ELEKTROTECHNIKA

ĆWICZENIE 3. Badanie transformatora jednofazowego

Cel ćwiczenia

Praktyczne zapoznanie się z przetwarzaniem prądu i napięcia zmiennego w transformatorach. W zakres ćwiczenia wchodzą:

1. Wyznaczenie przekładni napięciowej transformatora jednofazowego.

2. Przeprowadzenie prób: stanu jałowego, stanu zwarcia pomiarowego i stanu obciążenia oraz wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej transformatora

3. Wyznaczenie parametrów układu zastępczego transformatora.

Wprowadzenie

Transformatory są statycznymi urządzeniami, służącymi do przetwarzania energii prądu przemiennego o danym napięciu, na energię prądu przemiennego o innym napięciu, lecz o takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. Transformatory jednofazowe są powszechnie stosowane jako urządzenia dopasowujące napięcie sieci 220V (rzadziej 380V) do napięć narzuconych przez odbiorniki, np. transformatory, zasilające układy prostownikowe do ładowania akumulatorów, transformatory bezpieczeństwa (220/24V) do zasilania odbiorników przenośnych, transformatory zasilające układy elektroniczne, transformatory w spawarkach i zgrzewarkach. Występują również w technice transformatory jednofazowe przeznaczone tylko do celów pomiarowych, są to przekładniki napięciowe i prądowe. Odmianą transformatorów są autotransformatory, które budowane są zazwyczaj z płynną regulacją napięcia wyjściowego od 0— 250V przy zasilaniu napięciem 220V.

1.1. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator składa się z obwodu magnetycznego oraz dwóch uzwojeń odseparowanych galwanicznie (nie połączonych metalicznie).

Zasadniczymi częściami transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia. Rdzeń stanowi dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę o dużej przenikalności magnetycznej.

W obecnie budowanych transformatorach obwód magnetyczny - rdzeń wykonuje się z blachy elektrotechnicznej (z dodatkiem krzemu - 2,5-4,5%) walcowanej na zimno (tzw. blachy transformatorowej) o grubości około 0,3 mm z izolacją tlenkową. Blacha zimnowalcowana charakteryzuje się, przy strumieniu skierowanym wzdłuż kierunku walcowania, dużą przenikalnością magnetyczną oraz małą stratnością. Dodatek krzemu oraz podział rdzenia na izolowane blachy, powodują zmniejszenie strat mocy czynnej w rdzeniu wskutek prądów wirowych.

Uzwojenie zasilane z sieci nazywa się uzwojeniem pierwotnym, natomiast zasilające odbiornik nazywa się uzwojeniem wtórnym (rys.1). Napięcia i prądy związane z uzwojeniem pierwotnym nazywamy pierwotnymi, a związane z uzwojeniem wtórnym nazywamy wtórnymi. Wszystkie wielkości i parametry uzwojenia pierwotnego oznaczamy wskaźnikiem 1, a uzwojenia wtórnego - wskaźnikiem 2.

Rys.1. Szkic ideowy transformatora jednofazowego.

W transformatorach wykorzystane jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej polegające na indukowaniu siły elektromotorycznej e w uzwojeniu o ilości zwojów z przez wnętrze, którego przenika zmienny strumień Φ

(1)

Uzwojenie pierwotne zasilane napięciem przemiennym wzbudza w rdzeniu przemienny strumień magnetyczny,

(2)

który indukuje w obu uzwojeniach przemienne siły elektromotoryczne, których wartości skuteczne wynoszą:

E_l = 4,44f z₁Φ_m (3)

E₂ = 4,44 f z₂Φ_m (4)

gdzie:

z₁, z₂ - liczby zwojów szeregowych odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego,

Φ_m - amplituda strumienia magnetycznego zmieniającego się sinusoidalnie.

