Opracowanie Sławomir Skrzyniarz

Budowa transformatora jednofazowego

Rdzeń wykonany jest blach nakrzemianych o grubości 0,35mm, wzajemnie między sobą izolowanych i spiętych sforzniami (nitami) w celu ograniczenia prądów wirowych i strat energii na histerezę. W zależności od drogi strumienia magnetycznego wyróżniamy transformator o rdzeniu płaszczowym stanowiącym obwód rozgałęziony i transformator tzw. rdzeniowy o drodze nierozgałęzionej.

Transformator rdzeniowy:

Część uzwojenia pierwotnego i wtórnego nawinięta jest na obu kolumnach.

Transformator płaszczowy:

Uzwojenia transformatora wykonuje się z miedzi lub aluminium w odpowiedniej izolacji o przekroju kołowym przy małych mocach, zaś o przekroju prostokątnym przy dużych. Jako izolację stosuje się emalię, lakier, papier kablowy, bawełnę.

Wyróżnia się dwa typy uzwojeń

a) kablowe

W przypadku uzwojenia krążkowego wzdłuż kolumny układa się uzwojenia pierwotne i wtórne.

b) cylindryczne

W przypadku uzwojenia cylindrycznego zwoje są nawinięte koncentrycznie (współosiowo) względem kolumny transformatora.

Stan jałowy transformatora

Wyjaśnienie terminu:

Stan jałowy występuje wówczas, jeżeli jedno uzwojenie zasilamy napięciem sinusoidalnym (zmiennym), natomiast drugie uzwojenie pozostaje rozwarte (nie płynie prąd).

Opis zjawiska:

W wyniku przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne w rdzeniu powstaje strumień magnetyczny, który przenika obydwa uzwojenia oraz strumień związany ze zwojami strony pierwotne. Strumień główny przenikający uzwojenie wtórne powoduje wyindukowanie źródła SEM (napięcia), ale w związku z brakiem przepływu prądu przez uzwojenie wtórne, w związku z rozwarciem powstaje anty strumień magnetyczny blokujący wytwarzanie się coraz mocniejszego strumienia głównego i w ten sposób ogranicza on pobór mocy od strony pierwotnej transformatora do omalże zera.

_g - strumień główny

_s1 - strumień rozproszony strony pierwotnej

_g - wytwarza indukcję magnetyczną o wartości

1. 1,2 -1,5 [T] w rdzeniu o zawartości Si 4%

2. 1,6 - 1,8[T] w rdzeniu ze stali zimnowalcowanej (anizotropowej)

Zmienny strumień o w czasie (zał. (t)= _msin()t indukuje w obu uzwojeniach zgodnie z regułą Lenz'a siły elektromotoryczne e₁,e₂.

e₁ = E_m1sin(t-90°)

e₂ = E_m2sin(t-90°)

E₁ = 2f\/^2 z₁_m = 4,44 z₁f

E₂ = 2f\/^2 z₂_m = 4,44 z₂

\/^ - to jest pierwiastek

Dzieląc stronami siły elektromotoryczne otrzymujemy wzór na przekładnie transformatora:

__=z₁/z₂= (teta

Po stwierdzeniu, że prąd biegu jałowego jest znikomo mały schemat zastępczy transformatora możemy sprowadzić do szeregowo wpiętej cewki na wejście transformatora, dlatego że wtedy można pominąć szeregowo włączoną rezystancje R₁ obrazującą straty cieplne w rdzeniu i reaktancję X_S1 odpowiadającą strumieniowi rozproszenia oraz wpiętą równolegle do reaktancji pierwotnej wytwarzającej strumień główny _s1 rezystancję obrazującą straty cieplne w rdzeniu spowodowane histerezą magnetyczną i prądami wirowymi.

