POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT MASZYN ELEKTRYCZNYCH
ZAKŁAD KONSTRUKCJI URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
INSTRUKCJA ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Temat:
Badanie transformatorów jednofazowych
Do użytku wewnętrznego
L a b o r a t o r i u m I n ż y n i e r i i E l e k t r y c z n e j
dla Wydziału Inżynierii Środowiska
Warszawa 2003 r.
Spis treści:
1. Zakres ćwiczenia .......................................................................................... 3
2. Wprowadzenie ............................................................................................... 3
2.1 Budowa i podział transformatorów ................................................... 3
2.2 Zasada działania transformatora elektrycznego ................................ 4
2.3 Stan jałowy transformatora ............................................................... 7
2.4 Stan obciążenia transformatora elektrycznego ................................. 8
2.5 Stan zwarcia ..................................................................................... 8
2.6 Transformatory trójfazowe ............................................................... 9
3. Pomiary ......................................................................................................... 11
3.1 Badanie transformatora w stanie jałowym ........................................ 11
3.2 Badanie stanu obciążenia transformatora ......................................... 12
3.3 Badanie transformatora w stanie zwarcia ........................................ 13
4. Pytania kontrolne .......................................................................................... 14
5. Literatura ....................................................................................................... 14
1. Zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania i własności eksploatacyjnych transformatorów jednofazowych, trójfazowych i trójfazowych specjalnych. Zakres tematyczny ćwiczenia obejmuje następujące zagadnienia:
· budowa i zasada działania transformatorów,
· stan jałowy, stan obciążenia i stan zwarcia transformatora,
· warunki współpracy równoległej,
· transformatory trójfazowe,
· autotransformatory i przekładniki pomiarowe jako transformatory specjalne.
2. Wprowadzenie
2.1 Budowa i podział transformatorów
Transformatory są statycznymi urządzeniami elektrycznymi, działającymi na zasadzie indukcji elektromagnetycznej wzajemnej, służącymi do przetwarzania energii prądu przemiennego o danym napięciu na energię prądu przemiennego o innym napięciu przy zachowaniu stałej częstotliwości. Umożliwiają one przesył energii elektrycznej na duże odległości oraz prawidłowy jej rozdział. Oprócz zastosowań energetycznych, w których występują transformatory wielkich mocy, spotyka się liczne odmiany transformatorów specjalnych. Należą do nich transformatory pomiarowe zwane przekładnikami, transformatory spawalnicze i prostownikowe, autotransformatory, przesuwniki fazowe, a także transformatory miniaturowe stosowane w układach automatyki, elektroniki i przesyłania informacji.
Zakres mocy transformatorów jest bardzo szeroki. Największe transformatory siłowe budowane są na moce rzędu 1GVA, zaś transformatory w układach elektronicznych – na moc rzędu kilku VA lub nawet poniżej 1VA. Napięcia transformatorów – zależnie od przeznaczenia – wynoszą od kilku woltów do setek kilowoltów.
Taka różnorodność typów transformatorów oraz zakresu ich mocy i napięć pociąga za sobą różnorodność konstrukcji, jednak zasada ich działania jest zawsze taka sama.
Ponieważ problemy transformowania energii w obwodach 3 – fazowych można rozwiązać za pomocą odpowiednio połączonych ze sobą transformatorów jednofazowych podane niżej wiadomości dotyczą przede wszystkim takich właśnie transformatorów. Mogą one jednak stanowić podstawę do analizy pracy oraz wyjaśniania mechanizmu zjawisk występujących w transformatorach 3-fazowych przy uwzględnieniu specyfiki ich budowy.
φ jarzmo
jarzmo
Rys.1 Schemat budowy i zasady działania transformatora.
Obwód magnetyczny transformatora tworzy rdzeń, wykonany z pakietu blach transformatorowych jednostronnie odizolowanych od siebie warstwą krzemu.
W układach rzeczywistych spotyka się szereg typów transformatorów o różnorodnej konfiguracji obwodu magnetycznego. Rys.1 przedstawia schemat budowy transformatora rdzeniowego, w którym na obu kolumnach umieszczone są dwa niezależne uzwojenia o znanej liczbie zwojów Jarzmo górne i dolne rdzenia łączą obie kolumny.
W omawianym przypadku stronę pierwotną transformatora stanowi uzwojenie do którego podłączone jest źródło transformowanej energii elektrycznej tzw. uzwojenie pierwotne o liczbie zwojów z1. Stroną wtórną jest uzwojenie połączone z odbiornikiem energii – uzwojenie wtórne o liczbie zwojów z2.
2.2 Zasada działania transformatorów
Dla wyjaśnienia istoty działania transformatora jednofazowego przyjęto przypadek transformatora idealnego (tzn. bez strat i rozproszeń magnetycznych) o rozwartych zaciskach uzwojenia wtórnego (stan jałowy).
Przy takich założeniach upraszczających po podłączeniu uzwojenia pierwotnego z1 do źródła napięcia sinusoidalnie zmiennego o skutecznej wartości U1 i częstotliwości f1 pod wpływem tego napięcia źródłowego popłynie w nim prąd I1 zwany prądem biegu jałowego I0.
Pod wpływem prądu magnesującego I0 = Iμ zostanie wzbudzony w obwodzie transformatora strumień magnetyczny opóźniony w fazie o kąt w stosunku do źródłowego napięcia U1 i wartości maksymalnej . Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej w sprzężonych z tym strumieniem uzwojeniach z1 i z2 powstaną siły elektromotoryczne E1 i E2 o wartościach skutecznych wyliczonych zgodnie z wzorem (1).