Φ_m = S_Fe B_m (5)

przy czym:

S_Fe - powierzchnia przekroju stali rdzenia,

B_m - amplituda indukcji magnetycznej:

dla blachy walcowanej na zimno, B_m = (1,4 — 1,6)T (średnio 1,5T),

dla blachy walcowanej na gorąco, B_m = (1,2 - 1,4)T (średnio 1,3T).

Przekładnia transformatora:

(6)

Zgodnie z (1), ważną właściwością transformatora jest to, że nie przekazuje on ze strony zasilania na stronę odbioru składowej stałej prądu i dlatego może służyć do jej eliminacji.

W pracy transformatora można wyróżnić trzy charakterystyczne stany:

• stan jałowy,

• stan zwarcia,

• obciążenie.

1.2. Stan jałowy

Stan jałowy ma miejsce, gdy uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem znamionowym a uzwojenie wtórne — otwarte (I₂ = 0). W badaniach laboratoryjnych stan jałowy transformatora wykorzystuje się do wyznaczania przekładni napięciowej Θ_U, prądu stanu jałowego I₀ oraz strat mocy czynnej P_Fe w stali rdzenia.

(7)

ponieważ przy I₂ = 0; U₂₀ = E₂ , natomiast

U₁₀ = E₁ + I₀R₁ + jI₀X₁ (8)

Prąd stanu jałowego I_o0 z uwagi na bardzo małe szczeliny powietrzne w rdzeniu i wykonanie go z ferromagnetyka o dużej przenikalności magnetycznej jest mały (I₀ = (2 - 8)% I_1n).

I₀ = I_0cz + I_0μ (9)

Składowa czynna I_0cz charakteryzuje straty mocy czynnej w stali rdzenia, (strata mocy w uzwojeniu pierwotnym I₀²R₁ — pomijalnie mała), które są praktycznie zależne od kwadratu napięcia zasilającego U₁.

P₀ = U₁ I_0cz ≅ P_Fe (10)

Składowa bierna I_μ nazywana prądem magnesującym, wzbudza w rdzeniu strumień magnetyczny Φ (rys. 2).

Rys. 2. Wykres wektorowy stanu jałowego transformatora

W transformatorach amplituda strumienia Φ_m zgodnie z (3) i (8) zależy od wartości napięcia zasilającego, natomiast amplituda prądu magnesującego I_μ potrzebnego na jego wytworzenie zależy od wymiarów geometrycznych transformatora (powierzchni przekroju poprzecznego rdzenia) a szczególnie od materiału z jakiego wykonany jest rdzeń.

W badaniach eksploatacyjnych, próbę stanu jałowego przeprowadza się do oceny stanu technicznego transformatora a szczególnie do stwierdzenia powstałych zwarć zwojowych.

1.3. Stan zwarcia

W badaniach laboratoryjnych przeprowadza się próbę zwarcia pomiarowego natomiast w eksploatacji transformatora mogą występować tzw. zwarcia ruchowe.

Zwarcie pomiarowe przeprowadza się napięciem obniżonym nazywanym napięciem zwarcia pomiarowego, przy którym prądy w obu uzwojeniach nie przekraczają wartości znamionowych.

Próba taka ma na celu:

1) wyznaczenie procentowego napięcia zwarcia,

(12)

które jest niewielkie i wynosi: U_Z% = 3 - 15% U_1n; (3% - bardzo duże moce, 15% - małe moce),

2) wyznaczenie strat mocy czynnej w uzwojeniach, które odpowiadają znamionowemu obciążeniu,

P_z = I²_1nR₁ + I²_2nR₂ . (13)

Straty mocy czynnej w stali rdzenia z uwagi na niskie napięcie zasilające są pomijalnie małe (10),

3. wyznaczenie parametrów uproszczonego schematu zastępczego transformatora (rys. 3).

Rys. 3. Uproszczony schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia

Zwarcie strony wtórnej przy znamionowym napięciu zasilającym nazywane jest zwarciem ruchowym — eksploatacyjnym.

