politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne

Transkrypt

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH
LABORATORIUM
MASZYNY ELEKTRYCZNE
ĆWICZENIE (TR)
TRANSFORMATORY
BADANIE CHARAKTERYSTYK
TRANSFORMATORA TRÓJFAZOWEGO
Materiały pomocnicze
Kierunek Elektrotechnikka
Studia stacjonarne 2-szego stopnia
semestr 3
Opracowali
Mieczysław Ronkowski
Grzegorz Kostro
Michał Michna
Gdańsk 2011-2012
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna:
1
ĆWICZENIE (TR)
TRANSFORMATORY
BADANIE CHARAKTERYSTYK
TRANSFORMATORA TRÓJFAZOWEGO
Program i cel ćwiczenia
1.
2.
TEORIA.................................................................................................................................................... 1
BADANIA ................................................................................................................................................ 6
2.1. Oględziny zewnętrzne.......................................................................................................... 6
2.2.
Pomiar rezystancji uzwojeń ................................................................................................. 6
2.3.
Badanie przekładni............................................................................................................... 8
2.4.
Próba stanu jałowego: badanie charakterystyk stanu jałowego......................................... 10
2.5.
Próba stanu zwarcia: badanie charakterystyk zwarcia....................................................... 13
2.6.
Wyznaczenie sprawności transformatora metodą strat poszczególnych ........................... 18
2.7.
Wyznaczenie zmiany napięcia ........................................................................................... 19
2.8.
Zadania............................................................................................................................... 20
2.9.
Pytania kontrolne ............................................................................................................... 20
2.10.
Literatura pomocnicza ................................................................................................... 21
1.
TEORIA
Budowa, działanie, model fizyczny i model obwodowy transformatora
Transformator (TR) jest przetwornikiem elektromagnetycznym (rys. 1.1) o dwóch wrotach
(parach zacisków), które fizycznie reprezentują: zaciski uzwojenia pierwotnego „1” i zaciski
uzwojenia wtórnego „2”. Moc elektryczna (dostarczana) S1 i moc elektryczna (odbierana) S2
ulegają przemianie elektromagnetycznej za pośrednictwem pola magnetycznego. Energia pola
magnetycznego jest energią wewnętrzną TR, gdyż przetwornik nie ma możliwości wymiany tej
energii z otoczeniem.
I2 > 0
I1 > 0
up I 1
I2
up
S2
S1
U1
TRANSFORMATOR
U2
S1 > 0
uk
uk
S2 < 0
Reprezentacja transformatora w ujęciu obwodowym
U1
S1
I1
S1 > 0
TRANSFORMATOR
U2
I2
S2
S2 < 0
Reprezentacja transformatora w ujęciu grafów wiązań
Rys. 1.1a. Transformator – dwuwrotowy przetwornik elektromagnetyczny:
wrota (zaciski) obwodu pierwotnego „1” – dopływ mocy elektrycznej S1 przetwarzanej ma moc
elektryczną S2, wrota (zaciski) obwodu wtórnego „2” – odpływ mocy elektrycznej S2
2
Ćwiczenie: Transformator trójfazowy
Budowę i podstawowe elementy TR 1-fazowego i 3-fazowego przedstawiono na rys. 1.1b. TRAFO
składa się z następujących elementów czynnych: rdzenia (obwodu magnetycznego), uzwojenia pierwotnego i
uzwojenia wtórnego (obwodów elektrycznych).
Rys. 1.1b. Budowa i elementy transformatów 1-fazowego (typu AS2) i 3-fazowego (Lab. ME)
Producent AS ELEKTROTECHNIK (http://www.as-elektrotechnik.pl/index3.php)
Transformatory jednofazowe typu AS2 (rys. 1.1b) posiadają uzwojenia nawinięte na karkasie
lub klatce izolacyjnej, oddzielone warstwą materiału izolacyjnego, umieszczone na
dwukolumnowym rdzeniu składanym z blach elektromagnetycznych i impregnowane
termoutwardzalną żywicą zabezpieczającą przed korozją i wilgocią. Uzwojenia strony pierwotnej i
wtórnej są wyprowadzone na zaciski śrubowe.
Na podstawowy model fizyczny transformatora (rozważane zjawiska fizyczne zachodzące w
transformatorze) — pokazany na rys. 1.2a — składają się: elementy czynne: rdzeń, uzwojenia
pierwotne i wtórne; oraz zmienne fizyczne: napięcia na zaciskach uzwojeń, prądy płynące w
uzwojeniach, strumień magnetyczny główny, strumienie rozproszenia uzwojeń, straty w żelazie i
straty w miedzi uzwojeń.
Wyróżnia się trzy podstawowe stany pracy transformatora: stan jałowy, stan obciążenia i stan
zwarcia.
Stan jałowy transformatora — stan, w którym uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem
przemiennym U1, a uzwojenie wtórnego jest otwarte. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym
nazywa się prądem jałowym Io a jego dwie składowe: składową czynną Iocz i bierną
(magnesującą) Im. Wartości prądu jałowego zwykle wyraża się w procentach prądu znamionowego
IN transformatora:
I
I o% = o 100 [%]
(1.1)
IN
W transformatorach energetycznych (mocy) wartość znamionowa prąd stanu jałowego
zawiera się w zakresie (1 − 10)% prądu znamionowego.
Zasada: im większa moc, tym na ogół mniejszy prąd stanu jałowego.
Przemienny przepływ θ1 = Ioz1 wzbudza strumień, w którym wyróżnia się strumień magnesujący
(główny) Φm — strumień sprzężony z obydwoma uzwojeniami — oraz strumień rozproszenia Φσ1
— strumień sprzężony tylko z uzwojeniem własnym (zasilanym).
3
Efektem sprzężenia przemiennego strumienia głównego Φm z uzwojeniami jest indukowanie w
nich SEM:
(1.2)
E1 = 4,44 z1 Φ m f
E 2 = 4,44 z 2 Φ m f
gdzie: z1, z2
f
− liczba zwojów odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego,
− częstotliwość napięcia zasilania U1.
ΔPFe
Φm
I2
I1
Φσ 1
z1
U1
z2
Φσ 2
U2
ΔPCu 2
Δ P Cu 1
Rys.1.2a. Podstawowy model fizyczny transformatora jednofazowego: rdzeń; cewki uzwojeń pierwotnego i
wtórnego; rozpływ strumienia głównego Φm oraz strumieni rozproszenia Φσ1 i Φσ2; straty w żelazie ΔPFe;
straty w miedzi uzwojeń ΔPCu1 oraz ΔPCu2
R1
xσ1
Φ σ1
U1
RFe
I'2
I1
x'σ2
I0
I0cz
Im
E1
xm
R'2
Φ'σ2
Φm
U'2
Z'
Rys.1.2b. Model obwodowy (schemat zastępczy) transformatora
Właściwości transformatora w stanie jałowym określone są głównie przez
strumień magnesujący (główny) Φm i stratami rdzenia magnetycznego ΔPFe.
Właściwości te odwzorowuje się wielkościami obwodowymi:
Xm − reaktancją magnesująca modelującą strumień główny transformatora, tzn. E1 = Im Xm,
RFe − rezystancją modelującą straty w żelazie (jałowe) ΔPFe transformatora, tzn. ΔPFe = m I0cz E1.
