Badanie transformatora jednofazowego

(Instrukcja do ćwiczenia)

Badanie transformatora jednofazowego.

CEL ĆWICZENIA: Poznanie zasady działania, budowy i właściwości .transformatora jednofazowego.

• WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

1. Wstęp

Transformator jest przeznaczony do przetwarzania napięcia i prądu o jednej wartości na napięcie i prąd o innej wartości i tej samej częstotliwości.

Uzwojenie transformatora połączone ze źródłem napięcia zasilającego nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Uzwojenie połączone z obciążeniem jest uzwojeniem wtórnym. Transformator może mieć kilka uzwojeń wtórnych.

Przekładnią transformatora p nazywamy stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego z₁ do liczby zwojów uzwojenia wtórnego z₂.

W transformatorze wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Do uzwojenia pierwotnego dołączone jest źródło napięcia sinusoidalnego u₁ i płynie prąd i₁. W wyniku przepływu tego prądu w przestrzeni otaczającej uzwojenie powstaje zmienny strumień magnetyczny Φ₁. Część tego strumienia (zmniejszona o strumień rozproszony) przenika przez uzwojenie wtórne indukując w nim napięcie u₂:

Jeżeli do obciążenia dołączony jest odbiornik, to pod wpływem zaindukowanego w tym uzwojeniu napięcia popłynie prąd i₂. Zgodnie z regułą Lentza, prąd ten musi mieć taki zwrot, aby strumień magnetyczny wytworzony przez ten prąd miał zwrot przeciwny do strumienia pierwotnego.

W zależności od środowiska w jakim zamyka się wytworzony wokół uzwojeń strumień magnetyczny, rozróżniamy transformatory powietrzne i transformatory z rdzeniem ferromagnetycznym. Te ostatnie w zależności od budowy dzielą się na rdzeniowe i płaszczowe. W ćwiczeniu badany będzie transformator rdzeniowy.

2. Straty w transformatorze.

Podstawowymi stratami energii P w transformatorze rdzeniowym są :

• straty magnetyczne w rdzeniu ΔP_Fe,

• straty omowe w uzwojeniach ΔP_Cu.

Straty magnetyczne ΔP_Fe są spowodowane zjawiskiem histerezy i prądami wirowymi w materiale rdzenia.. Chociaż rdzenie transformatorowe wykonywane są z miękkich materiałów magnetycznych o wąskiej pętli histerezy, to jest ona przy przepływie prądu o częstotliwości f, obiegana f razy na sekundę. Moc strat jest proporcjonalna do częstotliwości i pola powierzchni histerezy. Drugim czynnikiem są straty wiroprądowe powstające w środowiskach przewodzących w wyniku przepływu prądów wirowych. Ograniczenie prądów wirowych uzyskuje się w wyniku budowy rdzeni wykonanych z blach izolowanych jednostronnie. Straty te są proporcjonalne do kwadratu indukcji magnetycznej i kwadratu częstotliwości. Całkowite straty magnetyczne można opisać empirycznym wzorem:

gdzie: ε = 2,8 - 4,4,

σ = 1,1 - 22 - współczynniki materiałowe zależne od rodzaju i grubości blachy

i technologii wykonania rdzenia.

B_m - amplituda indukcji magnetycznej.

1. Stan jałowy

W stanie jałowym straty w uzwojeniach są pomijalne w stosunku do strat magnetycznych, ponieważ wartość prądu jałowego I₁₀ jest wielokrotnie mniejsza od wartości prądu znamionowego I_1N. Moc P₀ pobierana przez transformator jest w przybliżeniu równa mocy strat w rdzeniu. Na podstawie pomiarów prądu I₁₀ , napięcia U₁₀, oraz mocy P₁₀ nożna policzyć następujące wielkości charakteryzujące transformator w stanie jałowym:

- współczynnik mocy
- moc bierną pobieraną
- prąd magnesujący (składowa bierna)
- prąd strat w rdzeniu (składowa czynna)

W stanie jałowym wyznacza się również przekładnię transformatora.

