Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
dla studentów WIP
Temat:
BADANIE TRANSFORMATORÓW
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW
2007
- 1 -
1. Ogólne wiadomości o transformatorze
Transformator jest statyczną maszyną elektryczną (1 lub 3-fazową) służącą do przetwarzania energii prądu
przemiennego o napięciu pierwotnym U1, dostarczonego do uzwojenia pierwotnego na energię prądu
przemiennego o napięciu wtórnym U2 wytworzoną w uzwojeniu wtórnym. Gdy U1>U2 - transformator
nazywa się obniżającym napięcie (gdy U1Uzwojenie górnego napięcia GN (górne) - to uzwojenie o wyższym napięciu. Uzwojenie dolnego napięcia
(DN) - uzwojenie o niższym napięciu. Wyróżnia się trzy stany pracy transformatora: a) jałowy, b)
obciążenia, c) zwarcia pomiarowego (lub awaryjnego).
W stanie jałowym uzwojenie pierwotne połączone jest ze z
ródłem zasilania, a uzwojenie wtórne jest
rozwarte (rys. 1.1)
Åš
I10
z
2
z
1
U20
= E2
U
U10
E1
Rys. 1.1. Schemat transformatora w stanie jałowym.
W uzwojeniu pierwotnym popÅ‚ynie niewielki prÄ…d jaÅ‚owy (1÷10%) prÄ…du znamionowego, który ma dwie
składowe:
a) prÄ…d magnesujÄ…cy Iµ, b) prÄ…d strat w rdzeniu stalowym IFe.
Wartość skuteczna sił elektromotorycznych indukowanych w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym (liczba
zwojów z2) wynosi:
E1 = 4.44Å" f Å" z1 Å"Åšm
E2 = 4.44Å" f Å" z2 Å"Åšm
gdzie:
f - częstotliwość [Hz]
z1 - liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym
z2 - liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym
Śm - maksymalna wartość strumienia głównego [Wb]
Przekładnia transformatora:
E1 z1 U10
Ń = = =
E2 z2 U20
gdzie:
U10, U20  napięcia uzwojenia pierwotnego i wtórnego w stanie jałowym.
W stanie jałowym transformator pobiera moc czynną P równą stratom w żelazie. Straty te wywołuje
histereza magnetyczna i prÄ…dy wirowe w rdzeniu transformatora.
P0 = U10 Å" I10 Å"cosÕ0 W
gdzie:
- 2 -
I10 - prąd jałowy uzwojenia pierwotnego, cosĆ0 (współczynnik mocy w stanie jałowym. Charakterystyki
transformatora w stanie jałowym przedstawione są na rys.1.2.
Na rysunku 1.2 podany jest przebieg charakterystyk stanu jałowego transformatora, tzn przebieg mocy
pobranej w stanie jałowym P0, prądu stanu jałowego I0 oraz współczynnika mocy w stanie jałowym cosĆ0
w funkcji napięcia. W przybliżeniu można pominąć straty w uzwojeniach i uważać, że cała moc pobrana
przez transformator w stanie jałowym jest równa stratom jałowym P0 wydzielającym się w postaci strat w
rdzeniu PFe. Straty w rdzeniu są w przybliżeniu proporcjonalne do kwadratu indukcji (przy blachach
zimnowalcowanych w przybliżeniu do indukcji w potędze 3), czyli w przybliżeniu także do kwadratu
przyłożonego napięcia, gdyż w stanie jałowym spadki napiec na uzwojeniu są pomijalne. To wyjaśnia
paraboliczny (w przybliżeniu) przebieg krzywej PoH" PFe.=f(U)H" cU2. Moc jałowa może być z drugiej
strony wyrażona przez Po =c1UIow, więc składowa czynna prądu jałowego Iow=I0cosĆ0H"c2U.
I
P, I, U
0
I
µ
U20
I0n
~
P0= " PFe
cos
Ć0
" P0n
I
Fe
P20
U10
Un1
Rys.1.2 Charakterystyki stanu jałowego transformatora
Prąd magnesujący ze wzrostem napięcia rośnie według krzywej magnesowania, co oznacza szybki jego
wzrost w zakresie dużych indukcji. Wyjaśnia to malejący przebieg krzywej cosĆ0 > f(U). Wartość cosĆ0
przy napięciu znamionowym jest dla blach anizotropowych zimnowalcowanych mniejsza od 0,1, a dla
blach gorącowalcowanych wynosi ok. 0,2. Składowa czynna Iow = IocosĆ0 prądu jałowego jest znacznie
mniejsza od składowej biernej Iof = IosinĆ0 prądu, wiec przebieg krzywej Iof = f(U) prawie pokrywa się z
przebiegiem krzywej Io=f(U), zwłaszcza w zakresie dużych indukcji.