Dzieląc stronami zależności (1.2) stronami otrzymuje się charakterystyczną wielkość:
E 1 z1
=
=ϑ
E2 z2
(1.3)
którą nazywa się przekładnią zwojową ϑ transformatora.
Dla transformatora jednofazowego napięcie na jego zaciskach wtórnych w stanie jałowym U2o
jest równe SEM E2. Biorąc pod uwagę, że SEM E1 jest w przybliżeniu równa napięciu pierwotnemu
U1 (pomijamy R1I0 oraz Xσ1I0) można napisać:
E1 U1
≈
= ϑu
(1.4)
E2 U 2
Stosunek U1/U2o nazywa się przekładnią napięciową ϑ u transformatora.
4
W transformatorze jednofazowym przekładnia napięciowa odpowiada praktycznie stosunkowi
liczby zwojów — zgodnie z zależnością (1.4).
W transformatorze trójfazowym należy uwzględnić jeszcze współczynnik liczbowy wynikający
z zastosowanego skojarzenia uzwojeń
(patrz p. 1.4. ćwiczenia 1).
Stan obciążenia transformatora — stan transformatora, w którym uzwojenie wtórne jest
zamknięte przez impedancję Z i w uzwojeniu tym płynie prąd I2 — prąd wymuszony przez SEM
E2.
W transformatorze obciążonym strumień główny Φm powstaje przez współdziałanie
przepływów (sił magnetomotorycznych) obu uzwojeń: przepływu pierwotnego I1z1 i przepływu
wtórnego I2z2.
W zakresie obciążeń znamionowych transformatora suma (geometryczna) przepływów
obu uzwojeń jest równa przepływowi stanu jałowego — moduł ma stałą wartość.
I1z1 + I2 z2 = Io z1 [A]
(1.5)
Powyższe równanie — równanie równowagi przepływów — wynika z podstawowej zasady
pracy transformatora — tendencji do wzbudzenia maksymalnego strumienia, innymi słowy
tendencji do zmagazynowania maksymalnej energii w polu magnetycznym transformatora.
Efektem działania przepływu wtórnego I2z2 jest wzbudzenie strumienia rozproszenia uzwojenia
wtórnego Φl2 (strumień sprzężony tylko z uzwojeniem wtórnym), a na skutek wzrostu prądu
pierwotnego I1 zwiększa się strumień rozproszenia uzwojenia pierwotnego Φσ1. Strumienie
rozproszenia Φσ1 i Φσ2 indukują odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym SEM Eσ1oraz
Eσ2, które można odwzorować za pomocą wielkości obwodowych — spadku napięcia na
reaktancji rozproszenia uzwojenia pierwotnego Xσ1 oraz wtórnego Xσ2:
Eσ1 = X σ1I1 [V]
Eσ 2 = X σ 2I2 [V]
(1.6)
Ponadto prądy w obu uzwojeniach transformatora powodują spadki napięcia na rezystancjach
uzwojenia pierwotnego R1 oraz wtórnego R2 .
Istotny wpływ na właściwości transformatora w stanie obciążenia mają straty w miedzi
uzwojenia pierwotnego ΔPCu1 i wtórnego ΔPCu2 — nazywane także stratami obciążeniowymi. Za
ich miarę można przyjąć wielkości obwodowe — rezystancje uzwojeń — zdefiniowane
następująco:
ΔP
ΔP
R 1 = Cu21 [Ω]
R 2 = Cu22 [Ω]
(1.7)
m I1
m I2
gdzie, m − liczba faz transformatora.
Stan obciążenia jest stanem pośrednim między dwoma stanami krańcowymi — stanem
jałowym a stanem zwarcia.
Stan zwarcia pomiarowego transformatora (lub krótko stan zwarcia transformatora) — stan
transformatora, w którym strona wtórna jest zwarta (U2 = 0), zaś uzwojenie pierwotne jest zasilane
odpowiednio obniżonym napięciem, tzn. takim, które wymusza w obu uzwojeniach prądy o
wartościach znamionowych.
Wartość napięcia, jakie należy przyłożyć do zacisków pierwotnych transformatora
przy zwartym uzwojeniu wtórnym
celem wymuszenia w obu jego uzwojeniach przepływu prądów znamionowych
nazywa się napięciem zwarcia.
Napięcia zwarcia jest ważnym parametrem transformatora — podanym na tabliczce
znamionowej, określanym zwykle w procentach napięcia znamionowego wg następującej
zależności:
U z% =
gdzie:
Uz%
U1z
U1N
I1N
Zz
−
−
−
−
−
U 1z
I Z
⋅ 100% = 1N z ⋅ 100 [%]
U 1N
U 1N
5
(1.8)
napięcie zwarcia procentowe,
napięcie zwarcia (fazowe) mierzone w woltach,
napięcie znamionowe (fazowe),
prąd znamionowy (fazowy),
impedancja zwarcia transformatora.
Dla normalnych transformatorów energetycznych napięcie zwarcia zawiera się w zakresie
(3 − 15)% napięcia znamionowego.
Zasada: im większa moc, tym na ogół większe napięcie zwarcia.
W stanie zwarcia transformatora, ze względu znacznie obniżony poziom strumienia
magnesującego (zasilanie napięciem zwarcia), wartość prądu jałowego w bilansie przepływów jest
pomijalnie mała:
I1N z1 + I2 N z2 ≈ 0 [A] lub I1N z1 ≈ − I 2 N z 2
(1.9)
Stąd dla modułów mamy:
I1N ≈ I 2 N
z2
1
= I2N
[A]
ϑ
z1
lub po wprowadzeniu zredukowanego prądu wtórnego:
1
[A]
I ′2 N = I 2 N
ϑ
(1.10)
(1.11)
otrzymamy zredukowane wartości rezystancji i reaktancji rozproszenia w tym obwodzie:
R ′2 = ϑ 2 R 2
X ′σ 2 = ϑ 2 X σ 2
(1.12)
Właściwości transformatora w stanie zwarcia określone są głównie przez
strumienie rozproszenia uzwojenia pierwotnego Φσ1 i wtórnego Φσ2
oraz stratami w miedzi ΔPCu1 oraz ΔPCu2
zależnymi od wymiarów i rozmieszczenia uzwojeń.
Właściwości te odwzorowuje się wielkościami obwodowymi:
Rz = R1 + R’2 − rezystancja zwarcia transformatora,
Xz = Xσ1 + X’σ2 − reaktancja zwarcia transformatora,
Z z = R z + j X z − impedancja zwarcia transformatora.
Model obwodowy (schemat zastępczy) — przedstawiony na rys.1.2b — jest podstawą analizy
transformatora dla dowolnego stanu pracy. Model ten odpowiada transformatorowi
zredukowanemu (sprowadzonemu) do przekładni ϑ = 1 . Topologia i elementy modelu wynikają z
podanych wyżej rozważań zjawisk fizycznych (przyjętego modelu fizycznego na rys.1.2a)
dotyczących stanu jałowego, stanu obciążenia i stanu zwarcia transformatora. Z kolei wartości
parametrów modelu wyznacza się na podstawie wyników dwóch prób: stanu jałowego i stanu
zwarcia — opisanych w p. 1.5 oraz 1.6 niniejszego ćwiczenia.