2. Stan zwarcia

W stanie zwarcia moc pobierana przez transformator jest w przybliżeniu równa stratom w uzwojeniach, Straty w rdzeniu, ze względu na małą wartość indukcji magnetycznej można pominąć (indukcja magnetyczna jest mała, bo małe jest napięcie zasilające). Dopuszczalnym napięciem zwarcia U_z jest napięcie które w zasilanym uzwojeniu powoduje przepływ prądu o wartości równej prądowi znamionowemu. Na podstawie pomiarów prądu I_1z , napięcia U_1z, oraz mocy P_1z, nożna policzyć następujące wielkości charakteryzujące transformator w stanie zwarcia:

- współczynnik mocy
- impedancję zwarciową
- rezystancję zwarciową
- reaktancję zwarciową

3. Stan obciążenia

W stanie obciążenia do uzwojenia transformatora dołączona jest (najczęściej) rezystancja R_o. Najważniejsze parametry w tym stanie to:

- współczynnik mocy
- sprawność transformatora

• Przebieg ćwiczenia i schematy połączeń

1. Badanie stanu jałowego wyznaczanie przekładni transformatora

• Zestaw układ pomiarowy bez obciążenia wyjściowego,

• dla kilku wartości U₁₀ (0=1,2U_1N) zmierz prąd I₁₀, napięcie U₂₀ i moc czynną P₁₀,

• wyniki wpisz do tabeli1,

• oblicz: przekładnię transformatora
  , a następnie wartość średnią przekładni,

• oblicz współczynnik mocy cosΦ₀

• na podstawie pomiarów i obliczeń wykreśl i omów charakterystyki:

I₁₀ = f(U₁₀) P₁₀ = f(U₁₀) cosΦ₀ = f(U₁₀)




1. Badanie stanu zwarcia transformatora

• Zewrzyj amperomierzem uzwojenie wtórne transformatora,

• dla kilku wartości U_1z (I_1zmax = I_1N) zmierz prąd I_1z, napięcie U_1z, i moc czynną P₁₀,

• wyniki wpisz do tabeli 2,

• oblicz współczynnik mocy cosΦ_z

• na podstawie pomiarów i obliczeń wykreśl i omów charakterystyki:

I_1z = f(U_1z0) P_1z = f(U_1z) cosΦ_z = f(U_1z)




1. Badanie transformatora obciążonego

• Do uzwojenia wtórnego dołącz rezystor suwakowy,

• zmieniając wartość rezystora (I_2max = I_2N) zmierz prądy I₁ i I₂, napięcia U₁ i U₂, moce P₁ i P₂,

• wyniki wpisz do tabeli 3,

• oblicz współczynnik mocy cosΦ oraz sprawność transformatora η,

• na podstawie pomiarów i obliczeń wykreśl i omów charakterystyki:

U₂ = f(I₂) η = f(I₂) cosΦ = f(I₂) I₁ = f(I₂)




• Przykładowe pytania kontrolne:

1. Omów zasadę działania transformatora,

2. Omów straty w transformatorze i sposoby ich zmniejszenia,

3. podaj podstawowe parametry transformatora,

4. Podaj praktyczne zastosowanie transformatorów,

5. Wykreśl i omów charakterystyki transformatora w stanie jałowym, zwarcia i obciążenia.




Protokół pomiarowy

ZESPÓŁ SZKÓŁ PONADGIMNAZJALNYCH NR 3 W BEŁCHATOWIE	PRACOWNIA ELEKTRYCZNA I ELEKTRONICZNA	ROK SZKOLNY: ……………………
1.…………………………….. (nazwisko i imię) 2…………………………….. (nazwisko i imię) 3……………………………... (nazwisko i imię) 4…………………………....... (nazwisko i imię)	Temat ćwiczenia: Badanie transformatora jednofazowego	Nr ćwiczenia: ………………………
		Klasa: Grupa: Zespół:	Data wykonania: ……………………

WYKAZ PRZYRZĄDÓW:

1. autotransformator typ ……………. nr fabr …………………

2. amperomierz typ ..................... nr fabr. ...........................

3. amperomierz typ ..................... nr fabr. ...........................

4. woltomierz typ ..................... nr fabr. ...........................

5. woltomierz typ ..................... nr fabr. ...........................

6. watomierz typ ……………. nr fabr …………………

7. watomierz typ ……………. nr fabr …………………

8. model dydaktyczny transformatora

Dane znamionowe badanego transformatora

U_1N = 220V I_1N =

U_2N = I_2n =

Tabela 1

Badanie stanu jałowego i wyznaczanie przekładni transformatora jednofazowego

U10	V
U20	V
I10	A
P10	W
p	-
cosΦ0	-

p_śr = ………….

Tabela 2

Badanie stanu zwarcia transformatora

U1z	V
I1z	A
P1z	W
cosΦz	-

Badanie transformatora obciążonego Tabela 3

I2	A
U2	V
P2	W
I1	A
U1	V
P1	W
cosΦ	-
η	-

Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych nr 3 w Bełchatowie 2

---