g. Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, wszystkie
- 1 -
wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywane są wielkościami dolnymi i oznaczone są
indeksem d.
Transformator działa na zasadzie wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej
powstającej przy elektromagnetycznym oddziaływaniu na siebie uzwojeń nieruchomych
względem siebie i sprzężonych ze sobą magnetycznie.
Rys.l. Schemat transformatora jednofazowego
Napięcie sinusoidalne Ul dołączone do uzwojenia pierwotnego (o liczbie zwojów zl)
powoduje przepÅ‚yw prÄ…du Il i powstanie sinusoidalnego strumienia magnetycznego Fð.
Strumień ten indukuje w obu uzwojeniach siły elektromotoryczne, których wartości skuteczne
wynoszÄ…:
E1 =ð 4.44×ð Fðm ×ð f ×ð z1 (1a)
E2 =ð 4.44×ð Fðm ×ð f ×ð z2 (1b)
gdzie: Fðm - wartość maksymalna strumienia Fð,
f - częstotliwość napięcia Ul.
Znamionowe warunki pracy transformatora są to takie parametry zasilania i obciążenia,
na które dany transformator został zbudowany i oznaczony. Praca w warunkach
znamionowych zapewnia właściwą eksploatację urządzenia.
Tabliczka znamionowa transformatora jednofazowego zawiera następujące dane:
·ð napiÄ™cia znamionowe Uln, U2n,
·ð moc znamionowÄ… Sn,
·ð prÄ…dy znamionowe Iln, I2n,
·ð procentowe napiÄ™cie zwarcia uz%,
·ð znamionowÄ… sprawność transformatora hðn.
Mocą znamionową Sn transformatora określa się moc pozorna pobieraną przez uzwojenie
pierwotne przy znamionowym napięciu i znamionowym prądzie strony wtórnej oraz przy
rezystancyjnym obciążeniu (współczynnik mocy odbioru cos(jð)=1).
- 2 -
Napięciem zwarcia Uz transformatora nazywa się napięcie, które należy przyłożyć do
zacisków uzwojenia pierwotnego przy zwartych zaciskach uzwojenia wtórnego, aby w
uzwojeniu pierwotnym płynął prąd znamionowy. Procentowe napięcie zwarcia uz% określa
stosunek napięcia zwarcia do napięcia znamionowego uzwojenia pierwotnego:
Uz
uz% =ð (2)
U1n
Znamionowa sprawność transformatora jest to sprawność w warunkach znamionowych
przy czysto rezystancyjnym obciążeniu. Prądem zwarcia Iz transformatora określa się wartość
prądu pierwotnego, jaka popłynie przy zasilaniu transformatora napięciem znamionowym i
przy zwartych zaciskach uzwojenia wtórnego.
Stanem jałowym transformatora nazywa się stan, w którym uzwojenie pierwotne
dołączone jest do z
ródła napięcia przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte (I2=0).
Przekładnia transformatora jest definiowana jako stosunek napięć występujących
jednocześnie na zaciskach transformatora w stanie jałowym, jeżeli napięcie zasilania jednej ze
stron nie przekracza napięcia znamionowego tej strony. W transformatorze jednofazowym
przekładnia równa się zarazem stosunkowi liczby zwojów uzwojeń pierwotnego i wtórnego
U1n E1 z1
Jð =ð ð =ð (3)
U2n E2 z2
Celem ćwiczenia jest określenie danych znamionowych gotowego transformatora oraz
zapoznanie się z własnościami transformatora w różnych stanach pracy.
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
2.1. Identyfikacja zacisków transformatora
Na tabliczce zaciskowej transformatora znajduje się kilka zacisków.
·ð Za pomocÄ… megaomomierza należy stwierdzić pomiÄ™dzy którymi zaciskami
znajdujÄ… siÄ™ uzwojenia transformatora.
·ð Narysować schemat uzwojeÅ„.
·ð Dokonać pomiaru rezystancji izolacji pomiÄ™dzy poszczególnymi uzwojeniami.
2.2. Pomiar rezystancji uzwojeń
Dokonać pomiaru rezystancji uzwojeń transformatora metodą techniczną lub mostkiem
fabrycznym. Wyniki pomiarów ująć w poniższej tabeli:
- 3 -
Lp Uzwojenie Jedn. Pomiar1 Pomiar2 Pomiar3 Rśrednie
1 Wð
pierwotne
2 Wð
wtórne
UWAGI
Pomiaru rezystancji uzwojeń metodą techniczną dokonuje sie w układzie z poprawnie
mierzonym napięciem, ponieważ rezystancja uzwojeń transformatora jest z reguły mniejsza
od wyrażenia RA ×ð RV (patrz ćwiczenie "Pomiary rezystancji i impedancji").
Znajomość rezystancji uzwojeń transformatora pozwala wyznaczyć straty w
uzwojeniach. Pomiar rezystancji uzwojeń może prowadzić także do wykrycia uszkodzeń
uzwojeń powstałych podczas produkcji, transportu lub eksploatacji transformatora.
2.3. Wyznaczenie charakterystyki stanu jałowego
Zdjąć charakterystyki I1= f (U1) l, Po= f (U1) cos(jðo)= f (U1) w stanie jaÅ‚owym
transformatora w układzie jak na rys.2.