Poza stratami w rdzeniu transformatora występują w stanie jałowym także straty w miedzi uzwojenia
pierwotnego, straty dodatkowe w kadzi i straty dielektryczne.
Straty w miedzi uzwojenia pierwotnego należy uwzględniać tylko w transformatorach bardzo małych, w
których prąd jałowy jest stosunkowo duży (np. większy od 10% prądu znamionowego), i
charakteryzujących się dużym stosunkiem strat obciążeniowych do strat jałowych. Można te straty
obliczyć w przybliżeniu na podstawie zmierzonej wartości prądu jałowego i rezystancji.
- 3 -
Rys.1.3 Zależność prądu jałowego od mocy znamionowej transformatora 1  dla blachy
gorÄ…cowalcowanej, 2  dla blachy zimnowalcowanej
W stanie zwarcia uzwojenie pierwotne transformatora zasilane jest napięciem znamionowym, a
uzwojenie wtórne jest zwarte. Taki stan pracy transformatora grozi jego uszkodzeniem i transformator
powinien być natychmiast odłączony (zwarcie awaryjne), Stan zwarcia transformatora, który polega na
zwarciu uzwojenia wtórnego przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięciem mniejszym od
znamionowego nazywamy zwarciem pomiarowym (normalnym). Napięcie zwarcia podawane jest na
tabliczce transformatora w procentach w stosunku do napięcia znamionowego. Napięcie zwarcia jest to
napięcie, które należy doprowadzić do pierwotnego uzwojenia transformatora, aby przy zwartym
uzwojeniu wtórnym popłynął w nim prąd znamionowy /napięcie zwarcia wynosi kilka do kilkunastu
procent napięcia znamionowego/.
W stanie zwarcia dokonuje się pomiaru strat w miedzi ("P) powodowanych nagrzewaniem się uzwojeń
płynącymi przez nie prądami, Moc czynna pobierana przez transformator w tym stanie jest praktycznie
równa stratom w miedzi.
Na rysunku 1.4 sÄ… podane charakterystyki zwarcia ustalonego, tzn. przebiegi mocy zwarcia Pz pradu przy
zwarciu I i współczynnika mocy przy zwarciu cosĆ w funkcji napięcia. W stanie zwarcia impedancja
zwarciowa transformatora:
2 2
Zz = Rz + Xz
gdzie: Rz  rezystancja zwarciowa: Xz  reaktancja zwarciowa.
Pomijając pewne niewielkie zmiany rezystancji wywołane zmianami temperatury, można uważać, że
rezystancja zwarciowa w czasie próby zwarcia nie ulega zmianie w przypadku zmiany napięcia.
Reaktancja zwarciowa jest to reaktancja odpowiadajaca "oporowi" strumieni rozproszenia. Ponieważ
strumienie rozproszenia na znacznej części swej drogi przebiegają w ośrodku niemagnetycznym, czyli w
środowisku o stałej przenikalności magnetycznej, to reaktancja ma wartość stałą, niezależną od napięcia.
To wyjaśnia stałą wartość zależności cosĆz = f(U) i prostoliniowy przebieg zależności I= f(U). Straty
obciążeniowe równe mocy zwarciowej są proporcjonalne do kwadratu prądu, a przy prostoliniowej
zależności I= f(U) są także proporcjonalne do kwadratu napięcia, co wyjaśnia paraboliczny przebieg
zależności Pz= f(U).
- 4 -
~
P P
"
=
1z
Cu
P, I, Ć
cos
I1z
I2z
cos
Ć
1z
U1z
Rys.1.4 Charakterystyki transformatora w stanie zwarcia
W stanie obciążenia napięcie znamionowe doprowadzone jest do uzwojenia pierwotnego a strona wtórna
obciążona jest odbiornikiem.
P1
I1
P2
U20
·max
U2
·
P2 -
" P P1
=
cos
Ć
"
U%
" PCu
P20
" PFe
I2
Rys.1.5 Charakterystyki stanu obciążenia
- 5 -
2. Pomiary
a) Wyznaczanie charakterystyk biegu jałowego oraz przekładni transformatora jednofazowego.
ATr Tr
*
*
A1 W
U20
0-220V U10
V1 V2
Rys.2.l
Al - amperomierz EM o zakresie O ÷ 0.1 - 1A~
VI - woltomierz EM o zakresie O ÷ 150 - 300V~
V2 - woltomierz EM o zakresie 0÷75 - 150V~
W - watomierz EM o zakresie 100 ÷ 200V ; l - 2V~
Należy zestawićc układ pomiarowy wg rys.2.l.
Pomiarów dokonujemy poprzez zmianę napięcia V1 w zakresie od O - do 250V~.
Wyniki pomiarów zamieszczamy w tabeli 1.