Parametry modelu obwodowego transformatora:
rezystancja RFe i reaktancja Xm są wielkościami nieliniowymi
zależnymi od wartości strumienia głównego i rodzaju blachy rdzenia
pozostałe parametry modelu obwodowego można przyjąć jako stałe.
6
2.
BADANIA
2.1. Oględziny zewnętrzne
Należy dokonać oględzin zewnętrznych badanego transformatora i urządzeń wchodzących w
skład układu pomiarowego. Przede wszystkim należy dokładnie przeczytać i wynotować dane
zawarte w tabliczce znamionowej transformatora.
Tabliczka znamionowa transformatora (tabl. 1.1) najczęściej zawiera następujące dane (wg. PN/E06040):
Tablica 1.1
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Dane znamionowe transformatora
nazwę lub znak wytwórcy
nazwę i typ wyrobu
numer fabryczny
rok wykonania
liczba faz
częstotliwość znamionowa
moc znamionowa
napięcia znamionowe (Ug/Ud)
prądy znamionowe (Ig/Id)
zmierzone napięcie zwarcia
zmierzone straty jałowe
zmierzone straty w stanie zwarcia
symbol znamionowego rodzaju pracy
symbol grupy połączeń uzwojeń
Jednostka
Hz
kVA
V
A
%
W
W
-
Wartość
/
/
Uwaga !
Przez cały czas ćwiczenia należy pamiętać wartości prądów znamionowych transformatora.
Wartości tych nie powinno się niepotrzebnie przekraczać.
Należy spisać dane znamionowe użytych przyrządów pomiarowych
(woltomierzy, amperomierzy, watomierzy).
2.2. Pomiar rezystancji uzwojeń
♦ Przebieg pomiaru rezystancji uzwojeń.
Zasady pomiaru rezystancji uzwojeń.
• Pomiar wykonać metodą techniczną, uwzględniając układ połączeń uzwojeń transformatora.
• Dobrać odpowiednie zakresy mierników:
amperomierza — podstawą doboru są prądy znamionowe transformatora;
woltomierza — podstawą doboru są procentowe napięcie zwarcia i procentowa sprawność
transformatora.
• Pomiar rezystancji uzwojeń transformatora wykonać dla trzech wartości prądu.
• Wyniki pomiarów należy notować w tablicy 1.2a
(dotyczy bezpośredniego pomiaru rezystancji fazowych uzwojeń transformatora).
• Należy zanotować temperaturę otoczenia τx
(przy szybkim pomiarze można przyjąć, że pomierzone wartości rezystancji dotyczą
temperatury równej temperaturze otoczenia).
7
Tablica 1.2a
Lp.
Zaciski a1−a2
U
I
R1a
V
A
Ω
Zaciski b1−b2
U
I
R1b
V
A
Ω
Zaciski c1−c2
U
I
R1c
V
A
Ω
Tablica 1.2b
Lp.
Zaciski a3−a6
U
I
R2a
V
A
Ω
Zaciski b3−b6
U
I
R2b
V
A
Ω
Zaciski c3−c6
U
I
R2c
V
A
Ω
τx = . . . . . o C
♦ Opracowanie wyników pomiaru rezystancji uzwojeń.
Wartości średnie rezystancji uzwojeń (rezystancji fazowych) należy obliczyć wg. podanej niżej
procedury.
Wartość średnia rezystancji fazowej strony pierwotnej R1:
• obliczyć dla trzech pomierzonych spadków napięć U oraz prądów I odpowiadające im
wartości rezystancji uzwojenia „a1-a2” strony pierwotnej — oznaczone kolejno symbolami
R1a1, R1a2, R1a3;
• następnie obliczyć wartość średnią rezystancji uzwojenia „a1-a2” wg. zależności:
R + R1a 2 + R1a 3
(1.13)
R1aśr = 1a1
3
• analogicznie obliczyć wartości średnie rezystancji R1Bśr oraz R1Cśr — odpowiadające
uzwojeniu „B1-B2” oraz „C1-C2” strony pierwotnej;
• następnie wyznaczyć wartość średnią rezystancji fazowej strony pierwotnej:
R + R1bśr + R1cśr
(1.14)
R1 = 1aśr
3
Wartość średnia rezystancji fazowej strony wtórnej R2:
• obliczyć dla trzech pomierzonych spadków napięć U oraz prądów I odpowiadające im
wartości rezystancji uzwojenia „a3-a6” strony wtórnej — oznaczone kolejno symbolami
R2a1, R2a2, R2a3;
• następnie obliczyć wartość średnią rezystancji uzwojenia „a1-a6” wg. zależności:
R + R 2a 2 + R 2a 3
(1.15)
R 2aśr = 2a1
3
• analogicznie obliczyć wartości średnie rezystancji R2bśr oraz R2cśr — odpowiadające
uzwojeniu „b3-b6” oraz „c3-c6” strony wtórnej;
• następnie wyznaczyć wartość średnią rezystancji fazowej strony wtórnej:
R
+ R 2 bśr + R 2cśr
(1.16)
R 2 = 2 aśr
3
Wyniki obliczeń rezystancji uzwojeń badanego transformatora zestawić w odpowiedniej tabeli.
W praktyce wartości rezystancji R1 oraz R2 we wzorach (1.14) i (1.16) — pomierzone w
temperaturze τx — przelicza się do umownej temperatury odniesienia τo (temperatury pracy) wg.
zależności:
8
R τo = R τx
235 + τ o
[Ω]
235 + τ x
(1.17)
gdzie:
Rτx − wartość rezystancji pomierzona w temperaturze τx ,
τo − temperatura odniesienia, np. dla klasy izolacji A, E, B wynosi 75oC, a dla klasy izolacji
F, H wynosi 115oC.
Należy przeliczyć wg. podanej wyżej zależności wartości średnie rezystancji fazowych R1 oraz
R2 do temperatura odniesienia τo odpowiadające klasie izolacji badanego transformatora.
2.3. Badanie przekładni
♦ Definicja przekładni.
Zgodnie z normą PN /E-06040 przekładnia transformatora trójfazowego jest równa stosunkowi
(wartość większa od jedności) napięć międzyprzewodowych, odpowiednio górnego i dolnego
napięcia:
Ug
ϑu =
(1.18)
U do
Znajomość przekładni transformatora jest niezbędna przy analizie jego pracy samodzielnej i
równoległej. Pozwala ona określić napięcia strony wtórnej przy zadanych napięciach strony
pierwotnej oraz przeliczać parametry schematu zastępczego, dane dla jednej strony, na stronę
drugą.
Przekładnie napięciowa ϑ u transformatora trójfazowego, w związku z różnymi kombinacjami
połączeń jego uzwojeń, różni się na ogół od przekładni zwojowej ϑ . Poniżej podano zależności
między tymi przekładniami dla różnych układów połączeń. W zależnościach tych symbole U1 i U2o
oznaczają napięcia międzyprzewodowe stanu jałowego, a U1f i U2fo odpowiednie napięcia fazowe.