Znajomość prądu zwarcia I_1z (I_1z = 7 - 33 I_1n) pozwala ustalić zabezpieczenia transformatora przed skutkami zwarć (7 I_1n - jednostki małej mocy; 33 I_1n - jednostki bardzo dużej mocy).

1.4. Stan obciążenia transformatora

W transformatorze obciążonym moce pozorne po obu stronach są praktycznie równe:

U₁ I₁ = S₁ ≅ S₂ = U₂ I₂ (14)

i równe są także amperozwoje:

I₁z₁ ≅ I₂z₂ (15)

Przy stałym napięciu zasilającym U_l napięcie strony wtórnej U₂ nieznacznie zmienia się wraz z obciążeniem

U₁ = ΘU₂+ I₁ R_T + j I₁ X_T (16)

Zależność U₂ = f(I₂) przy U₁ = const. i cosϕ₂ = const. nazywa się charakterystyką zewnętrzną transformatora (rys. 4). Zmienność napięcia wyjściowego przy przejściu transformatora od stanu jałowego do obciążenia znamionowego jest niewielka i wynosi kilka procent, i jest zależna od charakteru obciążenia R, L, C.

Rys. 4. Charakterystyka zewnętrzna transformatora

Sprawności transformatorów z uwagi na brak części wirujących są dość wysokie i wynoszą około 80% dla jednostek małej mocy aż do 99% dla jednostek dużej mocy.

2. Autotransformator

Autotransformator w odróżnieniu od transformatora ma tylko jedno uzwojenie, część którego stanowi uzwojenie wtórne (rys. 5). Z uwagi na metaliczne połączenie strony pierwotnej i wtórnej, autotransformatory mogą być wykorzystywane do zasilania odbiorników w zasadzie tylko przy niskim napięciu nie przekraczającym 250V. Do celów laboratoryjnych najczęściej autotransformatory budowane są na napięcie pierwotne 220V, natomiast napięcie wtórne regulowane od 0-250V. W części uzwojenia BC występuje różnica prądów I₁ i I₂, zatem ta część uzwojenia może być wykonana przewodem o odpowiednio mniejszej powierzchni przekroju.

Rys. 5. Autotransformator jednofazowy

W autotransformatorze nieregulowanym rozróżnia się dwie moce:

moc przechodnia:

S_p = U₁ I₁ ≅ U₂ I₂ (17)

oraz moc własna

S_w = I₁ (U₁ - U₂), (18)

która decyduje o wymiarach, masach rdzenia i uzwojeń autotransformatora.

3. Przekładnik prądowy

Przekładnik prądowy przeznaczony jest do poszerzania zakresów pomiaro­wych mierników (amperomierzy, watomierzy, liczników energii) jak również do umożliwienia pomiarów tych wielkości w układach wysokonapięciowych. Przekładnik prądowy włącza się do sieci szeregowo z odbiornikiem podobnie jak amperomierz (rys. 6). Uzwojenie wtórne jak również rdzeń są uziemione.

Rys. 6. Pomiar prądu z wykorzystaniem przekładnika prądo­wego

Przekładnik prądowy z uwagi na małą wartość impedancji mierników, pracuje podobnie jak transformator w stanie zwarcia, dla którego obowiązuje zależność:

I₁ z₁ = I₂ z₂ (19)

Przekładnia prądowa przekładnika

(7)

W czasie pracy przekładnika (obwód wtórny zamknięty), strumień w rdzeniu jest bardzo mały. Przerwa w obwodzie wtórnym przekładnika powoduje wzrost strumienia magnetycznego, w następstwie czego w obwodzie tym pojawia się znaczne napięcie mogące zniszczyć izolacje uzwojeń, jak również zagrażać bezpieczeństwu obsługi. Prąd wtórny przekładników technicznych wynosi 5A, pierwotny natomiast do kilku tysięcy A, w zależności od potrzeb.

4. Wykonanie ćwiczenia

4.1. Badanie transformatora jednofazowego

Dane znamionowe:

Należy zapoznać się z budową transformatora, podstawowe dane znamionowe zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1.

