Uniwersytet

Kazimierza Wielkiego

Instytut techniki

LABOLATORIUM

ELEKTROTECHNIKI

Data wykonania ćwiczenia: 02.06.2009	Nr ćwiczenia: 2
Wykonała: Karolina Krzemińska	II rok ETI gr D
Temat: Badanie transformatora jednofazowego

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Wstęp teoretyczny

Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego.

Podstawowa właściwością transformatora (wynika to z jego definicji) jest możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego.

Rys. 1. Zasada działania transformatora.

Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów

 uzwojenia pierwotnego (zasilanego),

 uzwojenia wtórnego (odbiorczego),

 rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia

(w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia,

tzw. transformatory powietrzne).

Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora,

a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty

z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się

transformatory bez rdzenia.

W zasadzie działaniu transformatora wykorzystano szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej indukowanie napięcia w układzie nieruchomym.

2. Budowa transformatora jednofazowego

Zasada budowy każdego transformatora jest taka sama: musi on mieć rdzeń stanowiący obwód magnetyczny oraz dwa obwody elektryczne: uzwojenie górne i uzwojenie dolne

Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem

obwodu magnetycznego (rdzenia).

Są to: transformatory rdzeniowe (Rys. 2a) i transformatory płaszczowe (Rys. 2b).

Części rdzenia, na których są umieszczone uzwojenia nazywamy kolumnami lub słupami, a części łączące kolumny - jarzmami. Przestrzeń zawartą między kolumna

a jarzmem nazywa się oknem W jednofazowym transformatorze rdzeniowym

(Rys. 2a) uzwojenie pierwotne i wtórne są dzielone na połówki i umieszczone na obu kolumnach, pola przekrojów kolumn i jarzm są wówczas jednakowe.

Rys. 2. Zasada budowy transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego b) płaszczowego

1 kolumny, 2 jarzma

Rdzenie transformatorów wykonuje się z blachy transformatorowej o grubości

0,3 - 0,5mm. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru, lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Izolacja między blachami ogranicza prądy wirowe), a tym samym zapobiega nadmiernemu nagrzaniu rdzenia.

3. Strona górna i dolna transformatora

Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, które zasilamy ze źródła. Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik. Przyjęto zasadę, że:

 Wszystkie wielkości odnoszące się do strony pierwotnej (zasilanej) zawsze są oznaczane ze wskaźnikiem 1 i nazywane wielkościami pierwotnymi, np: napięcie

pierwotne U1, prąd pierwotny I1, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N1 itd.

 Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są oznaczane ze wskaźnikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie

wtórne U2, prąd wtórny I2, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N2 itd.

Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy

transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego,

to taki transformator nazywamy obniżającym.

Z tego względu niezależnie od określeń pierwotne i wtórne stosuje się określenia

górne i dolne. Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym,

a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się górnymi i oznacza

je ze wskaźnikiem g, np.: napięcie górne Ug, prąd górny Ig, liczba zwojów uzwojenia górnego Ng itd.

Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, a wszystkie wielkości

odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się dolnymi i oznacza je ze wskaźnikiem d, np.: napięcie dolne Ud, prąd dolny Id, liczba zwojów uzwojenia dolnego Nd itd.

Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie.

Nie stosuje się jednocześnie wskaźników „pierwotne i wtórne" oraz „górne i dolne". Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami, literami dużymi oznacza się wartości skuteczne napięć, prądów i strumieni, a literami małymi wartości chwilowe.

4. Przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora

Przekładnia transformatora (zgodnie z normą) jest to stosunek napięcia górnego

do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie

jałowym.

a. Przekładnia zwojowa

Występuje gdy stosunek SEM w obu uzwojeniach transformatora:

E1 

E2

4,44N1mf

4,44N 2 mf

 N1

N 2

 nz

równy jest stosunkowi liczby zwojów.

b. Przekładnia napięciowa

Często w odniesieniu do przekładni transformatora jest używane określenie, przekładnia napięciowa.

Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1, zwykle mówi się więc: transformator podwyższający (lub obniżający) o przekładni 10. Przyjmując uproszczenie, że Ug0Eg i UdoEd i uwzględniając zależność:

otrzymamy:

Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń

transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów. Aby określić przybliżoną zależność między prądami obu uzwojeń, należy skorzystać

z zasady zachowania mocy. Dla uproszczenia pominiemy wszystkie straty mocy

czynnej i mocy biernej, stąd: Pg= Pd i Qg=Qd a zatem i moce pozorne będą sobie

w przybliżeniu równe Sg=Sd. Ponieważ Sg=UgIg oraz Sd=UdId, zatem:

n  I g  U d N_d

I d U g .
N g

Stąd wynika następujący wniosek:

W uzwojeniu wyższego napięcia płynie prąd mniejszy, a w uzwojeniu niższego

napięcia - prąd większy. W transformatorze następuje więc zmiana wartości napięcia

i prądu przemiennego przy stałej niezmienionej częstotliwości.

5. Analiza pracy transformatora

Transformator może się znajdować, w jednym z trzech charakterystycznych stanów

pracy:

a. Stan jałowy:

Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest

dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte (Rys. 3)

Rys. 3. Transformator w stanie jałowym

Transformator w stanie jałowym nie jest obciążony a więc nie oddaje żadnej mocy

(w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd).

Rys. 4. Charakterystyka stanu jałowego transformatora jednofazowego

b. Stan obciążenia:

Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik.

Rys. 5. Transformator w stanie obciążenia

W stanie obciążenia transformatora można wyznaczyć jego charakterystykę zewnętrzną oraz charakterystykę sprawności. Charakterystyką zewnętrzną transformatora nazywamy zależność napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego U2 od prądu wtórnego I2 przy U1=U1zn=const, f=const, cosө2=const. Przykładowy przebieg tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście prądu I2, napięcie U2 maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika

o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I2 wystąpiłby wzrost napięcia U2.

Rys. 5.3. Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego

Rys. 5.4. Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego

Zmianą napięcia przy określonym współczynniku mocy i określonym prądzie

obciążenia, nazywa się spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do określonego obciążenia przy niezmienionym napięciu pierwotnym i stałej częstotliwości.

Sprawność transformatora można również wyznaczyć tzw. metodą strat poszczególnych. Moc czynna P1 pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa sumie mocy czynnej P2, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy;

w uzwojeniach ΔPu (wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu ΔP0

(wyznaczonym w próbie stanu jałowego).

Sprawność transformatora

ponieważ moc strony wtórnej P2  U2 I2 cos 2

wobec tego sprawność

Sprawność nowoczesnych transformatorów jest duża i zwykle przekracza 97%,

w jednostkach wielkiej mocy dochodzi do 99%. Przykładowy przebieg krzywej sprawności przedstawiony jest na (Rys. 5.4). Krzywa sprawności ma pewne maksimum. Można dowieść, że maksimum to wystąpi wówczas, gdy straty

w uzwojeniach są równe stratom w rdzeniu, tzn. straty obciążeniowe równe stratom jałowym. Najczęściej maksimum zachodzi przy obciążeniach (40...60) % znamionowego. Przy obciążeniu znamionowym, tzn. dla I2=I2zn, straty obciążeniowe

są kilkakrotnie większe od strat jałowych.

c. Stan zwarcia:

Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia

pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte.

Rys. 5. Transformator w stanie zwarcia: a) schemat układu pomiarowego, b) charakterystyka

zwarcia

II CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest

2. Przebieg ćwiczenia

a) ustalenie danych znamionowych transformatora

S	U1	U2	I1	I2
VA	V	V	A	A
250	220	24	1,14	10,41

b) próba stanu jałowego

U10	I0	P0	U20		I0	P0	cos
V	A	W	V	-	%	%	-
220	0,12	10	25	8,8	10,52	4	0,38

c) próba zwarcia pomiarowego

U1z	I1z	Pz	Uz%	ΔPcu	I1	I2	Cosφz
V	A	W	%	%	A	A	-
30	1,1	22	13,63	8,8	8,36	9,68	0,64

%

A

d) próba stanu obciążenia

Lp.	U1	I1	P1	U2	I2	P2	Cosφ1
	V	A	W	V	A	W	-	-
1. 2. 3. 4.	220 220 220 220	0,40 0,60 0,78 0,96	80 124 162 198	24,0 23,9 23,1 23,0	2,9 4,7 6,2 7,8	70 110 140 170

3. Wnioski:

Im więcej energii tranzystor pobiera tym więcej oddaje.

---