Elektrotechnika II - laboratorium
Wtorek 12.10.2010 17:15-20:00	Prowadzący zajęcia: mgr inż. Janusz Lipka mgr inż. Tadeusz Palimąka
Ćwiczenie nr 2	Badania transformatora jednofazowego	Ocena

Przed rozpoczęciem pomiarów odczytaliśmy z tabliczki znamionowej badanego transformatora następujące dane:

S = 500 VA

U_1N = 220 V

U_2N = 110 V

f = 50 Hz

Następnie obliczyliśmy prądy znamionowe:

I_1N = 2,27 A - na uzwojeniu pierwotnym

I_2N = 4,54 A - na uzwojeniu wtórnym

Powyższe parametry stanowią wartości, dla których praca transformatora jest stabilna i bezpieczna.

Opis parametrów transformatora:

• Moc znamionowa- S - maksymalna moc jaką można przenieść z uzwojenia pierwotnego do wtórnego. Jest ona ograniczona przede wszystkim przekrojem rdzenia oraz średnicami drutów nawojowych obu uzwojeń. Najczęściej jest ona podawana na tabliczce znamionowej transformatora. Przekroczenia maksymalnej mocy przepustowej powoduje silne nagrzewanie się transformatora, a nawet jego przepalenie.
• Napięcie pierwotne- U_1n - napięcie uzwojenia pierwotnego na jakie zostało ono przewidziane przez producenta. Przekroczenie tego napięcia prowadzi z reguły do spalenia uzwojenia pierwotnego.
• Prąd znamionowy (jałowy) transformatora- I_1n - prąd jaki płynie przez uzwojenie pierwotne przy nieobciążonym transformatorze.

• Napięcie wtórne - U_2n - napięcie, jakie możemy uzyskać w uzwojeniu wtórnym przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięciem znamionowym.

• Sprawność transformatora - η -stosunek mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator. Jest to więc parametr charakteryzujący straty jakie występują w tym elemencie. Sprawność dla transformatorów małej mocy jest rzędu 80% i rośnie z mocą transformatora, dla mocy 100W wynosi ona już ~95%. Z kolei dla transformatorów o większej mocy wynosi ~97%-99%.

1. Badanie charakterystyk transformatora w stanie jałowym:

Lp.	U1	I1	P1	U2	cosφ1	I^b	I^cz	v
		V	A	W	V	-	A	A	-
1	100	0,060	3,0	52	0,50	0,052	0,030	1,92
2	120	0,075	4,1	63	0,44	0,067	0,033	1,90
3	140	0,093	5,5	73	0,42	0,085	0,038	1,92
4	160	0,115	7,0	83	0,38	0,111	0,044	1,93
5	180	0,145	8,6	93	0,34	0,136	0,049	1,94
6	200	0,183	11,5	103	0,31	0,174	0,057	1,94
7	220	0,229	14,0	114	0,28	0,220	0,063	1,93

v =
=
- przekładnia transformatora cosφ₁ =

I^b = cosφ₁*I₁ - wartość części biernej prądu

I^cz = sin φ₁*I₁ - wartość części czynnej prądu

W stanie jałowym schemat zastępczy transformatora upraszcza się do postaci:

rys.

Rezystancja R_Fe odwzorowuje straty mocy czynnej w rdzeniu, zaś reaktancja X_f moc bierną związaną ze wzrostem indukcyjności uzwojeń transformatora nawiniętych na rdzeniu. Dla napięcia U₁=U_1N wartości R_Fe i X_f wynoszą:

X_f=U₁/I_b=220/0,22=1000

R_Fe=U₁/I_{cz =}220/0,0634=3470

W tym przypadku moc była wydzielana głównie w rdzeniu transformatora w postaci ciepła.

2. Badanie charakterystyk transformatora w stanie zwarcia:

Lp.	U1	I1	P1	I2	cosφ1
		V	A	W	A	-
1	5	0,750	3,00	1,45	0,8
2	7	1,025	6,00	2,00	0,836
3	9	1,275	8,25	2,55	0,719
4	11	1,600	14,62	3,20	0,831
5	13	1,900	20,63	3,80	0,835
6	15	2,150	25,50	4,30	0,791
7	15,5	2,250	28,13	4,50	0,807

W stanie zwarcia schemat zastępczy transformatora upraszcza się do postaci:

rys.

