Elektrotechnika
Instrukcja
do
laboratorium
Ćw. 3
Katedra Elektrotechniki
Teoretycznej i Informatyki
Gdańsk, 2009
Badanie transformatora z
rdzeniem ferromagnetycznym
2
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie właściwości transformatora małej mocy z
rdzeniem ferromagnetycznym, a w szczególności: przekładni napięciowej, stanu biegu jało-
wego, stanu zwarcia i stanu obciążenia oraz przebiegów napięć i prądów w funkcji czasu, jak
również obserwacja pętli histerezy. Zakres ćwiczenia obejmuje:
• przygotowanie do ćwiczenia polegające na narysowaniu schematu zastępczego transfor-
matora,
• dobór rodzaju i zakresów przyrządów pomiarowych,
• połączenie obwodu na stole laboratoryjnym według podanego schematu,
• wykonanie pomiarów napięć, prądów i mocy zgodnie z wytycznymi podanymi w punkcie
3,
• włączenie oscyloskopu w celu obserwacji i pomiaru napięć, prądów i pętli histerezy,
• porównanie wyników pomiarów z wynikami obliczeń,
• opracowanie sprawozdania i wniosków wynikających z ćwiczenia.
2. PRZYGOTOWANIE DO ĆWICZENIA
Na podstawie informacji z wykładów oraz podanej literatury należy zapoznać się w wła-
ściwościami transformatorów małej mocy, zasadą działania i podstawowymi zależnościami
dla prądów i napięć. Narysować schematy zastępcze obwodów przewidzianych do badań i
narysować tablice pomiarowe.
Schemat zastępczy transformatora sprowadzony do strony pierwotnej, obciążonego im-
pedancją Z
L
, przedstawiono na rys. 1.
R
1
U
1
R
2
’
I
1
I
2
’
X
1
X
2
’
U
2
’
X
R
Fe
I
Fe
I
U
1M
=U
2M
’
Z
L
’
I
0
Rys. 1. Schemat zastępczy transformatora sprowadzony do strony pierwotnej, przy obciążeniu impe-
dancją Z
L
Przy sprowadzaniu parametrów strony wtórnej transformatora do strony pierwotnej obo-
wiązują następujące zależności:
2
'
2
U
U
ϑ
=
,
2
'
2
I
1
I
ϑ
=
,
2
2
'
2
X
X
ϑ
=
,
2
2
'
2
R
R
ϑ
=
,
L
2
'
L
Z
Z
ϑ
=
,
2
1
z
z
=
ϑ
przy czym
ϑ
jest przekładnią zwojową transformatora, gdzie z
1
– liczba zwojów uzwojenia
pierwotnego, z
2
– liczba zwojów uzwojenia wtórnego.
Wartości parametrów gałęzi poprzecznej schematu zastępczego transformatora wyzna-
czamy z tzw. próby biegu jałowego (rys. 2).
Badanie transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym
3
Rys. 2. Schemat połączeń dla próby biegu jałowego transformatora
Wykorzystuje się tu fakt, że impedancja gałęzi podłużnej jest wielokrotnie mniejsza od impe-
dancji gałęzi poprzecznej – pomijamy jej spadki napięć i straty mocy. Parametry R
Fe
oraz X
µ
wyznaczamy zatem z zależności:
0
2
1n
Fe
∆P
U
R
=
,
Fe
1n
Fe
R
U
I
=
,
2
Fe
2
0
µ
I
I
I
−
=
,
µ
1n
µ
I
U
X
=
.
Wartości parametrów gałęzi podłużnej schematu zastępczego transformatora wyznacza-
my z tzw. próby zwarcia (rys. 3).
Rys. 3. Schemat połączeń dla próby zwarcia transformatora
Wykorzystuje się tu fakt, że impedancja gałęzi poprzecznej jest wielokrotnie większa od im-
pedancji gałęzi podłużnej – pomijamy jej prąd i straty mocy. Przyjmuje się ponadto, że R
1
≈R
2
’
oraz X
1
≈X
2
’
. Parametry R
1
, R
2
’
, X
1
, X
2
’
wyznaczamy z zależności:
(
) (
)
1n
z
2
'
2
1
2
'
2
1
z
I
U
X
X
R
R
Z
=
+
+
+
=
,
2
1n
z
'
2
1
I
∆P
R
R
=
+
,
(
)
2
'
2
1
2
z
'
2
1
R
R
Z
X
X
+
−
=
+
,
(
)
'
2
1
'
2
1
R
R
2
1
R
R
+
=
≈
,
(
)
'
2
1
'
2
1
X
X
2
1
X
X
+
=
≈
.
