POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA
LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI
Ćwiczenie nr 5
Data wykonania ćwiczenia: 13.04.2015

Cel ćwiczenia:

Cel ćwiczenia to poznanie budowy i zasady działania dławika i transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym oraz zbadanie obwodów elektrycznych zawierających te elementy i wyznaczenie odpowiednich charakterystyk.

Część teoretyczna:

Dławikiem nazywa się cewkę indukcyjną z rdzeniem ferromagnetycznym. Materiał z jakiego wykonany jest rdzeń ma nieliniową charakterystykę magnesowania z czego wynika, że cewka jest elementem nieliniowym. Transformator z rdzeniem ferromagnetycznym jest urządzeniem, w którym następuje przekazywanie energii elektrycznej z jednego obwodu do drugiego za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Jest zbudowany z różnej ilości cewek zazwyczaj połączonych galwanicznie. Uzwojenie do którego dostarczana jest energia nazywa się uzwojeniem pierwotnym, natomiast uzwojenie do którego energia jest przekazywana uzwojeniem wtórnym.

Schematy pomiarowe:

a) do badania transformatora w stanie jałowym:

b) do badania transformatora w stanie zwarcia:

c) do obserwacji pętli histerezy:

Spis przyrządów:

- amperomierz TYP LE-3

- amperomierz TYP LM-1

- woltomierz TYP LE-3

- woltomierz TYP LE-1

- watomierz TYP TLWFD-3

- transformator 220V/24V 100VA

- autotransformator

Tabela pomiarowa stanu jałowego transformatora.

Lp.	U10	U20	I0	P0	R	PFe	GFe	B	Cosϑ0
	V	V	A	W	Ω	W	S	S
1	56	6	0,015	1	6	0,998	-0,0208	-0,029519	0
2	88	10	0,03	2	6	1,99	0,00011022	0,0001957	0,75
3	108	12	0,035	3	6	2,99	0,00011639	0,0001857	0,79
4	132	15	0,05	4	6	3,985	0,00007441	0,0002035	0,606
5	152	17	0,065	5	6	4,97	0,00005565	0,0002048	0,506
6	169	19	0,07	6	6	5,97	0,00005052	0,0001981	0,507
7	184	21	0,09	7	6	6,95	0,00003569	0,0002019	0,423
8	192	22	0,095	8	6	7,94	0,00004009	0,0002105	0,438
9	204	23	0,11	9	6	8,93	0,00003327	0,0002115	0,40
10	212	24	0,125	10	6	9,91	0,00003188	0,0002193	0,377

Obliczenia i wzory:

P_Fe = P₀ − R|I|² = 1 − 6 * 0, 015² = 0, 998W

$$G_{\text{Fe}} = \frac{\frac{U_{10}}{I_{0}}\cos\varphi_{0} - R_{1}}{\left( \frac{U_{10}}{I_{0}}\cos\varphi_{0} - R_{1} \right)^{2}{+ \left( \frac{U_{10}}{I_{0}}\sin\varphi_{0} - X_{\text{lr}} \right)}^{2}} = \frac{\frac{88}{0,03}*0,75 - 15,96}{\left( \frac{88}{0,03}*0,75 - 15,96 \right)^{2}{+ \left( \frac{88}{0,03}*1,33 - 22,61 \right)}^{2}}$$

=0, 00011022 S

$$\mathbf{B =}\frac{\frac{U_{10}}{I_{0}}\sin\varphi_{0} - X_{\text{lr}}}{\left( \frac{U_{10}}{I_{0}}\cos\varphi_{0} - R_{1} \right)^{2}{+ \left( \frac{U_{10}}{I_{0}}\sin\varphi_{0} - X_{\text{lr}} \right)}^{2}} = \frac{\frac{88}{0,03}*1,33 - 22,61}{\left( \frac{88}{0,03}*0,75 - 15,96 \right)^{2}{+ \left( \frac{88}{0,03}*1,33 - 22,61 \right)}^{2}}$$

                                                                             = 0, 0001957 S

Tabela pomiarowa stanu zwarcia transformatora.

Lp.	U1z	I1z	I2z	P1z	cosφz	R1=R2	X1r=X2r
	V	A	A	W		Ω	Ω
1	19	0,5	4,16	8	0,84	15,96	22,61

Obliczenia i wzory:

$$R_{1} = R_{2}^{'} = \frac{U_{1z}}{2I_{1z}}\cos\varphi_{z} = \frac{19}{2*0,5}*0,84 = 15,96\mathrm{\Omega}$$

$$X_{\text{lr}} = X_{r2} = \frac{U_{1z}}{2I_{1z}}\sin\varphi_{z} = \frac{19}{2*0,5}*1,19 = 22,61\mathrm{\Omega}$$

$$\cos\varphi_{z} = \frac{P_{1z}}{U_{1z}*I_{1z}} = \frac{8}{19*0,5} = 0,84$$

Przekładnia transformatora:

ϑ

Schemat zastępczy transformatora w stanie jałowym i wykres wektorowy

Schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia i wykres wektorowy

Schemat zastępczy transformatora w stanie obciążenia i wykres wektorowy

Pętla histerezy:

Po zwiększeniu napięcia uzyskała odpowiedni kształt:

Teoretyczne omówienie jak powstaje pętla histerezy.

Pętla histerezy to wykres przedstawiający zależność namagnesowania ferromagnetycznego rdzenia transformatora od natężenia pola magnetycznego wytworzonego przez cewkę (uzwojenie transformatora). Histereza jest różnicą w wartościach namagnesowania rdzenia przy jednej i tej samej wartości natężenia pola magnetycznego w zależności od poprzedniego stanu namagnesowania rdzenia ferromagnetycznego. Przez histerezę pole ograniczone jest proporcjonalne do strat energii w jednostce objętości podczas jednego cyklu przemagnesowania.

Wnioski:

W wyniku przeprowadzonych pomiarów otrzymaliśmy charakterystyki oraz wyznaczyliśmy parametry dławika i transformatora. Pętla histerezy jest dokładnie taka jak ta teoretyczna. Celem ćwiczenia było również poznanie parametrów dławika i transformatora w kolejnych stanach. Po połączeniu kolejnych układów i odczytaniu wskazań z urządzeń mierniczych, wyniki pomiarów zamieszczono w tabelach wraz z stosownymi obliczeniami. Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte. Transformator w stanie jałowym jest nieobciążony, a więc nie oddaje żadnej mocy (w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd). Wniosek z tego, że cała moc pobrana w stanie jałowym jest zużyta na pokrycie strat. Są to straty w miedzi, które są pomijalnie małe oraz straty w rdzeniu. W stanie jałowym transformator pobiera bardzo małą moc czynną i bardzo dużą (w stosunku do mocy czynnej) moc bierną.

Stan zwarcia transformatora nazywa się taki stan, w którym do uzwojenia pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte. Napięcie na zaciskach zwartego uzwojenia jest równe zero i dlatego, mimo że w uzwojeniu płynie prąd, nie oddaje ono mocy na zewnątrz do odbiornika. Moc pobierana przez zwarty transformator pokrywa wyłącznie straty, zamieniając się całkowicie w ciepło.