Uniwersytet Kazimierza Wielkiego

Temat:

Badanie transformatora

Kamiński Damian

Wiśniewski Radosław

Zdziebko Grzegorz

Transformator - wybrane zagadnienia

Transformator energetyczny - urządzenie elektromagnetyczne statyczne, służące do przetwarzania energii elektrycznej prądu przemiennego o danym napięciu na energię elektryczną o innym napięciu.

Rys. Budowa transformatora

jednofazowego: a) rdzeniowego; b) płaszczowego; 1 - jarzmo, 2 - kolumna, 3 - uzwojenie wysokiego napięcia, 4 - uzwojenie niskiego napięcia

Transformatory mogą pracować jako podwyższające lub jako obniżające napięcie, w związku z tym mówimy o stronie napięcia górnego i stronie napięcia dolnego. W transformatorze obniżającym strona napięcia górnego jest stroną pierwotną.

Obwód magnetyczny transformatora stanowi rdzeń, złożony z cienkich blach stalowych, izolowanych od siebie. Materiałem - stal o dużej zawartości krzemu, w zależności od właściwości magnetycznych uzyskuje się wąską lub szeroką pętlę histerezy magnetycznej.

Ważnym problemem w transformatorach jest odpowiednie odprowadzenie ciepła, powstałego w wyniku strat w rdzeniu oraz strat w uzwojeniach miedzianych pierwotnym i wtórnym, wywołanych przepływem prądu. W transformatorach małej mocy - naturalne odprowadzanie ciepła na zasadzie konwekcji powietrza i promieniowania. W transformatorach dużej mocy rdzeń stalowy wraz z uzwojeniami umieszcza się w kadzi wypełnionej olejem, który oprócz działania chłodzącego izoluje. Ściany kadzi są wyposażone w użebrowanie rurowe lub radiatory, przez które przepływa poruszany siłami konwekcji nagrzany olej transformatorowy.

Zasada działania transformatora polega na elektromagnetycznym oddziaływaniu kilku uzwojeń, niepołączonych ze sobą elektrycznie, a nawiniętych na wspólnym rdzeniu, (sprzężenie wspólnym strumieniem magnetycznym).

Prąd przemienny I1 płynący w uzwojeniu pierwotnym, wytwarza przemienny strumień magnetyczny główny obejmujący uzwojenia pierwotne i wtórne, indukując w nich napięcia.

Rys. Zasada działania transformatora jednofazowego

Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest napięciem źródłowym dla obwodu tego uzwojenia. Część strumienia wytworzonego przez uzwojenie pierwotne nie obejmuje uzwojenia wtórnego, gdyż zamyka się wokół własnego uzwojenia - strumień rozproszenia φr1.

Jeżeli w obwodzie wtórnym płynie prąd I2 to wytwarza własny strumień, którego część odejmuje się od strumienia głównego, zmniejszając jego wartość. Druga część zamyka się poza obwodem głównym, tworząc strumień rozproszenia φr2.

Rys. Schemat zastępczy transformatora idealnego

Sinusoidalny strumień główny indukuje:

e1 =-z1 d^;    E1m = (oz1Ą>m;    E1 = 4.44z1f$m e2 = -z 2;      E2m = (Oz2<bm ;      E2 = 4.44z2Ńm

w stanie jałowym napięcie U1 przyłożone do zacisków uzwojenia pierwotnego jest równoważone przez siłę elektromotoryczną E1 (U1=E1). Na zaciskach uzwojenia wtórnego napięcie U2 równe sile elektromotorycznej E2 (U2 = E2), czyli przekładnia transformatora:

3 = 1              po przekształceniach              E 1 = z 1

E2              E2     z2

Przy założeniu, że źródło energii zasila odbiornik R poprzez idealny transformator bez strat, moc pobrana przez odbiornik wynosi:

P=    2 R

Rys. Przekazywanie energii przez transformator idealny

Dla źródła, które tę moc dostarcza, odbiornikiem jest inna rezystancja. Rezystancję obciążenia widzianą od strony źródła poprzez transformator nazwano rezystancją przeliczoną na stronę pierwotną R', a wiec:

W teorii transformatorów i maszyn indukcyjnych przeliczamy wielkości opisujące stronę wtórną na stronę pierwotną:

Rys. Schemat zastępczy transformatora rzeczywistego

Przy przepływie prądu zmiennego przez uzwojenie nawinięte na rdzeń z materiału ferromagnetycznego, w rdzeniu powstają straty:

-         straty na histerezę, (proporcjonalne do pola powierzchni pętli histerezy, do kwadratu indukcji i do częstotliwości)

-         straty wiroprądowe (w rdzeniach magnetycznych znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym tworzą się elementarne obwody elektryczne zamknięte, w których płyną prądy - prądy wirowe. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej zmienny strumień magnetyczny indukuje napięcie elementarne, które przy odpowiednich własnościach przewodzących środowiska powoduje przepływ prądów wirowych, im większa jest rezystywność blachy, tym prądy są mniejsze i ilość wydzielanego ciepła jest mniejsza).