Wyniki pomiarów ująć w tabeli, a charakterystyki stanu jałowego I1= f (U1) l, P= f (U1)
cos(jð)= f (U1) narysować na papierze milimetrowym, przy czym :
Po
cos(ðjð)ð=ð (4)
U1 ×ð I1
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyk stanu jałowego
Lp. U1, V I1, A Po, W cos(jðo) Uwagi
1
2
Do pomiarów należy użyć watomierza o małym zakresie pomiarowym mocy (o tzw.
niskim cosjðzn,= np. 0,2).
- 4 -
2.4. Wyznaczenie napięcia znamionoweo transformatora
Opierając się na charakterystykach stanu jałowego można orientacyjnie określić wartość
znamionową napięcia transformatora. Charakterystyki stanu jałowego pozwalają ocenić
własności obwodu magnetycznego. Charakterystyka Io=f1(U1) ma przebieg podobny do
charakterystyki magnesowania. Przy założonym przekroju rdzenia i założonej liczbie zwojów
w uzwojeniu, wzrostowi napięcia odpowiada proporcjonalny wzrost strumienia
magnetycznego. W celu wytworzenia go, prÄ…d wzrasta poczÄ…tkowo proporcjonalnie, potem
coraz szybciej. Prąd ten przy napięciu znamionowym nie powinien przekraczać 5-10% prądu
znamionowego występującego przy obciążeniu wynikającym z przekroju drutu miedzianego,
z którego wykonano uzwojenie. Znając prąd znamionowy można wyznaczyć z
charakterystyki biegu jałowego napięcie znamionowe. Wartość napięcia znamionowego leży
na charakterystyce w obszarze nasycania siÄ™ obwodu magnetycznego i stanowi kompromis
między minimalizowaniem masy transformatora, przypadającej na jednostkę mocy
transformatora, przy ograniczeniu strat w transformatorze do poziomu nie wywołującego
nadmiernego jego nagrzewania się. Napięcie znamionowe transformatora znajduje się nieco
powyżej zakrzywienia charakterystyki stanu jałowego I =f (U ).
Rys. 3. Przykładowa charakterystyka biegu jałowego
2.5. Wyznaczenie przekładni transformatora
Określić przekładnię napięciową transformatora wg wzoru
U1n
Jð =ð (5)
U2n
dokonując pomiarów w układzie jak na rys. 4.
- 5 -
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia przekładni transformatora
Określić napięcia znamionowe uzwojeń strony wtórnej. Przekładnie określa się mierząc
napięcia na wszystkich odczepach obu uzwojeń przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego
napięciem nie wyższym od znamionowego. Jeżeli uzwojenie pierwotne zasili się napięciem
U1
znamionowym, to wskazanie woltomierza ( RV >ð>ð ) doÅ‚Ä…czonego do zaczepów
I1 ×ðJð2
uzwojenia wtórnego jest napięciem znamionowym tego uzwojenia.
2.6. Wyznaczanie początków i końców uzwojeń transformatora
W układzie jak na rys. 5 wyznaczyć zaciski jednoimienne badanego transformatora.
Początkami uzwojeń nazywamy te zaciski strony pierwotnej i wtórnej, które w każdej
chwili wykazują tę samą biegunowość w stosunku do odpowiadających im zacisków
końcowych (tzn. są elektrycznie jednoimienne). W układzie jak na rys. 5, jeżeli wskazanie
woltomierza V3 jest sumą wskazań woltomierzy V1 i V2 to oznacza to, że woltomierz V3 jest
przyłączony do zacisków różnoimiennych - chwilowe wartości napięć dodają się.
Rys. 12.5. Schemat układu do wyznaczania zacisków Jednoimiennych uzwojeń transformatora
.Jeżeli wskazanie woltomierza V3 jest różnicą wskazań woltomierzy Vl i V2, to oznacza
to, że jest on przyłączony do zacisków jednoimienych  chwilowe wartości napięć odejmują
siÄ™.
- 6 -
2.7. Wyznaczenie napięcia zwarcia transformatora
Odczytać z tabliczki znamionowej transformatora jego parametry znamionowe takie jak
moc znamionowa Sn, Napięcie znamionowe górne U1n, napięcie znamionowe dolne U2n.
Obliczyć prąd znamionowy pierwotny z zależności
Sn
I1n =ð (5)
U1n
Zbudować układ pomiarowy przedstawiony na rys. 6. Przed załączeniem do sieci
ustawić suwak autotransformatora na pozycję 0 . Podanie napięcia znamionowego na
transformator ze zwartym uzwojeniem wtórnym spowoduje przepływ w uzwojeniu prądów
ponad 10 razy większych od prądu znamionowego co może spowodować uszkodzeni
transformatora.
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do pomiaru napięcia zwarcia transformatora
Ostrożnie zwiększać napięcie z autotransformatora tak, by uzyskać na amperomierzy
wartość prądu znamionowego pierwotnego. Wtedy woltomierz wskaże napięcie zwarcia
transformatora Uz.
Obliczyć procentowe napięcie zwarcia wg zależności (2)
- 7 -