Pomiary w stanie jałowym

Wyznaczenie:

1. Przekładni (teta)  = U₁₀/U₂₀

2. Współczynnika mocy cos₀= P/(U₁₀*U₁

3. Mocy strat P_FE P₀

4. Składowej czynnej prądu I_FE = P_FE /E₁ P₀ /U₁₀ lub I_FE = I₀cos _

5. Składowej prądu magnesujacego I_ = \/^(I<₀² - I_FE²) lub I_ = I₀< sin_

6. Rezystancji obrazującej straty w rdzeniu _  _ _^  _ _^

Charakterystyki w stanie jałowym transformatora:

1.  = f(I_   charakterystyka namagnesowania

2. I₀ = f(U₁)  charakterystyka zewnętrzna przy f = const

3. I₀ = f(t)  charakterystyka częstotliwościowa przy U₁ = const

Stan obciążenia transformatora

Wyjaśnienie terminu:

Stanem obciążenia transformatora występuje wówczas, gdy uzwojenie pierwotne zasilimy napięciem sinusoidalnym, natomiast uzwojenie wtórne jest obciążone impedancją z.

Opis zjawiska:

Po przyłączeniu odbiornika do strony wtórnej transformatora płynie prąd I₂, który zgodnie z regułą Lenz'a wytwarza się strumień _S2, o takim zwrocie, tak że będzie przeciwdziałać strumieniowi _g(głównego). Zmniejszanie strumienia _g przez prąd I₂ powoduje po stronie pierwotnej transformatora reakcję w postaci wzrostu prądu I₁. A więc zwiększenie prądu I₁ po stronie pierwotnej równoważy oddziaływanie prądu I₂, za ten strumień główny _g nie ulega zmianie. Każda zmiana obciążenia wywołuje zmiany prądu I1 po stronie pierwotnej.

Schemat zastępczy transformatora w stanie obciążenia:

₁_

₁z₁ = I₂ z₂

Transformator idealny o przekładni E_ _= stanowi dla nas pewien problem przeliczeniowy z uwagi na nieznajomość relacji ze sprzężeniami magnetycznymi. Możemy w naszym układzie dokonać pewnych zmian, mianowicie punkty (1,2) i punkty (3,4) miały ten sam potencjał, wówczas wszystkie wielkości strony wtórnej, jak i również elementy strony wtórnej przeliczamy przez przekładnię na stronę pierwotną. Wielkości strony wtórnej jak i elementy przeliczone na stronę pierwotną przez przekładnie oznaczać będziemy z primami (').

Uproszczenia dla stanu obciążenia pozwalają wyeliminować prąd I₀dlatego, że jest on dużo mniejszy od prądów I₁ i I₂. Wynika z tego, że można pominąć elementy R_FE i X_, ponieważ są nieskończenie duże. Odpada nam z układu jedna z gałąź.

Następne uproszczenie sprowadza się do połączenia w jedno R₁ i R₂ oraz X<₁ i X₂ z warunku I₁ = I₂

R₁ + R₂' = R_Z

X_S1 + X_s2 = X_SZ

z_Z = R_Z + jX_SZ

z_Z = \/^(R_Z² + X_SZ²)

Wielkości napięciowe sprowadzone ze strony wtórnej na pierwotną, aby je wyznaczyć trzeba pomnożyć je razy przekładnię.

_= _  wielkości napięciowe

Wielkości prądowe dzielimy, przez przekładnię

I₂' = I₂ /  wielkości prądowe

z'_obc = U₂' /I₂' = z'_obc² wynika to z powyższych wzorów

Stan zwarcia transformatora

Wyjaśnienie terminu:

Jest to taki stan, w którym jedno uzwojenie jest zasilane napięciem U₁, natomiast drugie jest zwarte.

Opis zjawiska:

W praktyce wyróżnia się dwa rodzaje zwarć:

1. Zwarcie pomiarowe (laboratoryjne), które dokonuje sie celowo by wykonać pomiar tj. pomierzenie strat mocy, rezystancji, reaktancji uzwojeń oraz określenie napięcia zwarcia transformatora.
   