Łączne starty w stali (RFe) - straty magnetyczne, wywołane przez zmienne pole magnetyczne występują w rdzeniu. Straty w miedzi wynikają z przepływu prądu przez uzwojenia o rezystancjach R1 i R2. Przyjmuje się, że straty w uzwojeniu wtórnym występują tylko w stanie obciążenia i w stanie zwarcia transformatora.

Sprawność transformatorów energetycznych w granicach od 0,92 do 0,99, jest to iloraz mocy czynnej oddanej do mocy czynnej pobieranej przez transformator:

W zależności od obciążenia strony wtórnej transformatora rozróżnia się następujące stany pracy: stan jałowy, stan obciążenia i stan zwarcia.

W stanie jałowym w uzwojeniu wtórnym nie płynie żaden prąd, w uzwojeniu pierwotnym płynie mały prąd magnesujący, który powoduje niewielkie spadki napięcia na rezystancji R1 i indukcyjności rozproszenia Lr1. Przekładnia napięciowa transformatora w stanie jałowym jest zbliżona do zwojowej.

W stanie jałowym:

-         reaktancja związana ze strumieniem głównym X\l,

-         reaktancja związana ze strumieniem rozproszenia XS1,

-         rezystancja uzwojenia pierwotnego R1,

-         rezystancja związana ze stratami mocy czynnej w rdzeniu transformatora RFe.

Rys. Schemat zastępczy transformatora pracującego w stanie jałowym

W stanie jałowym w uzwojeniu wtórnym nie płynie żaden prąd, w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd jałowy I0, który powoduje niewielkie spadki napięcia na rezystancji R1 i indukcyjności rozproszenia LS1.

Rys. Wykres wektorowy transformatora w stanie jałowym

Korzystając  z  praw  Kirchhoffa  dla  obwodów  magnetycznych  możemy  napisać następujące zależności dla transformatora pracującego w stanie jałowym:

I 0 = I µ+IFe              U1 = R1I0 + jXS 1I0 + E1

Rys. Charakterystyki biegu jałowego transformatora

Transformator pracuje w stanie obciążenia, gdy uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia przemiennego, a do zacisków uzwojenia wtórnego dołączony jest odbiornik. Stan obciążenia charakteryzuje się tym, że wartości obydwu prądów, spadki napięcia na rezystancjach i indukcyjnościach rozproszenia są duże. Korzystając z zależności umożliwiających sprowadzenie uzwojenia wtórnego na stronę uzwojenia pierwotnego otrzymamy schemat zastępczy transformatora w stanie obciążenia, który uwzględnia następujące elementy składowe:

-         reakt. strumienia głównego Xµ,

-         reakt. strumienia rozproszenia uzwojenia pierwotnego XS1,

-         reakt. strumienia rozproszenia uzw. wtórnego sprowadzona na stronę pierwotną X’S2,

-         rezystancja uzwojenia pierwotnego R1,

-         rezystancja uzwojenia wtórnego sprowadzona na stronę pierwotną R’2,

-         rezystancja strat mocy czynnej w rdzeniu transformatora RFe,

-         impedancja odbiornika sprowadzona na stronę pierwotną Z’odb.

Rys. Schemat zastępczy transformatora pracującego w stanie obciążenia

Rys. Wykres wektorowy transformatora w stanie jałowym a). obciążenie RL, b). obciążenie RC

Korzystając z praw Kirchhoffa dla obwodów magnetycznych możemy napisać następujące zależności dla transformatora pracującego w stanie obciążenia:

Rys. Charakterystyki stanu obciążenia transformatora

W stanie zwarcia w uzwojeniach płyną prądy znamionowe. Napięcie wtórne jest równe zeru, a do uzwojenia pierwotnego doprowadza się napięcie równe spadkom napięć wywołanych prądami znamionowymi na rezystancjach uzwojeń i indukcyjnościach rozproszenia. Cała moc czynna pobierana przez zwarty transformator pokrywa wyłącznie straty, zamieniając się w całości na ciepło. Ponieważ prąd jałowy I0 w stanie zwarcia stanowi kilka 0/00 prądu pobieranego przez transformator możemy dokonać uproszczenia w schemacie zastępczym transformatora pracującego w stanie zwarcia.

Rys. Schemat zastępczy transformatora pracującego w stanie zwarcia

...