(1)
Przy założonym stanie jałowym pracy transformatora idealnego (Zobc = ∞) słuszne będą ponadto zależności:
(2)
Z analizy wzorów (1) wynika, że SEM indukowane w obu uzwojeniach pozostają do siebie w stosunku liczb zwojów i wartości napięć obu uzwojeń:
W przypadku obciążenia rozpatrywanego transformatora idealnego 0 < Zobc > ∞, pod wpływem E2 o przebiegu przesuniętym w stosunku do strumienia o kąt w uzwojeniu wtórnym pojawi się prąd I2 o przebiegu przesuniętym w stosunku do przebiegu E2 = U2 o kąt fazowy zależny od charakteru odbiornika Zodb.
Oprócz przepływu I1z1 pojawi się w transformatorze również przepływ I2z2, który na zasadzie reguły Lenza wytworzy strumień przeciwdziałający, w wyniku czego wypadkowy strumień oraz tym samym i E1 będą mniejsze niż w stanie jałowym pracy transformatora idealnego. Ponieważ napięcie źródła energii transformowanej jest nadal takie same i równe U1, to pod wpływem różnicy między zmniejszoną wartością E1 a stałą wartością U1 popłynie w sieci dodatkowy prąd I1. W wyniku tego przepływu wypadkowy strumień magnetyczny zachowa swoją poprzednią wartość. Tak więc w transformatorze idealnym prąd obciążenia zależy wyłącznie od wartości Zodb i E2.
Ponieważ w transformatorze idealnym moc S1 = S2, można wyciągnąć wniosek, że:
(3)
co oznacza, że przy podwyższaniu napięcia za pomocą transformatora prąd się zmniejsza, a przy obniżaniu prąd wzrasta.
Transformator rzeczywisty tym się różni od idealnego, że występują w nim straty mocy. Straty mocy występują w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym w wyniku przepływu prądów w obwodach o określonej rezystancji – tzw. straty w miedzi oraz w rdzeniu magnetycznym – straty histerezowe i wiroprądowe.
Straty histerezowe związane są z magnesowaniem rdzenia ferromagnetycznego i wynikają z istnienia pętli histerezy magnetycznej. Sinusoidalnie zmienny strumień magnetyczny wywołuje dwukrotne przemagnesowanie rdzenia w ciągu okresu.
Straty histerezowe w rdzeniu są proporcjonalne do częstotliwości i w przybliżeniu do kwadratu amplitudy indukcji magnetycznej Bm(przy wartościach Bm ≥ 1[T] ).
Rys. 2 Powstawanie prądów wirowych: ( a ) w masie metalowej ( b ) w pakiecie blach [2]
Straty wiroprądowe występują niezależnie od strat histerezowych i wywołane są prądami wirowymi w rdzeniu. Zjawisko prądów wirowych można wyjaśnić na przykładzie masy metalowej znajdującej się w polu magnetycznym (rys2). Jeżeli pole magnetyczne porusza się z prędkością , to zgodnie z wzorem:
(4)
w masie metalowej indukuje się siła elektromotoryczna e o zwrocie wynikającym z reguły prawej dłoni. Pod wpływem siły e w masie metalowej, będącej dobrym przewodnikiem, płyną prądy zamykające się po drodze o jak najmniejszej rezystancji. Prądy te tworzą wiry - stąd nazwa prądy wirowe.Z punktu widzenia zjawiska prądów wirowych jest sprawą obojętną, czy masa metalowa znajdująca się w ruchu jest umieszczona w stałym (lub zmiennym) polu magnetycznym, czy też zmienne w czasie pole magnetyczne przenika nieruchomą masę metalową.W transformatorach mamy np. do czynienia z nieruchomym rdzeniem ferromagnetycznym umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym.
Prądy wirowe są w większości urządzeń elektrycznych zjawiskiem niepożądanym, gdyż powodują występowanie strat energii zamienianej na ciepło. Dąży się więc do ich ograniczenia. W celu ograniczenia prądów wirowych rdzenie maszyn i urządzeń elektrycznych wykonuje się z blach bądź specjalnych materiałów ferromagnetycznych o dużej rezystywności. Na rys.2b przedstawiono fragment rdzenia wykonanego z przesadnie grubych blach, tak aby można było zaznaczyć linie prądów wirowych. Blachy te są od siebie odizolowane cienkim papierem i czasami lakierowane. Prądy wirowe zamykają się w obrębie każdej blachy napotykając na swej drodze większą rezystancję ze względu na znacznie mniejszy przekrój, po którym te prądy płyną.
Straty wiroprądowe są proporcjonalne do kwadratu grubości blach, do kwadratu częstotliwości i do kwadratu amplitudy indukcji magnetycznej, a odwrotnie proporcjonalne do rezystywności blachy.
Przez dodatek krzemu, w ilości 2,5 – 4,5 [%], można około 5-krotnie zwiększyć rezystywność stali. Rdzenie transformatorów składane są z prostokątnych pasów blachy o różnej szerokości, tak aby ich przekrój był zbliżony do kołowego. Blachy mają grubość 0,35 do 0,5 [mm].
W transformatorze rzeczywistym należy również uwzględnić występowanie strumieni rozproszenia (zamykających się przez powietrze, a sprzężonych tylko z jednym uzwojeniem ) co w efekcie powoduje, że rzeczywisty strumień magnetyczny w rdzeniu sprzężony z dwoma uzwojeniami będzie nieco mniejszy niż w transformatorze idealnym. Oznacza to, że nie cała energia bierna bierze udział w wytwarzaniu siły elektromotorycznej.
Uwzględniając powyższe czynniki, można dla transformatora rzeczywistego zbudować elektryczny schemat zastępczy ułatwiający opis analityczny bez konieczności każdorazowego przeliczania pos...
jj72