1. Układy z uzwojeniem pierwotnym połączonym w gwiazdę:
• układy Yy
U1
U 3 z1
= 1f
≈
=ϑ
U 2 o U 2 fo 3 z 2
(1.19)
U1
U 3 z1
3 = ϑ⋅ 3
= 1f
≈
U 2o
U 2 fo
z2
(1.20)
U1
U 3
U 1f ⋅ 3
z 1
2
= 1f
=
≈ z21
=ϑ
x
U 2 o U 2 fo 3 ( U 2 fo 3 ) ⋅ 3
3
3
2
(1.21)
ϑu =
• układ Yd
ϑu =
• układ Yz
ϑu =
gdzie:
U 2x fo − napięcie połowy zwojów fazy wtórnej.
2. Układy z uzwojeniem pierwotnym połączonym w trójkąt:
− układ Dy
U
U 1f
z 1
1
ϑu = 1 =
≈ 1
=ϑ
U 2 o U 2 fo 3 z 2 3
3
(1.22)
• Układ Dd
ϑu =
• Układ Dz
U1
U
z
= 1f ≈ 1 = ϑ
U 2 o U 2 fo z 2
(1.23)
ϑu =
9
U1
U
U 1f
U 1f
z1
2
= 1f =
=
≈
=ϑ
x
z
3
U 2 o U 2 fo U 2 fo 3 ( U 2 fo 3 ) ⋅ 3
( 2 ⋅ 3) ⋅ 3
2
(1.24)
♦ Przebieg pomiaru przekładni.
Pojęciem ścisłym jest pojęcie przekładni zwojowej. Natomiast pojęcie przekładni napięciowej
jest związane z uproszczeniem (dopuszczalnym w praktyce), wynikającym z pominięcia spadków
napięć: w uzwojeniu pierwotnym (od przepływu prądu jałowego) i w uzwojeniu wtórnym (od
przepływu prądu pobieranego przez woltomierz) w czasie pomiaru napięć na zaciskach
transformatora. Zatem, celem ograniczenia błędu pomiarowego, pomiary przekładni napięciowej
należy wykonać w zakresie prostoliniowej części charakterystyki magnesowania rdzenia
transformatora, a więc przy obniżonym napięciu.
Schemat układu pomiarowego dla układu połączeń Yy przedstawiony jest na rys. 1.3.1)
V
RN
V
a1
a2
a3
a4 a5
a6
S
b1
b2
b3
b4 b5
b6
T
c1
c2
c3
c4 c5
c6
R
~3 X 380 V
PW
Rys. 1.3. Schemat dla pomiaru przekładni transformatora: RN − regulator napięcia; PW - przełącznik
watomierzowy
Uwagi ogólne do pomiaru przekładni transformatora.
• Transformator powinien być zasilany napięciem trójfazowym, możliwie symetrycznym, po
stronie górnego napięcia.
• Pomiar przekładni należy wykonać metodą woltomierzową.
• Ze względu na dopuszczalny błąd pomiaru ± 0,5% należy zastosować woltomierz klasy 0,2
o stosunkowo dużej wartości rezystancji wewnętrznej.
• Wg. normy PN/E-06040 pomiary należy przeprowadzić dla wszystkich par uzwojeń.
• Woltomierze należy przyłączyć bezpośrednio do zacisków transformatora.
• Celem zmniejszenia uchybu, spowodowanego niesymetrią napięć, należy włączyć
woltomierze między zaciski oznakowane tymi samymi literkami po stronie pierwotnej
i wtórnej, np. pary zacisków oznakowane „a1-b1/a6-b6” itp.
• Pomiary przekładni należy wykonać dla co najmniej dwu różnych układów połączeń
uzwojeń (dla celów porównawczych) — podanych przez prowadzącego ćwiczenia.
W czasie pomiarów należy:
• Zmieniać wartość napięcia zasilania za pomocą regulator napięcia RN.
• Celem zmniejszenia uchybu przypadkowego, przeprowadzić pomiary dla trzech wartości
napięcia, zawartych w przedziale od 0,1 do około 0,7 napięcia znamionowego.
• Wyniki pomiarów notować w tablicy 1.3.
1)
Oznaczenia końców uzwojenia pierwotnego i wtórnego nie są zgodne z normą PN/E-81003.
10
Tablica 1.3
Lp.
a1−b1/a6−b6
U1
U2o ϑuab
V
V
−
b1−c1/b6−c6
U2o ϑubc
U1
V
V
−
c1−a1/c6−a6
U2o ϑuca
U1
V
V
−
Układ
połącz.
♦ Opracowanie wyników pomiaru przekładni
Wartość średnią przekładni napięciowej należy obliczyć wg. podanej niżej procedury.
• obliczyć dla trzech pomierzonych napięć U1 oraz U2o odpowiadające im kolejne wartości
przekładni pary uzwojeń „a1−b1/a6−b6” wg zależności:
U
ϑuab = 1
(1.25)
U 2o
oznaczone kolejno symbolami ϑuab1, ϑuab2, ϑuab3;
• następnie obliczyć wartość średnią przekładni pary uzwojeń „a1−b1/a6−b6”:
ϑ
+ ϑuab 2 + ϑuab 3
(1.26)
ϑuabśr = uab1
3
• analogicznie obliczyć wartości średnie przekładni pary uzwojeń „b1−c1/b6−c6” oraz
„c1−a1/c6−a6” — oznaczone kolejno symbolami ϑubcśr, ϑucaśr
• następnie wyznaczyć wartość średnią przekładni napięciowej transformatora:
ϑ
+ ϑubcśr + ϑucaśr
(1.27)
ϑu = uabśr
3
2.4.
Próba stanu jałowego: badanie charakterystyk stanu jałowego
♦ Podstawy próby stanu jałowego
Pomiary wartości strat jałowych i prądu jałowego przy napięciu znamionowym są
podstawowym celem próby stanu jałowego transformatora.
Próba stanu jałowego polega na zasilaniu transformatora z dowolnej strony i pomiarze
pobieranego przez transformator prądu i mocy. W czasie pomiaru uzwojenie wtórne transformatora
jest otwarte.
Charakterystyki stanu jałowego (rys. 1.4) przedstawiają zależności prądu jałowego Io oraz
mocy czynnej Po, pobieranych przez transformator, i współczynnika mocy cos ϕo od napięcia
zasilania U1 o przebiegu sinusoidalnym i stałej częstotliwości f, przy nieobciążonym (otwartym)
uzwojeniu wtórnym (I2 = 0):
Io = f (U1)
Po = f (U1)
cos ϕo = f (U1)
przy:
f = const
I2 = 0
Na podstawie charakterystyk stanu jałowego transformatora, wyznaczonych pomiarowo,
określa się straty jałowe ΔPFe — straty w żelazie rdzenia (potrzebne do wyznaczenia sprawności) i
parametry schematu zastępczego stanu jałowego (patrz: p.1.1 ćwiczenia 1).