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Przygotowanie teoretyczne jest warunkiem koniecznym przystąpienia do realizacji ćwi-
czenia. Sprawdzić rodzaj i zakres niezbędnych przyrządów pomiarowych. Połączyć na stole
laboratoryjnym obwód pomiarowy według przyjętego schematu z rys. 4. Sprawdzić połączo-
ny obwód i uzyskać zgodę od prowadzącego na włączenie układu do sieci. Wykonać pomiary
4
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki
napięć, prądów oraz mocy dla stanu biegu jałowego, stanu zwarcia i stanu obciążenia. Pomia-
ry biegu jałowego i stanu obciążenia wykonać dla znamionowego napięcia pierwotnego
U1=U
1n
. Stan zwarcia pomiarowego dla prądu znamionowego I1=I
1n
. W trakcie pomiarów
dokonywać ewentualnych korekt zakresów przyrządów w ten sposób aby ich wskazania były
możliwie najdokładniejsze. Włączyć do sieci oscyloskop i dokonać odpowiednich nastawień
jego zakresów. Według polecenia prowadzącego w układzie z rys. 1 obserwować przebiegi
napięć i prądów w różnych stanach pracy transformatora. Wykonać szkice przebiegów i zano-
tować odpowiednie wnioski. Połączyć układ według schematu z rys. 5. Włączyć na wejście X
oscyloskopu sygnał proporcjonalny do prądu w obwodzie, a na wejście Y sygnał proporcjo-
nalny do całki z napięcia na kondensatorze. Potrzeba całkowania napięcia wynika stąd, że
sygnał wejściowy na płytki Y oscyloskopu powinien być proporcjonalny do przebiegu induk-
cji magnetycznej w rdzeniu transformatora. W ten sposób na ekranie oscyloskopu pojawi się
przebieg będący pętlą histerezy rdzenia badanego transformatora. Naszkicować kształty pętli
histerezy w zależności od wartości napięcia pierwotnego. Zanotować odpowiednie wnioski.
Na rys. 4 i rys. 5 przedstawiono schematów pomiarowych obwodów do badań. W ukła-
dzie z rys. 4 odpowiednie stany pracy transformatora zapewnia się poprzez zmianę wartości
obciążenia strony wtórnej transformatora: stan biegu jałowego – strona wtórna rozwarta, stan
zwarcia – strona wtórna zwarta.
*
*
*
*
A2
W1
W2
V1
V2
A1
R
b
ATr
Tr
R
0
C
0
Osc.
220V
Rys. 4. Schemat pomiarowy do badania stanu biegu jałowego, stanu zwarcia i stanu obciążenia trans-
formatora (przypadek obciążenia o charakterze rezystancyjno-pojemnościowym)
Atr – autotransformator, Tr – transformator badany, R
o
, C
o
– rezystancja i pojemność obciążenia,
R
b
– bocznik do podłączenia oscyloskopu, Osc. – oscyloskop
Tablica 1. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu biegu jałowego
Wyniki pomiarów
Wyniki obliczeń
Lp.
U1
[V]
I1
[A]
P1
[W]
U2
[V]
ϑ
[V/V]
R
Fe
[
Ω]
X
µ
[
Ω]
cos
ϕ
o
[--]
1
Tablica 2. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu zwarcia
Wyniki pomiarów
Wyniki obliczeń
Lp.
U1
[V]
I1
[A]
P1
[W]
I2
[A]
ϑ
I
[A/A]
R
1
[
Ω]
X
1
[
Ω]
R
2
[
Ω]
X
2
[
Ω]
cos
ϕ
z
[--]
1
Badanie transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym
5
Tablica 3. Wyniki pomiarów i obliczeń stanu obciążenia
Lp.
U1
[V]
I1
[A]
P1
[W]
U2
[V]
I2
[A]
P2
[W]
ϑ
U
[V/V]
ϑ
I
[A/A]
η
[W/W]
cos
ϕ
1
[--]
cos
ϕ
2
[--]
1
R
b
ATr
Tr
R
C
Osc.
220V
Rys. 5. Schemat układu do obserwacji pętli histerezy
Atr – autotransformator, Tr – transformator badany, R
b
– bocznik,
R, C – rezystor i kondensator (gdzie R>>1/
ωC), Osc. – oscyloskop
4. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
• obliczenia i schematy wykonane jako przygotowanie do ćwiczenia,
• wykaz i dane znamionowe elementów i przyrządów użytych w ćwiczeniu,
• wyniki pomiarów i obliczeń zestawione w tablicach wyników pomiarów i obliczeń,
• wykonane szkice przebiegów prądów i napięć,
• wykonane szkice pętli histerezy,
• spostrzeżenia i wnioski wynikające z ćwiczenia.
Sprawozdanie - jedno dla odbywającej ćwiczenie grupy - należy złożyć w ciągu tygodnia
od wykonania ćwiczenia w laboratorium (podczas kolejnych zajęć w ramach przedmiotu).
5. PYTANIA KONTROLNE
a) Wyjaśnić według jakich praw fizycznych działa transformator. Podać odpowiednie wzory
i zależności.
b) Wyjaśnić fizyczny sens parametrów wyznaczanych podczas próby biegu jałowego i próby
zwarcia.
c) Podać i uzasadnić przyczynę odkształcania się prądu pierwotnego podczas próby biegu
jałowego.
LITERATURA
[1] Pr. zb. : Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. Podręcznik akademicki – Me-
chanika. WNT, Warszawa
[2] Poradnik Inżyniera Elektryka. Tom 1. WNT Warszawa
[3] Kurdziel R.: Podstawy elektrotechniki. WNT Warszawa