S	U1n	I1n U1N	U20	I2n
250VA	50V	5A	25V	10A

Próba stanu jałowego

Układ pomiarowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 7.

Rys.7. Schemat stanowiska pomiarowego

Należy podłączyć do układu amperomierze A₁ i A₂ oraz watomierz elektrodynamiczny W zgodnie ze schematem. Następnie należy założyć zworki 11 i 12.

Uwaga!!! Po wykonaniu połączeń prawidłowość ich wykonania powinna być sprawdzona przez prowadzącego zajęcia przed włączeniem zasilania!!!.

Włączyć zasilanie stanowiska i za pomocą dźwigni autotransformatora ustawić napięcie na uzwojeniu pierwotnym równe napięciu znamionowemu (50V).

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 2.

Pomiary				Obliczenia
U10	I0	P0	U20	Θ	I0	P0	cosϕ
V	A	W	V	-	%	%	-

Poszczególne wielkości obliczyć korzystając z zależności:

W sprawozdaniu przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

Próba obciążenia

Próbę obciążenia należy przeprowadzić dla znamionowego napięcia zasilającego badany transformator. Na stanowisku pomiarowym należy dodatkowo założyć zworki 21 i 22 oraz zw₁.

Zmiana obciążenia dokonywana jest za pomocą opornicy. Przesuwając suwak opornicy należy zwiększać obciążenie transformatora.

Wyniki pomiarów zestawić w tabeli:

Lp.	Pomiary					Obliczenia
		U1	I1	P1	U2	I2	cos 1
		V	A	W	V	A
1
2
3
4
5

Wykreślić charakterystyki zewnętrzne transformatora U2=f(I2), I1= f(I2), cosφ1=f(I2), oraz mocy pobieranej ze źródła zasilania (sieci).

Próba zwarcia pomiarowego

Za pomocą dźwigni autotransformatora obniżyć napięcie wyjściowe transformatora do zera. Usunąć zworkę zw₁ i założyć zworkę zw₂.

Uwaga!!! Nie wolno zakładać zworki zw₂ przed wcześniejszym sprawdzeniem wartości napięcia zasilającego stronę pierwotną transformatora, ponieważ grozi to uszkodzeniem stanowiska - po stronie pierwotnej i wtórnej transformatora badanego spowodujemy przepływ prądów przekraczających wartości znamionowe.!!!

Stopniowo zwiększać napięcie zasilające stronę pierwotną transformatora za pomocą dźwigni autotransformatora obserwując wskazania amperomierza A₂, aż do momentu uzyskania prądu znamionowego po stronie wtórnej.

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli:

Pomiary			Obliczenia
U1z	I1	Pz	Uz%	ΔPCu%	cosϕ	I1z
V	A	W	%	%	-	A

W obliczeniach korzystamy z zależności:

Ponadto, w sprawozdaniu należy wyznaczyć schemat zastępczy transformatora dla stanu zwarcia pomiarowego (zob. rys. 3), obliczając parametry uproszczonego schematu zastępczego korzystając z zależności:

Literatura

1. Kurdziel R. „Podstawy elektrotechniki” PWN Warszawa 1973

2. Bolkowski S. „Elektrotechnika teoretyczna” WNT Warszawa 1986

3. Przeździecki F. lub Przeździecki F.,Opolski A.: Elektrotechnika i elektronika. PWN Warszawa.

4. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa.

5. Praca zbiorowa - Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. PWN, W-wa.

Pytania kontrolne

1. Budowa, zasada działania i cel stosowania transformatorów jednofazowych. Co to jest przekładnia transformatora.

2. Określ co to jest napięcie zwarcia transformatora i co z niego wynika.

3. Jakie straty w transformatorze występują i od czego zależą (wzory).

4. Kiedy transformator osiąga najwyższą sprawność - uzasadnij.

5. W jaki sposób wyznaczamy straty w obwodzie magnetycznym transformatora, a w jaki straty w uzwojeniach.

---