Moc Po pobierana przez transformator w stanie jałowym zamienia się, praktycznie, całkowicie
na straty w żelazie. Z kolei straty w żelazie są w przybliżeniu proporcjonalne do kwadratu indukcji
B, czyli w przybliżeniu także do kwadratu przyłożonego napięcia U1 (dopuszczalne jest pominięcie
spadku napięć na uzwojeniu w stanie jałowym). Zatem moc Po może być z jednej strony wyrażona
jako:
11
Po ≈ ΔPFe = f ( U 1 ) ≈ c1 B ≈ c 2 U [W]
2
2
1
(1.28)
I0 Im I0cz [A]
P0
[W]
P0
cosϕ0
I0
cosϕ0
Im
I0N
I0cz
0
U1 [V]
UN
Rys. 1.4. Charakterystyki stanu jałowego transformatora
z drugiej strony przez wyrażenie:
Po = m U 1I ocz [W]
gdzie składowa czynna prądu jałowego Iocz jest proporcjonalna do napięcia U1:
I ocz = I o ⋅ cos ϕ o ≈ c 3 U 1 [A]
(1.29)
(1.30)
przy czym współczynnik mocy stanu jałowego:
Po
(1.31)
m U1I o
Natomiast prąd magnesujący Im rośnie wg. odwróconej krzywej magnesowania B = B(H), co
oznacza szybki jego wzrost w zakresie dużych wartości indukcji (dla wartości napięcia U1
zbliżonych do wartości znamionowej UN). Wyjaśnia to malejący przebieg krzywej
cos ϕo = f (U1) na rys. 1.4. W zakresie małych wartości napięcia współczynnik mocy cos ϕo osiąga
wartość maksymalną — wynika to z zagięcia krzywej magnesowania.
♦ Przebieg próby stanu jałowego
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys. 1.5.
cos ϕ o =
V
*
* W
A
~3 X 380 V
RN
R
a1
a2
a3
a4 a5
a6
S
b1
b2
b3
b4 b5
b6
T
c1
c2
c3
c4 c5
c6
PW
Rys. 1.5. Schemat połączeń do próby stanu jałowego transformatora: RN − regulator napięcia; PW przełącznik watomierzowy (układ z poprawnie mierzonym prądem !)
12
Uwagi ogólne do próby stanu jałowego.
• Podstawą doboru zakresu pomiarowego amperomierza i watomierza są procentowe wartości
prądu jałowego badanego transformatora.
• Woltomierz, amperomierz i watomierz połączyć w układzie z poprawnie mierzonym
prądem.
• Celem ograniczenia prądu włączania transformatora należy go załączać przy znacznie
obniżonym napięciu.
• Przy włączaniu transformatora na pełne napięcie (znamionowe) cewki prądowe watomierzy
i cewki amperomierzy należy zewrzeć.
• Ze względu na niesymetrię prądów jałowych (efekt niesymetrii magnetycznej rdzenia), moc
pobieraną przez transformator należy mierzyć w trzech fazach lub w układzie Arona.
• Dla jednej z faz wychylenie watomierza może być ujemne, szczególnie w zakresie napięć
znamionowych, należy zmienić kierunek wychylenia watomierza przełącznikiem PW, a do
bilansu mocy pobieranej przez transformator wskazanie to należy brać ze znakiem
ujemnym.
• Regulatorem napięcia RN zmieniać wartości napięcia zasilającego transformator w zakresie
od wartości bliskich zera do wartości 1,05 UN napięcia znamionowego (w tym dla napięcia
znamionowego).
• Wyniki zanotować w tablicy 1.4a.
Tablica 1.4a
Lp.
Ua
V
Ub
V
Uc
V
Wielkości pomierzone
Ioa
Iob
Ioc
Poa
A
A
A
W
Pob
W
Poc
W
♦ Opracowanie wyników próby stanu jałowego
W czasie wykonywanych pomiarów napięcia i prądy poszczególnych faz mogą się różnić
między sobą. Ich wartości średnie, podane w tablicy 1.4a, należy obliczyć wg. następujących
zależności:
• napięcie zasilania:
U1 =
Ua + Ub + Uc
[A]
3
(1.32)
13
Tablica 1.4b
Lp.
U1
V
Io
A
Po
W
Wielkości obliczone
ΔPFe cos ϕo Im
W
A
−
Iocz
A
Xm
A
RFe
A
• prąd stanu jałowego:
Io =
I oa + I ob + I oc
[A]
3
oraz dla napięcia U1=U1N
I o% =
Io
100 %
IN
(1.33)
Ponadto należy wyznaczyć:
• sumaryczną moc pobieraną przez transformator:
P0 = Poa + Pob + Poc [V] oraz dla napięcia znamionowego
P0% =
P0
100
SN
(1.34)
• straty w żelazie przy założeniu:
ΔPFe ≈ Po [W]
(1.35)
• składową czynną prądu stanu jałowego:
I ocz =
P
ΔPFe
≈ o [A]
3 E1 3 U1
(1.36)
• prąd magnesujący
I m = I 2o − I 2ocz [A]
(1.37)
• współczynnik mocy stanu jałowego
Po
3U 1 I o
(1.38)
E1
U
≈ 1 [Ω ]
I ocz I ocz
(1.39)
E1 U1
≈
[Ω ]
Im Im
(1.40)
cos ϕ o =
• rezystancję modelującą straty w żelazie
R Fe =
• reaktancję magnesującą
Xm =
Uwaga !
Zależności (1.36), (1.38), (1.39) i (1.40) obowiązują przy założeniu, że uzwojenie pierwotne
połączone jest w gwiazdę (Y), a pomierzone napięcia i prądy są wielkościami fazowymi.
Wyniki powyższych obliczeń zestawić w tablicy 1.4b.
2.5.
Próba stanu zwarcia: badanie charakterystyk zwarcia
♦ Podstawy próby stanu zwarcia
14
Pomiary wartości strat miedzi i napięcia zwarcia dla prądu znamionowego są
podstawowym celem próby stanu zwarcia transformatora.
Próba stanu zwarcia transformatora polega na zasilaniu transformatora z dowolnej strony i
pomiarze pobieranego przez transformator prądu Iz i mocy Pz oraz napięcia zasilania. W czasie
próby uzwojenie wtórne jest zwarte.
Charakterystyki zwarcia (rys. 1.6) przedstawiają zależności prądu zwarcia Iz, mocy zwarcia Pz,
pobieranych przez transformator, i współczynnika mocy cos ϕz od napięcia zasilania U1 o przebiegu
sinusoidalnym i stałej częstotliwości f, przy zwartym uzwojeniu wtórnym (U2 = 0):
Iz = f (U1)
przy:
cos ϕz = f (U1)
U2 = 0
Pz = f (U1)
f = const
Iz [A]
Pz [W]
cosϕz
Iz
Pz
IN
cosϕz
0
Uz
U1 [V]
Rys. 1.6. Charakterystyki zwarcia transformatora
Na podstawie charakterystyk zwarcia, wyznaczonych z pomiarów, określa się wartość strat w
miedzi uzwojeń (podstawa do wyznaczenia sprawności) i napięcia zwarcia, a także parametry
schematu zastępczego stanu zwarcia (patrz: p.1.1 ćwiczenia 1).
W stanie zwarcia pomiarowego, kiedy napięcie przyłożone do uzwojenia jest znacznie
mniejsze od znamionowego, można pominąć prąd magnesujący i straty w żelazie. Można więc
przyjąć, że moc pobierana w tych warunkach przez transformator zamienia się prawie całkowicie
na straty w miedzi uzwojeń:
Pz ≈ ΔPCu ≈ 3 I 2z ( R 1 + R '2 ) = 3 I 2z R z
(1.41)
a dla obwodu napięcia zwarcia zachodzi relacja:
U z ≈ I z R 2z + X 2z = I z Z z
(1.42)
Rezystancja zwarcia Rz zmienia się w wąskich granicach pod wpływem zmian temperatury
uzwojeń. Jednak zmiany te można pominąć, gdy próba trwa krótko. Z kolei reaktancja zwarcia Xz
odpowiada strumieniowi rozproszenia, który na znacznej części swej drogi przebiega w ośrodku
niemagnetycznym (powietrze, olej): charakteryzuje się on stałą przenikalnością magnetyczną.
