TRANSFORMATOR

Wstęp

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi stanami pracy transformatora z rdzeniem stalowym.

Budowa i zasada działania transformatora

Transformator jest urządzeniem, w którym następuje przekazywanie energii elektrycznej z jednego obwodu do drugiego za pośrednictwem pola elektromagnetycznego.

Transformator składa się z zamkniętego rdzenia wykonanego z blach stalowych oraz dwóch uzwojeń nawiniętych na rdzeniu (rys. 1).

Uzwojenia są odizolowane od siebie oraz od stalowego rdzenia. Uzwojenie, do którego zazwyczaj jest dołączone źródło energii elektrycznej nazywa się uzwojeniem pierwotnym, a uzwojenie, do którego dołączony jest odbiornik - uzwojeniem wtórnym. Wielkości prądu, napięcia, mocy itp. odnoszące się do uzwojenia pierwotnego to wielkości pierwotne, zaś odnoszące się do uzwojenia wtórnego - wielkości wtórne.

Wielkość przekroju poprzecznego rdzenia jest ściśle związana z wartością mocy przenoszonej przez transformator. W małych transformatorach o mocy od kilkudziesięciu do kilkuset watów, przekrój skuteczny stali rdzenia można określić następującym, praktycznym wzorem:

(1)

gdzie:

- przekrój skuteczny rdzenia w ;

- moc wejściowa transformatora w watach.

Przekrój skuteczny rdzenia stanowi około 97% przekroju rzeczywistego rdzenia.

Wielkość napięcia zasilającego można ustalić z charakterystyki stanu jałowego . Napięcie w obszarze zaginania się krzywej można przyjąć jako napięcie pracy teansformatora.

Gęstość prądu w uzwojeniach obiera się w granicach od 2 do 3 , mniejszą dla większych mocy, większą dla małych. Najczęściej przyjmuje się . Znając średnicę przewodu można wyznaczyć prąd danego uzwojenia:

(2)

gdzie:

- gęstość w ;

- przekrój przewodu w .

Przyjmując gęstość otrzymujemy bardzo prosty wzór na prąd:

(3)

gdzie:

- średnica przewodu w .

Jeśli uzwojenie pierwotne zostanie dołączone do źródła zmiennego napięcia sinusoidalnego o częstotliwości , to popłynie w nim prąd magnesujący o wartości skutecznej zespolonej , który w obwodzie magnetycznym wzbudzi strumień magnetyczny o przebiegu sinusoidalnym. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej we wszystkich sprzężonych z nim uzwojeniach powstaną siły elektromotoryczne o wartościach skutecznych:

(4)

gdzie:

, - ilość zwojów odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego,

- wartość maksymalna strumienia.

Z powyższych zależności wynika, że

(5)

Wielkość nazywa się przekładnią zwojową transformatora.

Własności transformatora charakteryzuje się dla trzech stanów pracy:

W stanie jałowym można zmierzyć prąd , napięcie pierwotne , napięcie wtórne oraz moc pobieraną przez transformator. Ponieważ prąd oraz rezystancja uzwojenia pierwotnego jest stosunkowo mała, to moc jest niewielka i może być pominięta. Można przyjąć, że moc transformatora równa jest mocy w rdzeniu .

(6)

Straty w żelazie są proporcjonalne do kwadratu napięcia.

W stanie zwarcia można zmierzyć napięcie (takie napięcie zasilania strony pierwotnej, przy którym w uzwojeniu pierwotnym popłynie prąd znamionowy), prąd zwarcia po stronie pierwotnej , prąd strony wtórnej oraz moc zwarciową . Napięcie zwarcia transformatora wynosi . Przy tak małym napięciu w rdzeniu mogą być pominięte, ponieważ są one proporcjonalne do kwadratu napięcia. Moc transformatora w stanie zwarcia pokrywa więc straty w miedzi, czyli .

(7)

Straty w miedzi zależą od kwadratu prądu.

W stanie obciążenia można wyznaczyć sprawność transformatora metodą bezpośrednią poprzez pomiar mocy po stronie pierwotnej i wtórnej, ale tylko transformatorów małych:

(8)

Sprawność transformatorów energetycznych wyznacza się metodą pośrednią przez wyznaczenie strat w żelazie i w miedzi z prób stanu jałowego i stanu zwarcia:

(9)

Sprawność ta jest największa, gdy straty w uzwojeniach przy średnim prądzie obciążeniowym są równe stratom w stali. Maksymalną sprawność transformatora otrzymuje się nie przy pełnym obciążeniu transformatora, lecz przy około obciążenia znamionowego.

Przekładniki napięciowe i prądowe

Przekładniki są to specjalne transformatory pomiarowe stosowane przy pomiarach bardzo dużych napięć lub prądów.

Przekładniki napięciowe obniżają napięcie do wartości 100 V. Służą do zasilania woltomierzy lub obwodów napięciowych watomierzy. Napięcie pierwotne oblicza się mnożąc zmierzone napięcie wtórne przez przekładnię napięciową. Suma mocy pobieranej przez przyrządy nie może przekroczyć mocy znamionowej przekładnika. Moc pobieraną przez miernik wylicza się ze wzoru:

(10)

gdzie:

- napięcie na cewce pomiarowej miernika;

- rezystancja cewki pomiarowej.

Przekładniki prądowe obniżają prąd pierwotny do wartości 5 A. Uzwojenie pierwotne włącza się szeregowo do obwodu, w którym chcemy zmierzyć prąd, a uzwojenie wtórne zasila połączone szeregowo amperomierz i cewki prądowe innych przyrządów. Suma mocy traconej w przyrządach nie może przekroczyć mocy znamionowej przekładnika. Moc traconą w przyrządzie wylicza się ze wzoru:

(11)

gdzie:

- rezystancja cewki pomiarowej;

- prąd płynący przez cewkę pomiarową.

Prąd pierwotny oblicza się mnożąc prąd wtórny przez przekładnię prądową przekładnika.

Normalnym stanem pracy przekładnika prądowego jest stan zwarcia. W czaise wymiany przyrządów należy zaciski strony wtórnej przekładnika zewrzeć. Rozwarcie strony wtórnej może spowodować uszkodzenie przekładnika i porażenie obsługi.

Pomiary

Pomiary w stanie jałowym

Odczytać tabliczkę znamionową transformatora. Połączyć układ pomiarowy wg rys. 2.

Zmierzyć wielkości podane w tabeli 1 przez stopniowe podnoszenie napięcia zasilającego aż do wartości znamionowej . Do obliczeń wykorzystać wzory:

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

gdzie: - moc pozorna znamionowa

TABELA 1

Pomiary Obliczenia
- % -
. . . .

Pomiary w stanie zwarcia transformatora

Schemat połączeń przedstawia rys. 3

Należy wykonać pomiary wielkości podanych w tabeli 2, stopniowo podnosząc napięcie zasilające aż do takiej wartości, przy której prąd pierwotny jest równy prądowi znamionowemu.

Do obliczeń wykorzystać zależności:

(17)

(18)

(19)

TABELA 2

Pomiary Obliczenia
-
. . . .

Pomiary w stanie obciążenia transformatora

<

Schemat połączeń przedstawia rys. 4. Przy stałym napięciu zasilania zmieniając obciążenia uzwojenia wtórnego transformatora należy zmierzyć wartości wielkości podanych w tabeli 3.

TABELA 3

Pomiary Obliczenia
- -

gdzie: wyliczone z parametrów obciążenia dla ,

Zakres sprawozdania

LITERATURA:

Plamitzer A.: Maszyny elektryczne, wyd. VII, WNT, Warszawa 1982