   

2. Zwarcie takie realizujemy zasilając uzwojenie pierwotne napięcie obniżonym stanowiącym 4% - 12% napięcia znamionowego przy zwarciu strony wtórnej transformatora.
   
   W takim przypadku przez obydwa uzwojenia płyną prądy nie przekraczające prądów znamionowych i w sposób bezpieczny możemy dokonać pomiarów.

2. Zwarcie awaryjne - występuje jeżeli stronę pierwotną zasilimy napięciem znamionowym przy zwarciu strony wtórnej. Zwarcie awaryjne jest niepożądane i jest wynikiem awarii polegającej na uszkodzeniu izolacji uzwojeń strony wtórnej lub przy zwarciu nieizolowanych zacisków uzwojeń strony wtórnej. W wyniku takiego zwarcia przez uzwojenie pierwotne i wtórne popłynie bardzo duży prąd zwarciowy, wielokrotnie większy od wartości znamionowych.
   
   W krótkim czasie dojdzie do przepalenia izolacji uzwojeń.
   
   Napięcie zwarciowe - jest to takie napięcie, które przyłożone do uzwojenia pierwotnego przy zwarciu strony wtórnej powoduje w tym uzwojeniu przepływ prądu znamionowego.
   
   Cała moc czynna pobierana w stanie zwarcia P₂ jest zużywana na straty w miedzi uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

P_Z = U_R I_ZN cos = P_Z

Pomiary w stanie zwarcia transformatora

Dokonując pomiarów prądu, napięcia, mocy w stanie zwarcia będziemy wyznaczać rezystancję zwarcia, impedancje zwarcia oraz reaktancję związana ze strumieniem rozproszenia R_Z, z_z, X_SZ:

R_Z = P_Z /I₁₂²

z_z = U₁₂ /I₁₂

X_SZ = \/^(z_z² - R_Z²)

cos₂ = P_Z /(U₁₂ I₁₂)

Charakterystyki stanu zwarcia:

Straty mocy w transformatorze

Straty mocy możemy podzielić na:

a) straty w żelazie P_FE, które zaliczamy do strat stałych są niezależne od obciążenia.

P_FE = c U₁² = const - są to straty stałe ponieważ transformator jest zasilany napięciem o stałej wartości U1 i o stałej wartości częstotliwości

b) straty zmienne: straty w miedzi P_CU

P_CU = P_CU1 + P_CU2 = I²(R)

Zależne od rodzaju obciążenia

(eta)  _ _

  _ (_    _ (_  _CU + P_FE)

Na wykresie można zauważyć, że gdy straty w żelazie i miedzi są sobie równe to sprawność transformatora jest największa, bo najbliższa 1.

Typy transformatorów

• energetyczne - bardzo dużej mocy, wielkości, napięciu wejściowym i wyjściowym - znajdują zastosowanie w energetycznych liniach przesyłowych wysokiego, średniego i małego napięcia, jako reduktory lub podwyższacze napięcia,

• pomiarowe

• przekładniki prądowe - powiększają o wartość przekładni prąd wejściowy

• przekładniki napięciowe - powiększają o wartość przekładni napięcie wejściowe

- znajdują zastosowanie w aparaturze pomiarowej, do pomiaru bezpośrednio napięcia i prądu oraz np. pośrednio temperatury i wilgotności po przekształceniu go na napięcie lub prąd.

• spawalnicze - mają duży prąd wyjściowy umożliwiający swoim przepływem rozgrzanie materiału i zespawanie - są elementami wszelkiego rodzaju spawarek elektrycznych,

• prostownicze - mają małą moc wyjściową; znajdują zastosowanie urządzeniach elektronicznych, np. domowych tj. telewizor, radio, ładowarka do telefonu, prostowniki do ładowania akumulatorów, itp.

• miniaturowe - mają bardzo małą moc wyjściową - znajdują zastosowanie w radiotechnice, np. w radiach, telewizorach, telefonach stacjonarnych i kartach sieciowych przy przetwarzaniu sygnałów o bardzo małej mocy.

---