Ponieważ o wartości reluktancji drogi strumienia rozproszenia decyduje ośrodek niemagnetyczny,
więc reaktancja zwarcia Xz nie zależy od prądu zwarcia.
Powyższe rozważania wyjaśniają: impedancja zwarcia transformatora jest stała i nie zależy od
15
poziomu prądu zwarcia; paraboliczny przebieg zależności Pz = f (U1); stałą wartość
cos ϕz = f (U1) i prostoliniowy przebieg zależności Iz = f (U1) (podanych na rys. 1.6).
♦ Przebieg próby stanu zwarcia
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys.1.7.
V
A
*
* W
~3 X 380 V
RN
R
a1
a2
a3
a4 a5
a6
S
b1
b2
b3
b4 b5
b6
T
c1
c2
c3
c4 c5
c6
A
PW
Rys. 1.7. Schemat połączeń do próby zwarcia transformatora: RN − regulator napięcia;
PW - przełącznik watomierzowy (układ z poprawnie mierzonym napięciem !)
Uwagi ogólne do próby stanu zwarcia.
• Podstawą doboru zakresu pomiarowego woltomierza, amperomierza i watomierza
(ewentualnie przekładnika prądowego) są wartości prądów znamionowych i procentowe
wartości napięcia zwarcia badanego transformatora.
• Woltomierz, amperomierz i watomierz połączyć w układzie z poprawnie mierzonym
napięciem.
• Przy włączaniu transformatora na napięcie zasilające (wartości winna być zbliżona do zera)
cewki prądowe watomierza należy zewrzeć.
• Ze względu na ewentualną niesymetrię prądów zwarciowych (efekt niesymetrii napięć
zasilających, impedancji zwarcia), moc pobieraną przez transformator należy mierzyć w
trzech fazach lub w układzie Arona.
• Wychylenie watomierza dla jednej z faz w układzie Arona może być ujemne (dla wartości
współczynnika mocy cos ϕz < 0,5): należy zmienić kierunek wychylenia watomierza
przełącznikiem PW, a do bilansu mocy pobieranej przez transformator wskazanie to należy
brać ze znakiem ujemnym.
• Uzwojenie wtórne transformatora należy zewrzeć odpowiednio grubym przewodem o
przekroju miedzi większym od przekroju miedzi jego uzwojenia.
• Regulatorem napięcia RN zmieniać wartość napięcia zasilającego od wartości przy
której prąd zwarcia osiąga wartości około 1,2 IN, do wartości zbliżonej do zera.
• Wykonać pomiary dla prądu znamionowego transformatora.
• Wykonać pomiar mocy pobieranej przez transformator w układzie Arona z
wykorzystaniem przełącznika watomierzowego PW.
• Pomiary wykonać możliwie szybko, aby ograniczyć nagrzewanie transformatora.
• Wyznaczyć temperaturę uzwojeń na początku τp i na końcu τk pomiarów charakterystyk
zwarcia (pierwszy pomiar należy wykonać przy prądzie największym, a następny
pomiar przy prądzie najmniejszym — wtedy temperatury uzwojeń zmieniają się w
niewielkich granicach).
16
• Wyniki pomiarów zestawić w tablicy 1.5a.
Tablica 1.5a
Lp.
Ua
V
τp = . . . . . o C
Ub
V
Wielkości pomierzone
Uc
Iza
Izb
Izc
Pza
V
A
A
A
W
Pzb
W
Pzc
W
Iz2
A
τk = . . . . . o C
♦ Opracowanie wyników próby stanu zwarcia
Tablica 1.5b
Lp.
U1
V
Iz
A
Pz
W
cos ϕz ΔPCup
W
−
Wielkości obliczone
Xz
R1
ΔPCud Rz
W
Ω
Ω
Ω
R’2
Ω
R2
Ω
Xσ1
Ω
X’σ2
Ω
W czasie pomiarów napięcia i prądy poszczególnych faz mogą się różnić między sobą. Ich
wartości średnie, podane w tablicy 1.5a, należy obliczyć wg. następujących zależności:
• napięcie zasilania:
U + U b + Uc
U1 = a
[V]
(1.43)
3
• prąd zwarcia:
I +I +I
I z = za zb zc [A]
(1.44a)
3
• napięcie zwarcia dla prądu Iz=IN:
U
(1.44b)
U z% = z 100 %
UN
• moc zwarcia pobierana przez transformator:
Pz = Pza + Pzb + Pzc [W] oraz dla prądu Iz=IN
• współczynnik mocy w stanie zwarcia transformatora:
Pz
cos ϕ z =
3U 1I z
Pz% =
Pz
100
SN
(1.45)
(1.46)
• straty podstawowe w miedzi uzwojeń dla temperatury τ (wydzielające się w uzwojeniach przy
równomiernym przepływie prądu przez cały przekrój przewodu):
17
ΔPCup = 3 I ( R1τ + ϑ R 2 τ ) [W]
2
z
2
(1.47)
gdzie, rezystancje fazowe uzwojeń strony pierwotnej R1τ i wtórnej R2τ w temperaturze τ przy której
wykonano pomiary strat:
235 + τ
R 1τ = R 1
[Ω]
(1.48)
235 + τ x
235 + τ
R 2τ = R 2
[Ω]
(1.49)
235 + τ x
τp + τk
(1.50)
τ = τ śr =
2
τx − temperatura pomiaru wartości rezystancji R1 oraz R2 (patrz p. 1.3 ćwiczenia 1),
ϑ − przekładnia transformatora.
• straty dodatkowe w miedzi uzwojeń dla temperatury τ (wywołane prądami wirowymi wewnątrz
przewodów):
ΔPCud ≈ Pz − ΔPCup [W]
(1.51)
• impedancja zwarcia transformatora:
Zz =
U1
Iz
(1.52)
• rezystancja zwarcia transformatora:
R z = Z z cos ϕ z
(1.53)
X z = Z z sin ϕ z
(1.54)
• reaktancja zwarcia transformatora:
• rezystancja uzwojenia strony pierwotnej transformatora:
R1 ≈ 12 R z
(1.55)
• zredukowana rezystancja uzwojenia strony wtórnej transformatora:
R ′2 ≈ 12 R z
(1.56)
• realna rezystancja uzwojenia strony wtórnej transformatora:
R′
R 2 = 22
ϑ
• reaktancja rozproszenia uzwojenia strony pierwotnej transformatora:
X σ1 ≈ 12 X z
(1.57)
(1.58)
• reaktancja rozproszenia uzwojenia strony wtórnej transformatora:
Xσ 2 =
X′σ2 ≈ 12 X z
• procentowe napięcie zwarcia transformatora:
U z% =
Z z I1N
U 1N / 3
100
X′σ 2
ϑ2
(1.59)
(1.60)
Uwaga !
Zależności (1.46), (1.52) obowiązują dla połączenia uzwojenia pierwotnego w gwiazdę (Y),
a pomierzone napięcia i prądy są wielkościami fazowymi.
W praktyce wartości strat w uzwojeniach — pomierzone w temperaturze τ — przelicza się do
umownej temperatury odniesienia τo (temperatury pracy, stan nagrzania transformatora).
Przeliczenia strat w uzwojeniach należy wykonać oddzielnie dla strat podstawowych i
18
dodatkowych, ponieważ ze wzrostem temperatury pierwsze z nich rosną, natomiast drugie maleją.
Straty podstawowe przelicza się do temperatury odniesienia τo wg. zależności:
235 + τ o
(1.61)
ΔPCupτo = ΔPCupτ
[W]
235 + τ
ΔPCudτo = ΔPCudτ
235 + τ
[W]
235 + τ o
(1.62)
gdzie, temperatura odniesienia τo, np. dla klasy izolacji A, E, B wynosi 75oC, a dla klasy izolacji F,
H wynosi 115oC.
Wyniki powyższych obliczeń zestawić w tablicy 1.5b.
2.6. Wyznaczenie sprawności transformatora metodą strat poszczególnych
♦ Definicja sprawności
Sprawność transformatora określa jego własności energetyczne. Można ją określić jako
stosunek mocy czynnej oddanej P2 do mocy czynnej pobranej P1 przez transformator:
P
η = 2 ⋅100 [%]
P1
Sprawność znamionową określa się przy znamionowych parametrach pracy, współczynniku mocy
cos ϕ2 = 1, znamionowej wydajności urządzeń pomocniczych i przy temperaturze uzwojeń 75 oC
(348,2 oK).
Sprawność transformatora jest na ogół duża – największa ze sprawności wszystkich
urządzeń elektrycznych – osiąga wartości do 99%.
♦ Wyznaczenie sprawności
W praktyce, sprawności transformatora wyznacza się metodą strat poszczególnych. Metoda ta
polega na określeniu strat w transformatorze w warunkach znamionowych.
Sprawność zgodnie z definicją wynosi:
η = 1−
∑ ΔP
P + ∑ ΔP
(1.63)
2
przy czym
∑ ΔP = ΔP
Fe
gdzie:
+ ΔPCu [W]
(1.64)
∑ ΔP − sumaryczne straty mocy czynnej w transformatorze,
ΔPFe − straty w żelazie rdzenia,
ΔPCu − straty w miedzi (uzwojeniach),
− moc czynna wydawana przez transformator.
P2
Straty w żelazie rdzenia należą do kategorii strat jałowych (stałych), a straty w miedzi do
kategorii strat obciążeniowych (zmiennych).
Podstawą do określenia strat w zależnościach (1.63) i (1.64) są wyniki próby stanu jałowego i
stanu zwarcia transformatora (patrz p. 1.5 i 1.6 ćwiczenia 1).
Straty w żelazie wyznacza się na podstawie charakterystyki stanu jałowego, natomiast straty w
miedzi wg. wzoru:
(1.65)
ΔPCu = α 2 ΔPCuN [W]
przy czym:
− znamionowe straty w miedzi w stanie nagrzanym transformatora,
ΔPCuN
I
α = 2 − stosunek obciążenia faktycznego do znamionowego.
I2N
19
Moc czynną P2 wyznacza się z zależności:
P2 = α ⋅ S N ⋅ cos ϕ 2 [W]
(1.66)
gdzie:
− moc znamionowa transformatora,
SN
cos ϕ2 − współczynnik mocy odbioru.
Sprawność maksymalna transformatora występuje przy takim obciążeniu, przy którym straty w
uzwojeniach równe są stratom w żelazie.
Typową charakterystykę sprawności transformatora przy stałym współczynniku mocy,
przedstawiono na rys. 1.8.
η [%]
η max
ηN
0
0,5
1,0
I2/I2N
Rys.1.8. Charakterystyka sprawności transformatora dla cos ϕ2 = 0,8 ind.
2.7. Wyznaczenie zmiany napięcia
♦ Definicja zmiany napięcia
Zmiana napięcia wyraża spadek wtórnego napięcia transformatora przy przejściu od stanu
jałowego do stanu obciążenia przy określonym współczynniku mocy, niezmienionym napięciu
pierwotnym i niezmienionej częstotliwości. Zmianę tę określa się w procentach napięcia
znamionowego:
U − U2
ΔU % = 2 o
100
(1.67)
U 2o
gdzie:
− napięcie wtórne w stanie jałowym,
U2o
− napięcie wtórne przy obciążeniu.
U2
♦ Wyznaczenie zmiany napięcia
Wartość procentową zmiany napięcia oblicza się z zależności przybliżonej:
ΔU % ≈ α( U R % cos ϕ 2 ± U X % sin ϕ 2 ) [%]
(1.68)
gdzie: α =
I1
I1N
I1, I1N
U1fN
UR%
UX%
R z I1N
X I
100
U X% = z 1N 100
U1fN
U1fN
− prądy fazowe: obciążenia i znamionowy strony pierwotnej,
− fazowe napięcie znamionowe strony pierwotnej,
− wartość procentowa spadku napicia na rezystancji zwarcia,
− wartość procentowa spadku napicia na reaktancji zwarcia.
U R% =
(1.69)
Największa wartość zmiany napięcia transformatora
równa jest procentowemu napięciu zwarcia transformatora.
Zależność zmiany napięcia transformatora o napięciu zwarcia 6% od charakteru obciążenia
przedstawia rys. 1.9.
20
ΔU%
ΔU%max 6
[%]
4
2
0
0poj.
0,5
1
0,5
0ind. cosϕ2
-2
-4
-6
Rys. 1.9. Charakterystyka zmiany napięcia transformatora o napięciu zwarcia Uz% = 6%
2.8.
Zadania
1. Dla badanego transformatora przy założeniu jednakowej przekładni zwojowej ϑ i dwóch różnych układów
połączeń uzwojeń wyznaczyć wartości przekładni napięciowej. Następnie sprawdzić czy wartości te spełniają
zależności (1.19) do (1.24) oraz wyjaśnić ewentualne różnice.
2. Wykreślić charakterystyki stanu jałowego transformatora (por. rys. 1.4 ćwiczenia 1) i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt.
3. Wykreślić charakterystyki zwarcia badanego transformatora (por. rys. 1.6 ćwiczenia 1) i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt.
4. Wyznaczyć wartości procentowe: prądu stanu jałowego (także składowe), strat w żelazie i współczynnik mocy
stanu jałowego, badanego transformatora dla warunków znamionowych.
5. Wyznaczyć wartości procentowe: napięcia zwarcia (także składowe), straty mocy w miedzi uzwojeń (z podziałem
na straty podstawowe i dodatkowe) i współczynnik mocy stanu zwarcia, badanego transformatora dla warunków
znamionowych (uwzględnić temperaturę odniesienia dla klasy izolacji transformatora).
6. Obliczyć ustalony prąd zwarcia badanego transformatora zasilanego napięciem znamionowym.
7. Narysować i wyznaczyć parametry (przeliczone na stronę górnego napięcia) schematu zastępczego badanego
transformatora dla warunków znamionowych. Wartości parametrów wyrazić zarówno w jednostkach
bezwzględnych jak i względnych (procentach).
8. Sporządzić wykresy wartości parametrów schematu zastępczego badanego transformatora w funkcji napięcia
zasilania U1: oddzielnie dla gałęzi magnesującej (podłużnej) i gałęzi zwarciowej (poprzecznej) schematu.
Uzasadnić fizycznie oraz analitycznie ich kształt.
9. Sporządzić wykresy wektorowe badanego transformatora dla stanu jałowego.
10. Sporządzić wykresy wektorowe badanego transformatora dla stanu zwarcia.
11. Sporządzić wykres wektorowy badanego transformatora w stanie obciążenia, przy współczynniku mocy cos ϕ2 =
0,8 ind. Transformator zasilany jest napięciem znamionowym i obciążony prądem znamionowym.
12. Sporządzić wykres wektorowy badanego transformatora w stanie obciążenia, przy współczynniku mocy cos ϕ2 =
0,8 poj. Transformator zasilany jest napięciem znamionowym i obciążony prądem znamionowym.
13. Sporządzić wykres krzywej zmiany napięcia badanego transformatora w funkcji współczynnika mocy cos ϕ2
− π / 2 ≤ ϕ 2 ≤ π / 2 (por. rys. 1.9 ćwiczenia 1). Warunki zasilania i obciążenia jak w zada. 11. Uzasadnić
(
14.
15.
16.
17.
2.9.
)
fizycznie wpływ charakteru obciążenia (cos ϕ2) na wartość zmiany napięcia.
Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanego transformatora dla wartości współczynnika mocy cos
ϕ2 = 0,8 ind.
Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanego transformatora dla wartości współczynnika mocy cos
ϕ2 = 0,8 poj.
Sporządzić wykres krzywej sprawności badanego transformatora (por. rys. 1.8 ćwiczenia 1) dla znamionowych
warunków zasilania i współczynnika mocy cos ϕ2 = 0,8 ind. Uzasadnić wpływ charakteru obciążenia (cos ϕ2) na
charakter krzywej sprawności.
Dla badanego transformatora wyznaczyć wartość sprawności maksymalnej i znamionowej (dla cos ϕ2 = 1) przy
znamionowych warunkach zasilania. Uzasadnić dlaczego transformatory buduje się przy założeniu maksymalnej
sprawności dla obciążeń I2 < I2N.
Pytania kontrolne
Pytania dotyczące budowy i teorii transformatora.
1. Podać rodzaje budowy transformatorów. Naszkicować, nazwać i podać funkcje podstawowych elementów
transformatora.
2. Co to są wielkości pierwotne i wtórne, dolne i górne transformatora?
3. Podać definicję przekładni transformatora
21
4. Podać różnicę między transformatorem idealnym i rzeczywistym.
5. Wyjaśnić zasadę działania transformatora. Podać jakie zjawiska są podstawą jego budowy i działania.
6. Narysować modele transformatora: fizyczny i obwodowy (schemat zastępczy). Podać i wyjaśnić wzajemne relacje
między wielkościami fizycznymi a zmiennymi i parametrami modelu obwodowego.
7. Narysować model obwodowy transformatora i nazwać tworzące go elementy.
8. Podać i objaśnić podstawowe wielkości charakterystyczne i zależności dotyczące transformatorów (Io, Φm, Φσ1
Φσ2, E1, E2, ϑ , ϑ u , Iz, Uz, ΔPFe, ΔPCu).
9. Podać definicję sprawności i zmienności napięcia transformatora. Od czego zależą ich wartości. Kiedy wystąpi
sprawność maksymalna i maksymalna zmienności napięcia transformatora?
Pytania dotyczące przygotowania praktycznego do ćwiczenia
1. Podać najważniejsze dane tabliczki znamionowej transformatora.
2. Podać orientacyjne wartości procentowe dla transformatorów:
• spadku napięcia na rezystancji zwarcia,
• prądu stanu jałowego,
• napięcia zwarcia,
• strat w rdzeniu (żelazie) i w uzwojeniach (miedzi) i relacje między ich wartościami,
• sprawności.
3. Z jaką dokładnością (wymagana klasa dokładności mierników) i dlaczego należy wyznaczyć przekładnię
transformatora?
4. Wymienić podstawowe próby transformatora i jakie wielkości eksploatacyjne wyznacza się na podstawie wyników
tych prób.
5. Na podstawie jakich prób wyznacza się parametry modelu obwodowego transformatora? Podać zależności między
wynikami tych prób i parametrami modelu obwodowego.
6. Wymienić i narysować podstawowe charakterystyki transformatora, podając współrzędne oraz wielkości jakie
należy utrzymywać stałe.
7. Jak należy dobrać zakresy woltomierza, amperomierza i watomierza do pomiarów stanu jałowego transformatora?
8. Jak należy dobrać zakresy woltomierza, amperomierza i watomierza do pomiarów stanu zwarcia transformatora?
2.10. Literatura pomocnicza
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
1.
2.
Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1974.
Latek W. : Badanie maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT, W-wa 1979.
Manitius Z.: Transformatory (skrypt). Wyd. Pol. Gd., Gdańsk 1977.
Manitius Z.: Maszyny elektryczne. Cz. I. Wyd. Pol. Gd. Gdańsk 1982.
Matulewicz W.: Maszyny elektryczne. Podstawy. Wydawnictwo PG 2003.
Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. Wyd. 7. WNT, W-wa 1992.
Praca zbiorowa (red. Manitius Z.): Laboratorium maszyn elektrycznych. Wyd. Pol. Gd., Gdańsk 1990.
Rafalski W., Ronkowski M., Zadania z maszyn elektrycznych, Cz. I: Transformatory i maszyny asynchroniczne,
skrypt, wyd. 4, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 1994.
Ronkowski M.: Maszyny elektryczne. Szkice do wykładów. PG 2011/2012. http://www.eia.pg.gda.pl/emechatronika/
Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979.
Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych, Warszawa, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009.
Ważniejsze Normy
PN-EN 60076-1:2002 Transformatory. Wymagania ogólne.
PN-E-81003:1996 Transformatory. Oznaczenia zacisków i zaczepów uzwojeń, rozmieszczenie zacisków.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Ważniejsze adresy internetowe producentów/dystrybutorów
ABB Sp. z o.o., http://www.abb.pl/ProductGuide/
ABB, www.abb.com/transformers
AREYA T&D Sp. z o.o. Zakład Transformatorów, www.areva-td.pl
AS ELEKTROTECHNIK, http://www.as-elektrotechnik.pl/index3.php
Fabryka Transformatorów w Żychlinie Sp. z o.o, http://www.ftz.pl
Noratel Sp. z o.o, www.noratel.pl

politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne

Transkrypt

Podobne dokumenty

V.4.1.- Zasada działania transformatora

Rrndusa`l Rcm`alorr,acNl zaĘ/tkÓ$` }(ral<owa

Rw Ri S1 S2 parametry transformatora: * prąd nominalny

Zaciski transformatorowe MK-1 Typ: EG-MK-1 - egsystem

BADANIE TRANSFORMATORA 52

1 KOLOKWIUM „0” – TRANSFORMATORY (TR) 2012/2013

1. Transformator jako element obwodu - budowa, zasada

KARTA TECHNICZNA PRODUKTU SPECJALNY TTZ

karta produktu