Nr Ćw: 45	Temat: Badanie transformatora trójfazowego	Nr. Grupy 2
Data: 7.02.2012r	Skład grupy:	Ocena:

45. Badanie transformatora trójfazowego

1.Wiadomości wstępne

Gwiazda (połączenie)

Gwiazda jest rodzajem połączenia w układach trójfazowych, oznaczanym symbolem Y. W połączeniu typu gwiazda napięcie na elementach E (E może w tym przypadku oznaczać rezystancję, impedancję, itp.) jest wypadkową wartością wynikającą z symetryczności (lub niesymetryczności), natomiast prądy płynące przez te elementy są równe prądom fazowym.

Czasami zachodzi potrzeba zastąpienia układu połączonego w gwiazdę równoważnym układem połączonym w trójkąt. Równoważność oznacza tutaj warunek niezmienności prądów i napięć w tej części obwodu, która nie podlega przekształceniu.

Wzory pozwalające przekształcić gwiazdę w trójkąt jej równoważny:

gdzie

Z₁,Z₂,Z₃ - impedancje na poszczególnych gaÅ‚Ä™ziach gwiazdy

Z₁₂,Z₁₃,Z₂₃ - impedancje na poszczególnych gaÅ‚Ä™ziach trójkÄ…ta

Transfigurację (przekształcenie) można wykonać zarówno z gwiazdy na trójkąt jak i na odwrót.

Trójkąt (połączenie)

Trójkąt jest rodzajem połączenia w układach trójfazowych, oznaczanym symbolem Δ. W połączeniu typu trójkąt napięcie na elementach E (E może w tym przypadku oznaczać rezystancję, impedancję, itp.) równe jest napięciu międzyfazowemu, natomiast prądy płynące przez te elementy są wypadkową odpowiednich prądów fazowych.

Czasami zachodzi potrzeba zastąpienia układu połączonego w trójkąt równoważnym układem połączonym w gwiazdę. Równoważność oznacza tutaj warunek niezmienności prądów i napięć w tej części obwodu, która nie podlega przekształceniu.

Wzory pozwalające przekształcić trójkąt w gwiazdę mu równoważną:

gdzie

Z₁,Z₂,Z₃ - impedancje na poszczególnych gaÅ‚Ä™ziach gwiazdy

Z₁₂,Z₁₃,Z₂₃ - impedancje na poszczególnych gaÅ‚Ä™ziach trójkÄ…ta

Transfigurację (przekształcenie) można wykonać zarówno z trójkąta na gwiazdę jak i na odwrót.

Transformator

Transformator (z łac. transformare – przekształcać) – 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.

Budowa

Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami), nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego.

Oba obwody 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 pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.

Zasada działania

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:

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:

Poniższy stosunek:

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.

Straty mocy w transformatorze

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

Rodzaje

Istnieją też transformatory, w których jedno uzwojenie jest częścią drugiego (autotransformatory), o większej liczbie uzwojeń oraz o wielu wyprowadzeniach z tego samego uzwojenia.. Uzwojeń może być kilka, często spotyka się transformatory o np. dwóch dolnych napięciach lub trzech różnych.

W systemach prądu wielofazowego (np. trójfazowego) stosuje się transformatory wielofazowe (trójfazowe). W transformatorach takich rdzenie poszczególnych faz mogą mieć części wspólne. Nie jest to jednak warunek konieczny, ponieważ np. w sieciach wysokiego napięcia stosuje się transformatory jednofazowe (po jednym na każdą fazę).

Transformatory elektroenergetyczne dla niskich napięć izolowane są powietrzem, dla wyższych stosuje się olej transformatorowy, pełniący równocześnie funkcje chłodzące. Dodatkowo, transformatory dużej mocy wyposażone są w radiatory lub chłodnice oraz wentylatory jak również w rozbudowane systemy zabezpieczeń.

Transformatory trójfazowe

Trójfazowy transformator suchy firmy Noratel

Z teoretycznego punktu widzenia transformator trójfazowy działa jak trzy oddzielne transformatory jednofazowe o wspólnych kolumnach rdzenia, w których obwód magnetyczny zewnętrznych kolumn jest dłuższy w porównaniu z kolumną centralną. Transformacja napięcia jest określona stosunkiem liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego (przekładnia transformatora) przy założeniu, że uzwojenia pierwotne i wtórne są połączone w tej samej konfiguracji czyli Yy, Dd lub Zz.

Przekładnia transformatora trójfazowego może być zmieniania przez zmianę konfiguracji połączeń uzwojeń między połączeniem w gwiazdę lub trójkąt. Otrzymujemy wtedy połączenia mieszane. W takim przypadku stosunki napięć na uzwojeniach pierwotnych i wtórnych nie są takie same, jak odpowiednie stosunki liczby zwojów. Przekładnie określające stosunki napięć między poszczególnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi są obliczane niezależnie od stosunków liczby zwojów.

2. Schemat układu

Pomiar przekładni

Badanie stanu jałowego transformatora

Stan jałowy występuje wówczas, jeżeli jedno uzwojenie zasilamy napięciem sinusoidalnym (zmiennym), natomiast drugie uzwojenie pozostaje rozwarte (nie płynie prąd).

Opis zjawiska:

W wyniku przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne w rdzeniu powstaje strumień magnetyczny, który przenika obydwa uzwojenia oraz strumień związany ze zwojami strony pierwotne. Strumień główny przenikający uzwojenie wtórne powoduje wyindukowanie źródła SEM (napięcia), ale w związku z brakiem przepływu prądu przez uzwojenie wtórne, w związku z rozwarciem powstaje anty strumień magnetyczny blokujący wytwarzanie się coraz mocniejszego strumienia głównego i w ten sposób ogranicza on pobór mocy od strony pierwotnej transformatora do omalże zera.

Badanie stanu zwarcia transformatora

Stan zwarcia transformatora jest to taki stan, w którym jedno uzwojenie jest zasilane napięciem U1, natomiast drugie jest zwarte.

Opis zjawiska:

W praktyce wyróżnia się dwa rodzaje zwarć:

a) Zwarcie pomiarowe (laboratoryjne), które dokonuje sie celowo by wykonać pomiar tj. pomierzenie strat mocy, rezystancji, reaktancji uzwojeń oraz określenie napięcia zwarcia transformatora.

Zwarcie takie realizujemy zasilając uzwojenie pierwotne napięcie obniżonym stanowiącym 4% - 12% napięcia znamionowego przy zwarciu strony wtórnej transformatora.

W takim przypadku przez obydwa uzwojenia płyną prądy nie przekraczające prądów znamionowych i w sposób bezpieczny możemy dokonać pomiarów.

b) Zwarcie awaryjne - występuje jeżeli stronę pierwotną zasilimy napięciem znamionowym przy zwarciu strony wtórnej. Zwarcie awaryjne jest niepożądane i jest wynikiem awarii polegającej na uszkodzeniu izolacji uzwojeń strony wtórnej lub przy zwarciu nieizolowanych zacisków uzwojeń strony wtórnej. W wyniku takiego zwarcia przez uzwojenie pierwotne i wtórne popłynie bardzo duży prąd zwarciowy, wielokrotnie większy od wartości znamionowych.

3.Tabele

Pomiar przekładni

Badanie stanu jałowego transformatora

Badanie stanu zwarcia transformatora

4.Wnioski

Na podstawie otrzymanych charakterystyk i wyników dzięki którym zostały nakreślone sprawdzono ich zgodność z charakterystykami znamionowymi poszczególnych stanów transformatora .