Tab.1
Pomiary Obliczenia
Lp. U1 U2 I0 P0 S1
cosÕ0 Ń
V V A W - - VA
współczynnik mocy obliczamy z wzoru:
P0
cosĆ0 =
U1 Å" I0
przekładnię transformatora obliczamy ze wzoru:
U1
Ń =
U2
- 6 -
moc pozornÄ…: S1 = U1 Å" I1
Należy wykreślić charakterystyki:
P0 = f (U1) ; I0 = f (U1) ; cosÕ0 = f (U1)
Na charakterystykach w sprawozdaniu zaznaczyć sposób wyznaczania przekładni transformatora i podział
"PFe (U1N ) = ...[W ]
strat transformatora oraz wyznaczyć straty dla napięcia znamionowego.
b) Wyznaczanie charakterystyk zwarcia
ATr Tr
*
I1z
*
A1 W
A2
0-15V U1z
V1
I2z
Rys.2.2
Al - amperomierz EM o zakresie O ÷6A~
VI - woltomierz EM o zakresie O ÷7.5 - 15 - 30V~
A2 - amperomierz EM o zakresie O ÷12A~
W - watomierz EM o zakresie 100V ; 2.5 ÷5 A~
Należy zestawić- układ pomiarowy wg rys.2.2.
Ostrożnie ustawić napięcie U1 tak, aby prąd I12 nie przekroczył wartości 6A. (UWAGA : napięcie U1
wynosi kilkanaście woltów). Następnie dokonać kilku pomiarów zmniejszając U1 do zera.
Wyniki pomiarów należy umieścić w tabeli 2.
Tab.2
Pomiary Obliczenia
LP
U1
"U = Å"100%
U1z I1z P1z I2z zw%
cosÕ1z
U1N
V A W A - %
Należy wykreślić charakterystyki:
P1 = f (I1z ) ; I1z = f (I1z ) ; cosÕ1z = f (I1z )
Na charakterystykach w sprawozdaniu zaznaczyć sposób wyznaczania napięcia zwarciowego.
- 7 -
c) wyznaczanie charakterystyki obciążenia
ATr Tr
*
I1 I2
*
A1 W A2
220V U1 U2
V1 V2 Robc
Rys.2.3
Al - amperomierz EM o zakresie O ÷6A~
V1 - woltomierz EM o zakresie O ÷150 - 300V~
A2 - amperomierz EM o zakresie O ÷12A~
W - watomierz EM o zakresie 100 ÷200V ; 2.5 ÷5A~
V2 - woltomierz EM o zakresie O ÷150V~
Należy zestawić układ pomiarowy jak na rys.2.3. Autotransformatorem ustawiamy napięcie U1=220V i
nie zmieniamy go w trakcie próby. Zwiększamy stopniowo obciążenie (regulując rezystor obciążenia) aż
do momentu, gdy I1=6A. Wyniki pomiarów umieszczamy w tablicy 3.
Tab.3
Pomiary Obliczenia
Lp. U1 I1 P1 U2 I2 P2 S1
cosÕ1
·1 "PFe "PCu ·1
1) 2)
V A W V A W - VA
1)  z wyresu charakterystyki biegu jałowego dla U1N=220V
2) z wyresu charakterystyki zwarcia dla I2z= I2
Sprawność obliczamy jako stosunek mocy wtórnej do mocy pierwotnej:
P2 U Å" I2
2
·1 = =
P1 P1
lub jako stosunek mocy wtórnej do sumy mocy wtórnej i mocy strat w żelazie (próba biegu jałowego) oraz
mocy strat obciążeniowych (próba zwarcia):
P2
·2 =
P2 + "PFe + "PCu
Moc pozorna:
- 8 -
S1 = U1 Å" I1
Należy wykreślić charakterystyki:
U2=f(I2)
I1=f(I2)
·=f(I2)
cosĆ1=f(I2)
3.Pytania kontrolne
1. Schematy i przebieg przeprowadzenia podstawowych prób transformatora
2. Napięcie zwarcia
3. Charakterystyki transformatora
4. Straty w transformatorze  klasyfikacja i sposoby ich wyznaczania
Literatura
1. Władysław Wasiluk: "Maszyny i urządzenia elektryczne" skrypt PW, str. 58 -" 83
2. Eugeniusz Koziej : "Elektrotechnika dla mechaników" WNT Warszawa.
3. Władysław Latek: "Maszyny elektryczne" skrypt PW 1976.
4. Zofia Majerowska: "Laboratorium elektrotechniki ogólnej", "Maszyny elektryczne" Skrypt PW 1979.
5. Antoni plamitzner: "Maszyny elektryczne" PWM.
6. Władysław Latek: "Badanie maszyn elektrycznych w przemyśle" WNT 1987.
- 9 -