AKADEMIA BYDGOSKA

Im. Kazimierza Wielkiego

W BYDGOSZCZY

Instytut techniki

Sprawozdanie z ćwiczenia

Badanie transformatora jednofazowego

Wykonanie:

Krzysztof Lesniacki

Łukasz Dzięcioł

Daniel Pietras

II WT/C

Bydgoszcz 2003

1.Wiadomości ogólne

Maszyny elektryczne wirujące dzieli się na maszyny prądu stałego i maszyny prądu przemiennego. Każda maszyna elektryczna jest w zasadzie odwracalna, tzn. może pracować w zakresie pracy prądnicowej (prądnica, generator) - przetwarzając energię mechaniczną na elektryczną, lub w zakresie pracy silnikowej (silnik, motor) - przetwarzając energię elektryczną w mechaniczną.

Podział maszyn elektrycznych:

Maszyny elektryczne

Transformator Maszyny wirujące

Maszyny prądu Maszyny prądu

przemiennego stałego

komutatorowe asynchroniczne synchroniczne obcowzbudne samowzbudne

Maszyny elektryczne działają na zasadzie indukcji elektromotorycznej, polegającej na wytwarzaniu siły elektromotorycznej w przewodnikach, znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym. Część maszyny, w której powstaje pole magnetyczne, nazywa się magneśnicą, natomiast ta część, w której wytwarza się SEM, nazywa się twornikiem.

W maszynach prądu stałego magneśnicą jest stojan (część nieruchoma) a twornikiem - wirnik (część ruchoma).

Stojan składa się z jarzma stalowego lub żeliwnego oraz biegunów, na których umocowane są cewki wzbudzające. Prąd magnesujący I_m, przepływający przez uzwojenia cewek wzbudzających, wytwarza strumień magnetyczny Φ_m, który zamyka się przez rdzenie biegunów, jarzmo, szczeliny powietrzne oraz rdzeń wirnika. Strumień ten dzieli się na dwa strumienie Φ_m/2, przebiegające w dwóch równoległych obwodach magnetycznych.

Wirnik składa się z osadzonego na wale maszyny rdzenia w kształcie walca wykonanego z krążków blachy nakrzemionej, odizolowanych od siebie papierem w celu zmniejszenia prądów wirowych. Na zewnętrznym obwodzie rdzenia wirnika wycięte są żłobki, równoległe do osi wirnika, w których umieszczone jest uzwojenie wirnika wykonane z miedzianych przewodów izolowanych.

Przy wirowaniu twornika w polu magneśnicy zachodzą w maszynie prądu stałego dwa podstawowe zjawiska:

• w przewodach twornika indukuje się SEM o wartości określonej wzorem: E=Blυ [V],

gdzie:

B - indukcja magnetyczna

l - długość przewodu

υ - prędkość, jaką przewód przecina w kierunku prostopadłym linie sił pola magnetycznego.

• przy przepływie prądu w przewodach twornika działa na nie siła mechaniczna o wartości: F=BIl [N], gdzie I to natężenie prądu w przewodach twornika.

Siły mechaniczne działające na przewody wirnika powodują powstanie momentu elektromagnetycznego, który przy pracy prądnicowej jest skierowany przeciwnie do kierunku wirowania. Natomiast przy pracy silnikowej moment ten ma kierunek zgodny z kierunkiem wirowania.

Maszyny prądu stałego ze względu na sposób zasilania obwodu wzbudzenia dzielą się na dwa rodzaje:

• obcowzbudne,

• samowzbudne.

W maszynach obcowzbudnych uzwojenie wzbudzające połączone jest z obcym źródłem energii. W maszynach samowzbudnych uzwojenie wzbudzające połączone jest z twornikiem.

W zależności od sposobu połączenia obwodu wzbudzenia z twornikiem maszyny samowzbudne dzielą się na: bocznikowe, szeregowe i szeregowo-bocznikowe.

2.Zasada działania prądnicy

Zasada działania prądnicy oparta jest na zjawisku wytwarzania siły elektromotorycznej E w przewodniku, który przecina linie pola magnetycznego.

Twornik prądnicy napędzany jest silnikiem napędowym ze stałą prędkością kątową ω. Prąd magnesujący I_m płynący w uzwojeniu wzbudzenia wytwarza główny strumień magnetyczny ϕ. Strumień ten indukuje w wirującym uzwojeniu twornika siłę elektromotoryczną E. Wartość powstałej E jest tym większa, im większy jest strumień ϕ i im większa jest prędkość ω.

Jeżeli do prądnicy zostanie przyłączony odbiornik, to w uzwojeniu twornika popłynie prąd I_t. Prąd ten wytworzy dodatkowy strumień magnetyczny ϕ_t o kierunku poprzecznym do strumienia wytworzonego przez magnesy główne. W wyniku wzajemnego oddziaływania tych dwóch strumieni powstaje strumień wypadkowy ϕ. Strumień wypadkowy w stosunku do strumienia głównego ma przebieg niesymetryczny oraz mniejszą wartość. Zjawisko to powoduje niepożądane skutki i nazywa się oddziaływaniem lub reakcją twornika.

3.Wykonanie ćwiczenia

1) Wyznaczanie charakterystyki biegu jałowego

Układ pomiarowy połączono według poniższego schematu:

Prądnica napędzana jest silnikiem bocznikowym prądu stałego. Charakterystykę tę zdejmuje się przy biegu jałowym prądnicy, przy wzrastającym i malejącym prądzie wzbudzenia. Po uruchomieniu silnika ustalono za pomocą oporu R_ms znamionową prędkość obrotową prądnicy. Następnie włączono wyłącznik W₂ i zmieniano prąd wzbudzenia prądnicy od 0 do wartości maksymalnej i ponownie do 0. Wyniki zamieszczono w tabeli nr 1 w następnym punkcie.

2. Wyznaczanie charakterystyki zewnętrznej prądnicy obcowzbudnej

Schemat połączeniowy jest taki sam, jak poprzednio.

Po dokonaniu rozruchu silnika i wyregulowaniu prędkości znamionowej prądnicy ustalono oporem R_mp taki prad wzbudzenia prądnicy, aby napięcie było równe znamionowemu. Następnie przyłączono odbiornik R_obc i zmniejszano stopniowo rezystancję odbiornika Robc do momentu, aż prąd osiągnął wartość 1,3I_n. Wyniki umieszczono w tabeli nr 2 w nastepnym punkcie.

3) Wyznaczanie charakterystyki regulacyjnej dla pradnicy samowzbudnej

Schemat połaczeń:

Pomiary przeprowadzono dla wzrastającego obciążenia od I=0 i dla takiego prądu I_m, przy którym napięcie U=Un. Zwiększając natężenie prądu obciążenia I, zmieniano prąd wzbudzenia I_m tak, aby napięcie na zaciskach prądnicy było stałe, równe znamionowemu. Wyniki umieszczono w tabeli nr 3.

4.Wyniki

lp.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Im[A]	0	70	71	79	93	105	122	143	190
E[V]	19	125	130	142	164	170	200	221	255

Tabela nr 1:

Im[A]	150	135	120	110	95	88	70	70	0
E[V]	240	224	210	200	180	170	150	141	20

Tabela nr 2

I [A]	0	0,3	0,65	0,95	1,25	1,5	1,75	2
U [V]	290	225	220	217	214	210	207	203

Wykres U = f(I)

I [mA]	0	30	40	42	55	105	130	180
U [V]	75	80	85	90	107	180	221	250

Tabela nr 3

I [mA]	0	30	40	42	55	105	130	180
U [V]	75	80	85	90	107	180	221	250

Tabela nr 4

I [mA]	0	30	40	42	55	105	130	180
U [V]	75	80	85	90	107	180	221	250

5.Wnioski

Charakterystyka biegu jałowego jest to zależność E na zaciskach prądnicy nieobciążonej od prądu wzbudzenia przy stałej prędkości kątowej prądnicy. Z wykresu wynika, że dla takich samych wartości Im siła elektromotoryczna jest większa przy prądzie malejącym w stosunku do krzywej prądu wzrastającego. Wynika to z faktu, iż podczas wzrastającego prądu magnetyzm szczątkowy jest niewielki, natomiast podczas obniżania wartości Im, nasycenie magnetyczne przewodnika jest już wyższe i to powoduje zwiększone wartości przy obniżaniu Im.

Charakterystyka zewnętrzna jest to zależność napięcia na zaciskach od prądu obciążenia przy stałej wartości rezystancji w obwodzie wzbudzenia i przy stałej prędkości kątowej. Z wykresu wynika, że napięcie na zaciskach prądnicy maleje wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Dzieje się tak, ponieważ zmniejsza się strumień magnetyczny ϕ wraz z obciążeniem, a więc i siła elektromotoryczna E E=kϕω. Skoro maleje E, to maleje również U U=E-IΣR_t.

Charakterystyka regulacyjna to zależność prądu wzbudzenia od prądu obciążenia prądnicy przy stałym napięciu znamionowym i przy stałej prędkości kątowej. Jeżeli napięcie na zaciskach ma pozostać takie same (stałe) przy rosnącym obciążeniu prądnicy, to należy zwiększyć prąd magnesujący Im o tyle, aby powiększyć strumień wraz z siłą elektromotoryczną, które skompensują spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej prądnicy. Powyższa teoria znalazła potwierdzenie w wykonanym ćwiczeniu (jeżeli wzrasta I, to musi wzrosnąć - i wzrasta - Im).

---