| Wykonujący ćwiczenie: | Mariusz Gębala, Aleksander Pulzin, Ariel Samczyński Grupa 3 |
| Nr ćwiczenia: | 8 |
| Temat ćwiczenia: | Transformator jednofazowy |
| Data wykonania ćwiczenia: | 06.05.2013r |
| Data oddania sprawozdania: | 13.05.2013r |
| Ocena raportu: | |
| Uwagi prowadzącego: |
Celem ćwiczenia było poznanie budowy, zasady działania i własności transformatora oraz zachodzących w nim zjawisk w stanie jałowym, przy próbie zwarcia i obciążeniu.
Transformator urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).
Transformator umożliwia w ten sposób na przykład zmianę napięcia panującego w sieci wysokiego napięcia, które jest odpowiednie do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, na niskie napięcie, do którego dostosowane są poszczególne odbiorniki. W sieci elektroenergetycznej zmiana napięcia zachodzi kilkustopniowo w stacjach transformatorowych.
Z kolei w elektrowniach, gdzie napięcie generatora zawiera się w granicach od 6 kV do dwudziestu kilku kV, stosuje się transformatory blokowe. Podwyższają one napięcia z poziomu napięcia generatora, na poziom sieci przesyłowej (z reguły 220 lub 400 kV).
Według wielu autorów transformator nie jest maszyną elektryczną lecz urządzeniem, autorzy ci argumentują, że nie posiada on części ruchomych, wchodzi on jednak zwykle w zakres nauczania maszyn elektrycznych, gdyż zachodzą w nim zjawiska identyczne (poza ruchem) jak w maszynach prądu przemiennego.
Transformator składa się z dwóch zasadniczych elementów: stalowego rdzenia i uzwojeń (cewek) wykonanych z miedzi lub aluminium.
Rdzeń jest obwodem magnetycznym transformatora i służy do przewodzenia strumienia magnetycznego. Składa się on z kolumn, na które nawija się uzwojenie oraz jarzm, które łączą kolumny. Najczęściej rdzeń transformatora wykonuje się z cienkich, odpowiednio izolowanych, silnie nakrzemionych blach, dzięki czemu zmniejsza się straty powstające na skutek prądów wirowych i histerezy.
Obwodami elektrycznymi transformatora są uzwojenia osadzone na kolumnach. Wykonuje się je z izolowanych przewodów miedzianych lub aluminiowych.
Oba uzwojenia są zazwyczaj odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotnei uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.
W transformatorach stosuje się kilka rodzajów uzwojeń, najczęściej występującym jest uzwojenie cylindryczne, gdzie oba uzwojenia (pierwotne i wtórne) wykonane są w formie koncentrycznych cylindrów. Oba cylindry osadzone są na jednej kolumnie. Uzwojenie dolne osadzone jest bezpośrednio na kolumnie, a uzwojenie górne na uzwojeniu dolnym. Oba uzwojenia są oddzielone izolacją, zarówno od kolumny, jak i od siebie.
Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej – powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie). Jeżeli pominie się opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń i przyjmie się, że cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez rdzeń do uzwojenia wtórnego (nie ma strat pola magnetycznego na promieniowanie), to taki transformator nazywamy idealnym. Dla transformatora idealnego obowiązuje wzór:
$$\frac{U_{\text{we}}}{U_{\text{wy}}} = \frac{I_{\text{we}}}{I_{\text{wy}}} = \frac{n_{\text{we}}}{n_{\text{wy}}}$$
gdzie:
U – napięcie elektryczne,
I – natężenie prądu elektrycznego,
n – liczba zwojów,
indeks we – strona pierwotna (stosuje się również indeks – 1),
indeks wy – strona wtórna (stosuje się również indeks – 2).
Zależność pomiędzy natężeniami i napięciami wynika z wyżej opisanych zależności i z zasady zachowania energii. W tym przypadku sprowadza się to do równości mocy wejściowej i wyjściowej:
Pwe = Pwy
Uwe * Iwe = Uwy * Iye
Poniższy stosunek:
$$z = \frac{n_{\text{we}}}{n_{\text{wy}}}$$
nazywamy przekładnią transformatora.
Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, to indukowane napięcie jest niższe od napięcia pierwotnego, taki transformator nazywa się obniżającym napięcie. Jeżeli liczba zwojów po stronie uzwojenia wtórnego jest większa od liczby zwojów po stronie uzwojenia pierwotnego, to napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, a taki transformator nazywa się transformatorem podwyższającym napięcie.