R_T i X_T są składowymi impedancji transformatora, zaś I_k prądem zwarcia.

Można obliczyć, że dla I₂=I_2N:

Z_T=U₁/I_k=15,5/4,5=3,44

R_T=Z*cosφ=2,79

X_T=Z*sinφ=1,96

W tym przypadku moc, mierzona za pomocą watomierza była wydzielana w postaci ciepła na przewodach i na uzwojeniach transformatora.

Znamionowe napięcie zwarcia z odczytu wynosi: U_k=15,5V, stąd:
u_k%=(U_k/U₁)*100%=7,05%

Obliczyliśmy prąd zwarcia eksploatacyjnego I_1k =
= 32,258 A , gdzie

U - znamionowe napięcie zwarcia dla którego na uzwojeniach transformatora przepływały prądy znamionowe. Jest to taki prąd, jaki popłynąłby w uzwojeniu pierwotnym jeśli napięcie U₁=U_1n przy zwartym uzwojeniu wtórnym.

3. Wnioski i uwagi

Kiedy transformator znajduje się w stanie jałowym, straty na rdzeniu rosną wzdłuż krzywej parabolicznej z miejscem zerowym położonym w środku układu współrzędnych [wykres P1=f(U1)] co jest zgodne z danymi zamieszczonymi w dostępnej literaturze. Transformator powodował spadek napięć niemal o połowę - przekładnia transformatora z naszych obliczeń wahała się w zakresie od 1,90 do 1,94, rozbieżność między wynikami była spowodowana niedokładnością odczytu, natomiast przekładnia transformatora obliczona ze stosunku napięcia pierwotnego do wtórnego odczytanych z tabliczki znamieniowej wynosi 2. Mimo to nie ulega wątpliwości, że napięcie wtórne jest wprost proporcjonalne do napięcia pierwotnego [krzywa U2=f(U1)]. Natężenie prądu podobnie jak moc strat rozkłada się wzdłuż krzywej parabolicznej mającej swój początek w środku układu współrzędnych jednak mającej wyższy współczynnik kierunkowy co sprawia że jest bardziej „ostra” [krzywa I1=f(U1)].

Dane odczytane podczas laboratorium w zakresie charakterystyki transformatora w stanie jałowym są zgodne z danymi znalezionymi w literaturze.

Transformator w stanie zwarcia osiąga swój prąd znamieniowy już przy napięciu 15,5V. W celu nie uszkodzenia przyrządu charakterystyka została utworzona dla tego zakresu. Charakterystyka natężenia prądu pierwotnego i wtórnego pomijając niewielkie odchylenia spowodowane niedokładnością pomiarów przebiega wzdłuż prostych [wykresy I1=f(U1), I2=f(U1)] jednak o różnej wartości współczynnika kierunkowego. Według danych znalezionych w literaturze cosφ powinien być stały, a wykres cosφ=f(U1) powinien być funkcją stałą niezależną od napięcia. Wyniki pomiarów przez nas przeprowadzonych nie odzwierciedlają tego stanu. Wyraźnie błędnie odczytaliśmy wartość pomiaru wskazaną przez watomierz dla prądu o napięciu 9V, także inne wartości wskazania watomierza obarczone są pewnym błędem. Wykres P1=f(U1), który wskazuje na straty na uzwojeniu, powinien być częścią paraboli, co jak widać na wykresie nie zostało dobrze uwidocznione, w związku z tym również wartości cosφ, które są ściśle zależne od mocy zostały obliczone na podstawie błędnych danych.

Laboratoria, których tematem było badanie transformatorów umożliwiły nam poznanie w praktyce tych ważnych dla systemu energetycznego urządzeń. Podczas wykonywania ćwiczeń mogliśmy również zapoznać się ze sprzętem laboratoryjnym i technicznymi metodami pomiarów.

---