Wyznaczenie parametrów schematu zastępczego transformatora

Wyznaczenie parametrów schematu zastępczego transformatora
Wprowadzenie
Transformator jest statycznym urządzeniem elektrycznym działającym na zasadzie indukcji
elektromagnetycznej. Zadaniem transformatora jest podwyŜszanie lub obniŜanie napięcia, co jest
związane z odpowiednim zmniejszaniem lub zwiększaniem prądu, przy zachowaniu tej samej
częstotliwości i praktycznie tej samej mocy.
Transformator jednofazowy zbudowany jest z rdzenia i dwóch uzwojeń. Uzwojenie pierwotne
N1 i uzwojenie wtórne N2 są nawinięte na rdzeniu wykonanym z cienkich blach stalowych,
wzajemnie odizolowanych w celu zmniejszenia strat mocy (czynnej) od prądów wirowych i na
histerezę magnesowania.
Rdzeń stanowi zamknięty obwód magnetyczny. Uzwojenia są wykonane z izolowanego
przewodu miedzianego, niekiedy aluminiowego. Uzwojenie, które pobiera moc z sieci zasilającej
nazywa się uzwojeniem pierwotnym, a uzwojenie, które oddaje moc odbiornikowi – uzwojeniem
wtórnym. Uzwojenie górnego napięcia (GN) to uzwojenie o wyŜszym napięciu znamionowym.
Uzwojenie dolnego napięcia (DN) to uzwojenie o niŜszym napięciu znamionowym.
Ze względu na rodzaj izolacji rozróŜniamy transformatory suche i olejowe. Warunki chłodzenia
w transformatorach suchych nie są tak korzystne jak w olejowych, dlatego buduje się je na ogół na
niewielkie moce, rzędu 100 kVA. Transformatory olejowe maja moce znamionowe rzędu kilkuset
megawoltoamperów. Olej spełnia rolę czynnika chłodzącego i izolującego elektrycznie; w
porównaniu z powietrzem charakteryzuje się większą przewodnością cieplną oraz większą
wytrzymałością elektryczną.
Transformatory dla potrzeb radiotechniki, automatyki itp. są budowane przede wszystkim jako
suche, małej mocy i często z rdzeniami ferrytowymi – 0 małych stratach.
Uzwojenie pierwotne N1 pobiera energię ze źródła U1, a następnie przekazuje ją, przy udziale
strumienia magnetycznego, do uzwojenia wtórnego N2 i dalej do odbiornika, lecz przy napięciu U2.
Właściwości transformatora są rozpatrywane dla trzech stanów pracy: stanu jałowego, stanu
obciąŜenia, stanu zwarcia. W czasie pracy transformatora w poszczególnych jego elementach
występują straty mocy (czynnej), które oznacza się:
∆PFe – w rdzeniu (na prądy wirowe i na histerezę magnetyczną);
∆PCu – w uzwojeniach (ciepło Joule’a);
∆Piz – w izolacji (tylko w transformatorach wysokiego napięcia,
powyŜej 110 kV).
Przebieg ćwiczenia:
1. Wyznaczenie przekładni zwojowej.
Przekładnia zwojowa jest to stosunek liczby zwojów jednej fazy uzwojenia GN do liczby zwojów
jednej fazy uzwojenia DN:
z
z
ϑ = GN = 1
z DN z 2
Przekładnia napięciowa jest to stosunek napięcia górnego do napięcia dolnego:
ϑ=
U GN
U DN
Pomiar przekładni
Wartość napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora w stanie jałowym jest równa
wartości napięcia indukowanego. Stosunek napięcia strony górnej do napięcia indukowanego strony
dolnej określa przekładnię transformatora. Przekładnię transformatora mierzy się zasilając zaciski
strony górnego napięcia.
2. Próba stanu jałowego – pomiar mocy oraz prądu stanu jałowego w funkcji napięcia
zasilającego.
Schemat układu pomiarowego:
Przy próbie stanu jałowego zasila się jedno z uzwojeń dolne lub górne decyduje o tym dostępne
źródło napięcia zasilającego. Celem próby stanu jałowego jest wyznaczenie jałowych strat mocy
(strat mocy w rdzeniu) oraz prąd stanu jałowego Głównym celem badań tego stanu pracy
transformatora jest określenie parametrów eksploatacyjnych stanu jałowego, którymi są: straty
jałowe, prąd stanu jałowego, współczynnik mocy stanu jałowego – określane przy napięciu
znamionowym.
Przeprowadzając pomiary przy napięciu znamionowym, moŜna określić znamionowy prąd
jałowy oraz znamionowe straty w stanie jałowym. Moc czynna pobierana w stanie jałowym przez
transformator jest w przybliŜeniu równa stratom w Ŝelazie, a to z kolei pozwala na ocenę obwodu
magnetycznego..
Tabela pomiarów:
Lp.
U1
V
Z pomiarów
I10
P10
A
W
cosϕ10
-
Q10
VAR
Z obliczeń
∆Pu10
∆PFe
W
W
IFe1
A
Wzory do obliczeń:
P
cos ϕ10 = 10 , Q10 = P10tgϕ10 , ∆Pu10 = I 102 R1 , ∆PFe = P10 − ∆Pu10 ,
U1 I10
I Fe1 = I10 cos ϕ10 , I µ1 = I10 sin ϕ10
Na podstawie wyników wykreśla się charakterystyki: I10, Iµ1, IFe1, ∆PFe, Q10, cosϕ10 = f(U1)
Iµ1
A
3. Próba stanu zwarcia pomiarowego – pomiar prądu oraz mocy zwartego transformatora w
funkcji napięcia zasilającego
Schemat układu pomiarowego:
Celem badań transformatora w stanie zwarcia ustalonego jest wyznaczenie napięcia zwarcia,
strat obciąŜeniowych, strat dodatkowych oraz identyfikacja parametrów schematu zastępczego, tj.
rezystancji i reaktancji. Znajomość napięcia zwarcia pozwala na stwierdzenie, czy dany
transformator moŜe być uŜyty do pracy równoległej. Natomiast pomiar strat i ich rozdział na
podstawowe i dodatkowe umoŜliwia określenie strat w uzwojeniach dla umownej temperatury
odniesienia 75°C (348°K). Znając te wielkości, moŜna ocenić pracę transformatora w warunkach
obciąŜenia. Natomiast przy pracy samotnej transformatora w oparciu o wartość napięcia zwarcia
moŜna określić zakres zmian napięcia strony wtórnej przy zmianach obciąŜenia oraz wartość
udarowego prądu zwarcia, który musi wytrzymać uzwojenie.
Przy próbie stanu zwarcia zwiera się uzwojenie wtórne, natomiast uzwojenie pierwotne zasila
się napięciem nastawianym od zera do takiej wartości, przy której przez uzwojenia transformatora
przepływać będą prądy znamionowe. Napięcie pierwotne, przy którym przez uzwojenia zwartego
transformatora przepływają prądy znamionowe IN nazywa się napięciem zwarcia transformatora UZ.
Napięcie zwarcia transformatora podaje się zwykle jako wartość procentową odniesioną do napięcia
znamionowego, czyli:
U
U Z % = Z 100
UN
Tabela pomiarów:
Lp.
U1
V
Z pomiarów
I1Z
A
P1Z
W
Z obliczeń
cosϕ1Z
-
Wzory do obliczeń:
P
cos ϕ1Z = 1Z
U 1 I1Z
Na podstawie wyników wykreśla się charakterystyki: I1Z, PZ, cosϕ1Z = f(U1)
4. Schemat zastępczy transformatora widzianego od strony górnego napięcia:
I1
R1
Xr1
XR2’
R2’
I2’
I10
IFe
GN
U1
Iµ
U2’
DN
RFe
Xg
- Schemat zastępczy transformatora w stanie jałowym:
I10
Iµ
IFe
U1
Xg
RFe
Wzory wykorzystane do obliczania parametrów schematu zastępczego transformatora w stanie
jałowym:
U 12N
∆PFe
U
Xg= 1N
I µ1N
RFe=
- Schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia:
I1Z
U1
R1
Xr1
Xr2’
R2’
Wzory wykorzystane do obliczania parametrów schematu zastępczego transformatora w stanie
zwarcia:
ZZ=
UZ
I1N
RZ= Z Z cos ϕ1Z ≈ R1 + R2'
2
X Z = Z Z sin ϕ1Z = Z Z2 − RZ ≈ X r1 + X r' 2
5.
Wnioski