Podczas pracy transformatora rzeczywistego, czyli podczas przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, tracona jest część mocy. Ma to miejsce w rdzeniu transformatora (tzw. straty w żelazie, wynikające z nagrzewania się rdzenia i zużywania mocy na magnesowanie rdzenia) oraz w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi, wynikają z oporności materiału, z którego wykonane jest uzwojenie wtórne). Stosunek mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator określa sprawność transformatora.
Zastosowanie szkła metalicznego do budowy rdzenia transformatora pozwala kilkukrotnie zmniejszyć zachodzące tam straty, gdyż w rdzeniu amorficznym nie zachodzą straty ciepła.
Transformatory amorficzne (o miękkim rdzeniu wykonanym ze szkła metalicznego) są jednak dwu-, trzy-, a nawet czterokrotnie droższe od zwykłych transformatorów. Ze względu na wysoką cenę nie ma na nie popytu na rynku krajowym. Natomiast są kupowane np. w USA czy w Niemczech.
W transformatorach dużych mocy poważną rolę odgrywają również straty w metalowych częściach konstrukcyjnych, jak ścianki, pokrywa i dno kadzi, belki jarzmowe, konstrukcje pracujące uzwojenia, itp. W praktyce stosuje się różne sposoby zmniejszania tych strat, np. wykonuje się niektóre części transformatora z materiałów niemagnetycznych, na wewnętrznych ścianach kadzi instaluje się ekrany magnetyczne, niekiedy całe kadzie wykonuje się ze stopów aluminium.
Pomiary podzielone były na trzy etapy. W pierwszym etapie mierzone były napięcie, prąd i moc na autotransformatorze pierwotnym podczas jego pracy jałowej. W drugim etapie mierzone były napięcie, prąd i moc na transformatorze wtórnym podczas stanu jego zwarcia. Trzeci etap pomiarów polegał na odczytaniu napięć, prądów i mocy dla obu transformatorów podczas stałego obciążenia.
W ćwiczeniu wykorzystano następujące urządzenia :
autotransformator AL-2500
transformator TST 2500/003
miernik DW-6060 (x2)
grzejnik HNC-2002 (2000W)
Charakterystykami stanu jałowego transformatora nazywamy zależność prądu w stanie jałowym I0 , mocy pobranej I0 i współczynnika mocy cosϕ0 od napięcia przyłożonego do jednych zacisków przy drugich zaciskach otwartych i przy stałej częstotliwości napięcia zasilającego (f = const).
Rysunek 1 - Schemat układu stanu jałowego
Pomiary wykonywane były od około 120V do około 230V, co 30V. Wartości napięć, prądów i mocy zapisane zostały w tabeli. Na podstawie uzyskanych danych wyliczone zostały pozostałe wartości umieszczone w tabeli takie jak straty biegu jałowego, współczynnik mocy, składowa czynna biegu jałowego i prąd magnesujący.
Wykorzystane wzory:
$$\cos\varphi_{0} = \frac{P_{1}}{U_{1}*I_{1}}\backslash n$$
Próbę zwarcia wykonuje się do takiego napięcia zasilającego jedno z uzwojeń przy zwartym drugim uzwojeniu, aby w uzwojeniach transformatora wystąpił prąd o wartościach znamionowych. Napięcie to, zwane napięciem zwarcia, jest bardzo małe i stanowi zwykle zaledwie od kilku do kilkunastu procent napięcia znamionowego.
Rysunek 2- Schemat układu stanu zwarcia
Wykonane zostały tylko dwa pomiary ze względu na trudności w ustawieniu napięcia. Wartość zmieniała się bardzo gwałtownie. Dane zamieszczone są w tabeli.
Wykorzystane wzory:
$$\cos\varphi_{0} = \frac{P_{1}}{U_{z}*I_{z}}$$
Charakterystyką zewnętrzną transformatora nazywamy zależności napięcia wyjściowego U2 i sprawności η w funkcji prądu obciążenia I2 przy stałej wartości napięcia zasilającego oraz stałym cosϕ2.
Rysunek 3- Schemat układu pracy zewnętrznej
Ta część ćwiczenia polegała na zmieżeniu napięć, prądów i mocy na uzwojeniu pierwotnym oraz wtórnym. Zebrane dane oraz wartości wyliczone zamieszczone zostały w tabeli.
Wykorzystane wzory:
$$\cos\varphi_{1} = \frac{P_{1}}{U_{z}*I_{z}}\backslash n$$
U2 = η * U1 ∖ n
Przekładnia transformatora: