plik

Elektrotechnika laboratorium

III.2. Badanie transformatora jednofazowego

Instrukcja do badania transformatora jednofazowego

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.

Elektrotechnika laboratorium

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 U

, prąd pierwotny I

, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N

itd.

 Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są

oznaczane ze wskaźnikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie
wtórne U

, prąd wtórny I

, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N

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 U

, prąd górny I

, liczba zwojów uzwojenia

górnego N

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 U

, prąd dolny I

, liczba zwojów uzwojenia dolnego N

itd.

Elektrotechnika laboratorium

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:







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 U

E

i U

E

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:  P

= P

i Q

a zatem i moce pozorne będą sobie

w przybliżeniu równe S

. Ponieważ S

oraz S

, zatem:

Elektrotechnika laboratorium





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

Elektrotechnika laboratorium

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 U

prądu wtórnego I

przy U

1zn

=const, f=const, cosө

=const. Przykładowy przebieg

tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście
prądu I

, napięcie U

maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im

mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika
o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I

wystąpiłby wzrost napięcia

Rys. 5.3. Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego

Rys. 5.4. Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego

Elektrotechnika laboratorium

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  P

pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa

sumie mocy czynnej P

, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy;

w uzwojeniach ΔP

(wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu ΔP

(wyznaczonym w próbie stanu jałowego).
Sprawność transformatora

 





100%



Ponieważ moc strony wtórnej

U I

2 2



cos



wobec tego sprawność









U I

2 2

100%

cos



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  I

2zn

, 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.

Elektrotechnika laboratorium

Ćwiczenie 1: Badanie transformatora jednofazowego

1. Zagadnienia teoretyczne:

 budowa transformatora jednofazowego,

 strona górna i dolna transformatora,

 przekładnia zwojowa i napięciowa transformatora,
 stany pracy transformatora oraz ich charakterystyki.

Dane znamionowe transformatora:
Moc: 120 [W]
I

= 1 [A] U

= 220 [V]

= 4 [A] U

= 24 [V]

2. Przebieg ćwiczenia:

a. Pomiar rezystancji uzwojeń:

Pomiary należy wykonać przy pomocy mostka Thomsona lub Wheatstone’a.
Wyniki pomiarów zapisać w tabeli:



b. Pomiar przekładni transformatora:

Dla kilku wartości napięcia zasilającego bliskich napięcia znamionowego
transformatora U

odczytać wskazania woltomierzy.

Zestawić układ według schematu:

Elektrotechnika laboratorium

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli:

Vśr

[V]

1
2
3
4

c. Badanie stanu jałowego transformatora

Zestawić układ według schematu.

Pomiary należy wykonać przy włączniku W otwartym, w zakresie napięcia 0,2 … 1,2
U

. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.

cos





[V]

[A]

[W]

[var]

[A]

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: P

, I

, cos



=f(U

)

d. Badane stanu zwarcia transformatora

Schemat układu według rysunku z podpunktu c, przy włączniku W otwartym
i zwartych zaciskach 3 i 4.
Ustawiamy napięcie zasilania, aż wartość prądu Iz=1,21

następnie je stopniowo

zmniejszamy do zera.
Uwaga: pomiary należy wykonać szybko ze względu na nagrzewanie się uzwojeń.

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać tabeli.

Elektrotechnika laboratorium

cos



[V]

[A]

[W]

[

]

[

]

[

]

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: P

, I

, cos



=f(U

)

e. Badanie transformatora obciążonego

Schemat układu według rysunku z punktu c, przy włączniku W zamkniętym. Pomiary
należy wykonać przy napięciu zasilającym równym U

Rezystorem R

należy nastawiać wartość prądu I

w zakresie 0,2 … 1,2 I

2n.

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli.



[A]

[V]

[W]

1
2
3
4
5
6

Wykreślić charakterystyki: I

, U

= f(I

=f(P

)

3. Wnioski:

Elektrotechnika laboratorium

III.3. Badanie przekładnika prądowego.

Przekładnik prądowy

Przekładniki służą do zasilania obwodów prądowych i napięciowych przyrządów

pomiarowych i przekaźników. Zastosowanie przekładników w rozdzielniach wysokiego
napięcia pozawala na:

• bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych dzięki odizolowaniu obwodów

wtórnych od obwodów wysokiego napięcia,

• zastosowanie jednakowych przyrządów pomiarowych,
• zmniejszenie niebezpieczeństwa uszkodzenia przyrządów pomiarowych wskutek

elektrodynamicznego i cieplnego działania prądów zwarciowych,

• rozszerzenie zakresu przyrządów pomiarowych,
• oddzielenie rozdzielni od nastawni,
• zdalny pomiar wielkości elektrycznych.

Przekładniki prądowe są to urządzenia zbliżone do transformatorów mocy lecz w

odróżnieniu od nich są przystosowane do pracy w stanie bliskim stanowi zwarcia. Posiadają
dwa  uzwojenia  starannie  od  siebie  odizolowane  nawinięte  na  rdzeniu  z  blach
ferromagnetycznych.
Ich zasada działania jest identyczna jat transformatora tzn. pod wpływem zmiennego prądu w
uzwojeniu  pierwotnym  powstaje  strumień  magnetyczny  (zmienny)  który  powoduje
wyidukowanie  siły  elektromotorycznej  po  stronie  wtórnej,  dzięki  czemu  w  obwodzie
zamykanym przez amperomierz popłynie prąd.
Ze względu  na  w stanie  bliskim  stanowi zwarcia  można  pominąć  magnesowania i  możemy
zapisać przybliżoną zależność:



gdzie I

– są wartościami skutecznymi prądów odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i

wtórnym
z

– są ilościami zwojów odpowiednio po stronie pierwotnej i wtórnej

Z tej zależności z pewnym błędem jesteśmy w stanie wyznaczyć prąd płynący przez
uzwojenie pierwotne:



Elektrotechnika laboratorium

Badanie Przekładnika Prądowego

Pomiar uchybów prądowych.

Uchyb prądowy (uchyb przekładni) jest to różnica natężenia prądu wtórnego

pomnożonego przez przekładnię znamionową i natężenia prądu pierwotnego wyrażona w
procentach prądu pierwotnego:

Zmierzyć uchyby prądowe przekładnika prądowego przy różnym natężeniu prądu w
obwodzie pierwotnym i obciążeniu obwodu wtórnego; jednym amperomierzem.
W ćwiczeniu prąd w obwodzie pierwotnym będziemy mierzyli dokładnym amperomierzem
włączonym bezpośrednio do obwodu pierwotnego.
Schemat połączenia obwodu:

Po zanotowaniu danych znamionowych przekładnika prądowego zestawiamy układ i
zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J

do 1,2J

co 0,1J

Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w tabelce:

Obciążenie obwodu wtórnego jednym amperomierzem
co odpowiada obciążeniu przekładnika mocą







 





Lp.

[A]

 





 





i J

– wartość pierwotnego i wtórnego

Elektrotechnika laboratorium

100









- uchyb prądowy





- przekładnia rzeczywista





- przekładnia znamionowa

Należy zwrócić uwagę, że uchyb może mieć wartość ujemną lub dodatnią. Z danych tabelki
wykreślamy zależność

 





oraz

 





Obciążenie obwodu wtórnego mocą S – S

Zestawiamy układ pomiarowy.
Po obciążeniu przekładnika prądowego mocą znamionową napięcie na zaciskach wynosi:

 

...



Po włączeniu obwodu zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym i

regulujemy opornik Z

tak długo, aż woltomierz V przy prądzie w obwodzie wtórnym

badanego przekładnika prądowego J

[5A] wskaże obliczone poprzednio napięcie U.

Pożądane jest aby współczynnik mocy obciążenia dodatkowego był równy w przybliżeniu
0,8 co odpowiada charakterowi cewek obwodów prądowych przyrządu (w ćwiczeniu można
użyć opornika suwakowego).
Następnie mierzymy spadek napięcia na samym tylko amperomierzu dla ustalenia mocy
pobieranej przez amperomierz i obliczenia ile procent mocy znamionowej stanowi obciążenie
przekładnika prądowego tylko jednym amperomierzem:

Elektrotechnika laboratorium

















Obliczoną wartość S

wpisujemy do tabelki

Obciążenie obwodu wtórnego







 5

- 100% S

Lp.

[A]

 





 





Po wyłączeniu woltomierza zmieniamy natężenie prądu w obwodzie pierwotnym od 0,1 J

do 1,2J

co 0,1J

. Na podstawie pomiaru wykreślamy na wykresach wykresach punktu A

zależność

 





oraz

 





2. Charakterystyka magnesowania.

Charakterystyka magnesowania rdzenia przekładnika prądowego jest wyznaczona

przez pętlę histerezy magnetycznej

. Jest to zależność nieliniowa zarówno

dlatego, że każda pętla dla danej wartości amplitudy ma charakter nieliniowy jak też
dlatego, że wierzchołki pętli dla różnych indukcji maksymalnych układają się wzdłuż
krzywej nie będącej linią prostą, a nazywanej podstawową charakterystyką
magnesowania (rys. 1 – linia ciągła)

Elektrotechnika laboratorium

Wyznaczyć zależność napięcia po stronie wtórnej przekładnika prądowego od prądu J

przy rozwartym uzwojeniu pierwotnym – U

= f (J

). Zbadać zachowanie się przekładnika

prądowego przy zwartych zwojach uzwojenia pierwotnego.

Charakterystyka magnesowania sporządza się dla określenia liczby przetężeniowej,

stwierdzenia czy w uzwojeniu wtórnym nie ma zwarć zwojowych oraz stwierdzenia
przydatności przekładników do zabezpieczenia różnicowego. Charakterystyki przekładników
używanych do tego zabezpieczenia powinny być jednakowe.

Zestawiamy układ jak na rysunku. Zmieniamy doprowadzone napięcie i odczytujemy

wartość  prądu.  Pomiar  przerywamy,  gdy  prąd  osiągnie  wartość  5  A.  Dla  zapobieżenia
trwałemu magnesowaniu rdzenia należy po zakończeniu pomiaru natężenie prądu stopniowo
zmniejszać  do  zera,  a  dopiero  wówczas  wyłączyć  obwód.  Następnie  dla  poznania,  jak    się
zachowuje  przekładnik  ze  zwojami  zwartymi,  przeprowadzamy  analogiczne  pomiary  przy
zwartym uzwojeniu pierwotnym. Należy w takim przypadku wymienić woltomierz na inny o
mniejszym zakresie.

Na podstawie pomiarów wykreślamy zależność U

= f(J

) przy rozwartym uzwojeniu

pierwotnym, która jest w innej skali obrazu zależności B = f (J) oraz zależność
U

’ = f (J

’) przy zwartym uzwojeniu pierwotnym/

3. Praca przy zaciskach wtórnych rozwartych.

Rozwarcie  obwodu  wtórnego  przekładnika  prądowego  podczas  pracy  powoduje  znaczne
zwiększenie  strumienia  magnetycznego,  co  jest  przyczyną  indukowania  dużego  napięcia
(nawet  rzędu  kilowoltów!)  po  stronie  wtórnej.  Cały  prąd  jest  prądem  magnesującym.
Następuje przesunięcie punktu pracy – magnesowanie a także skutki cieplne. Dlatego należy
zapamiętać:  Nie  wolno  podczas  przepływu  prądu  w  obwodzie  pierwotnym  rozwierać
obwodu  wtórnego  przekładnika  prądowego. W  razie potrzeby  wykonania przełączenia  w
obwodzie wtórnym, należy zawsze zewrzeć zaciski k-l

Zmierzyć  napięcie  na  rozwartych  zaciskach  wtórnych  przekładnika  prądowego,  gdy  w
uzwojeniu pierwotnym płynie prąd.
Przy  rozwarciu  obwodu  wtórnego  przekładnika  prądowego  strumień  magnetyczny
wytwarzany  przez  prąd  pierwotny  nie  jest  osłabiony  przez  strumień  prądu  wtórnego.
Powoduje  to  nadmierne  nagrzewanie  się  rdzenia  oraz  powstanie  między  rozwartymi
zaciskami  napięcia  o  wartości  niebezpiecznej  dla  ludzi.  Po  za  tym  praca  przy  otwartym

Elektrotechnika laboratorium

III.4. Badanie transformatora trójfazowego.

Transformator to urządzenie przeznaczone do przetwarzania napięcia i prądu o jednej
wartości, na napięcie i prąd o innej wartości tej samej częstotliwości. W transformatorze
wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zasadniczymi częściami
transformatora są: rdzeń wykonany w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali
elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia – górnego i dolnego napięcia. Rdzeń stanowi
dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę
o dużej przenikalności magnetycznej. Uzwojenie transformatora połączone ze źródłem
napięcia zasilającego nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Uzwojenie połączone z
obciążeniem jest uzwojeniem wtórnym.

Badanie transformatora trójfazowego obejmuje: pomiar przekładni transformatora,
wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego, stanu zwarcia oraz wyznaczenie charakterystyki
zewnętrznej.

Wyznaczanie przekładni transformatora.
Przekładnię transformatora najczęściej wyznacza się w stanie jałowym (transformator
nieobciążony). Wyraża się ona stosunkiem wartości skutecznej napięcia U

w uzwojeniu

górnego napięcia do wartości skutecznej napięcia U

w uzwojeniu dolnego napięcia.

 = Error!

Do wyznaczenia przekładni transformatora trójfazowego można się posłużyć układem
przedstawionym na poniższym schemacie.

Układ do pomiaru przekładni.
Należy dokonać pomiaru napięć międzywęzłowych i wyznaczyć przekładnię z poniższej
zależności.

AB,

BC,

CA,

- napięcia międzyfazowe po stronie uzwojeń napięcia górnego,

ab,

bc,

ca,

- napięcia międzywęzłowe po stronie uzwojeń napięcia dolnego.



= Error!,



= Error!,



= Error!,

 = Error!

Wyznaczanie charakterystyk stanu jałowego.

Elektrotechnika laboratorium

Do wyznaczenia charakterystyk stanu jałowego wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:

Wielkości mierzone:
I

, I

AB,

BC,

CA,

Wielkości wyznaczane:
a) średnia wartość napięcia U = Error!,
b) prąd jałowy I

= Error!,

c) straty jałowe

P

= P

+ P

2 ,

d) współczynnik mocy stanu jałowego cos

0

= Error!,

e) składowa bierna prądu stanu jałowego (prąd magnesujący) I

sin

0,

f) składowa czynna prądu stanu jałowego I

cos



;

P

; cos



10n

P

 P

cos



cos



0
U

Badanie stanu zwarcia transformatora trójfazowego.

Do wyznaczenia charakterystyk stanu zwarcia wykorzystuje się układ przedstawiony na
poniższym schemacie:

Elektrotechnika laboratorium

Schemat układu do wyznaczania charakterystyk stanu zwarcia.

Wielkości mierzone:
I

, I

AB,

BC,

Wielkości wyznaczane:
a) napięcie zwarcia przy danej wartości prądu I

= Error!,

b) prąd zwarcia I

= Error!,

c) straty mocy

P

= P

+ P

d) współczynnik mocy przy zwarciu cos



= Error!,

;

P

; cos



= 0 I

P

 P

cos



0
U

Przykładowe charakterystyki transformatora w stanie zwarcia.

Charakterystyka zewnętrzna.

Charakterystyka zewnętrzna określa zależność napięcia U

na zaciskach uzwojenia wtórnego

od prądu I

płynącego przez rezystancję obciążenia R

obc

Elektrotechnika laboratorium

Zestawiamy układ według schematu:

Wielkości wyznaczane:
a) średnie napięcie międzywęzłowe: U

= Error!,

b) średnie natężenie prądu: I



Error!

c) moc pobierana: P

(P

+ P

d) średnie napięcie międzyprzewodowe: U

= Error!,

e) średnie natężenie prądu: I



Error!,

f) moc oddawana: P

= ;3 U

g) moc pozorna po stronie pierwotnej: P

= ;3 U

h) spadek napięcia:

U = U

– U’

i) współczynnik mocy po stronie pierwotnej: cos



= Error!,

j) sprawność:

 = Error!

Charakterystyki:



Elektrotechnika laboratorium

III.5. Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego

1. Część wstępna:

Materiał do przygotowania:
a) budowa silnika indukcyjnego jednofazowego,

- schemat zastępczy.

b) podstawowe charakterystyki silnika indukcyjnego jednofazowego,
c) rodzaje pracy maszyny indukcyjnej,
d) wytworzenie i kształt pola wirującego silnika indukcyjnego jednofazowego.

Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się

w stojanie uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy.
Zasilane prądem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole
zmienne, które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Przy
n = 0  silnik  indukcyjny  jednofazowy  nie  wytwarza  momentu  rozruchowego.  Jeżeli
jednak  wirnikowi  nada  się  pewną  prędkość  obrotową  w  dowolnym  kierunku,  to
pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika.
Silnik  jednofazowy  może  wytwarzać  moment  rozruchowy,  jeżeli  zmieni  się  rozkład
indukcji  w  szczelinie.  W  tym  celu  w  stojanie  umieszcza  się  uzwojenie  dodatkowe
pracujące  bądź  tylko  w  chwili  rozruchu  (uzwojenie  rozruchowe),  bądź  też  w  sposób
ciągły (uzwojenie pomocnicze).

Silnik z uzwojeniem pomocniczym zwartym: 1 - uzwojenie główne, 2 - uzwojenie

pomocnicze

Elektrotechnika laboratorium

Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem

rozruchowym kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym,

c) z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym

Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia

umieszczonego w stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne
tak, aby osie obu uzwojeń były przesunięte względem siebie o kąt

/2. Jeżeli prądy

płynące w uzwojeniu głównym i pomocniczym są przesunięte o kąt

 = /2, to przy

jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole wirujące jest kołowe, a więc
moment rozruchowy jest największy.

Elektrotechnika laboratorium

t = 0

t = T/6



t = T/2

t = T/3

t = T/4

Przebieg podstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez

uzwojenie jednofazowe dla różnych chwil czasowych

Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z

uzwojeniem  pomocniczym  kondensatorów  (rys.  a, b)  lub  powiększenie  rezystancji
tego  uzwojenia  (rys.  c).  Uzwojenie  wykorzystywane  tylko  podczas  rozruchu
wyłączane  jest  za  pomocą  wyłącznika  odśrodkowego  W,  umieszczonego  na  wale
silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma  kondensatorami (rys. b), z których jeden
jest  załączony  tylko  na  czas  rozruchu,  natomiast  drugi  pracuje  ciągle.  Rozwiązanie
takie  stosuje  się  po  to,  aby  uzyskać  pole  jak  najbardziej  zbliżone  do  kołowego
zarówno  podczas  rozruchu  (większy  moment  rozruchowy),  jak  i  podczas  obciążenia
(większy  współczynnik  mocy),  kiedy  to  potrzebna  pojemność  kondensatora  maleje
kilkakrotnie.  W  celu  uproszczenia  konstrukcji  często  rezygnuje  się  ze  zmiany
pojemności  i wówczas  uzwojenie  pomocnicze  współpracuje  z  jednym,  stale
załączonym, kondensatorem.
Zwiększenie  momentu  rozruchowego  przez  zwiększenie  rezystancji  uzwojenia
dodatkowego  (rys.  c)  uzyskuje  się  najczęściej  po  nawinięciu  tego  uzwojenia
przewodem o odpowiednio zmniejszonym przekroju.
Według  PN-IEC 34-1:1997  minimalny  moment  rozruchowy  Mr

min

silników

jednofazowych nie może być mniejszy od 0,3·Mn.
Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik
taki nie zatrzymuje się, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim
przypadku  maleje około  dwukrotnie.  Stosując  odpowiedni układ połączeń  faz  silnika
trójfazowego  i  odpowiednio  dobranych  elementów  RLC  można,  przy  zasilaniu  go
napięciem jednofazowym, uzyskać moc zbliżoną do jego mocy znamionowej.
Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych.
Wynika  to  stąd,  że  strumień  przeciwbieżny  ma  względem  wirnika  prędkość  większą
od synchronicznej i wywołuje w jego rdzeniu duże straty.

Elektrotechnika laboratorium

Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy,

natężenia prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego
o znamionowej częstotliwości (s, cos

0, I0, P0 = f(U0) przy f = fn).

Charakterystyki  biegu  jałowego  umożliwiają,  podobnie  jak  przy  badaniu  silnika
trójfazowego,  określenie  strat  jałowych  i  wyznaczenie  przybliżonej  wartości  strat
mechanicznych  oraz  pozwalają  ocenić  poprawność  konstrukcji  silnika,  szczelinę
maszyny itp.
Prąd biegu  jałowego  ma dwie  składowe.  Pierwsza  odpowiadająca prądowi  wirnika  o
częstotliwości  s·f  jest,  podobnie  jak  w  silniku  trójfazowym,  bardzo  mała.  Druga
natomiast  odpowiadająca  prądowi  wirnika  o  częstotliwości  (2-s)·f  ma  znaczną
wartość.  Dlatego  wypadkowy  prąd  biegu  jałowego  silnika  jednofazowego  może  być
znacznie  większy  (do  3  razy)  niż  prąd  biegu  jałowego  odpowiadającego  mu  silnika
trójfazowego.
Prąd  biegu  jałowego  silników  jednofazowych  z  kondensatorowym  uzwojeniem
pomocniczym  jest  mniejszy,  ponieważ  wytwarzane  w  tym  silniku  pole  jest  polem
wirującym, toteż nie są indukowane w wirniku prądy o częstotliwości (2-s)f.

, P

, cos



cos





f = f

Charakterystyki biegu jałowego

Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności momentu rozruchowego,

współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranych przez silnik przy
zatrzymanym wirniku od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (Mr,
cos

z, Iz, Pz = f(Uz) przy s = 1, f = fn).

Elektrotechnika laboratorium

, P

, cos



, M

cos



f = f

s = 1

Charakterystyki stanu zwarcia

Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości

obrotowej, mocy pobieranej, współczynnika mocy, momentu obrotowego i sprawności
od mocy oddawanej na wale przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości
(I, n, P1, cos

, M,  = f(P2) przy U = Un, f = fn).

Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie
pracy. Wartości poszczególnych parametrów przy P2 = Pn odczytane z charakterystyk
obciążenia należy porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę.
Tolerancje wartości podanych na tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996.

I , M , n ,



, P

, cos



cos





f = f

U = U

Charakterystyki obciążenia

Elektrotechnika laboratorium

2. Program ćwiczenia obejmuje:

 pomiar rezystancji uzwojeń

 przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania

 pomiar charakterystyk biegu jałowego
 pomiar charakterystyk elektromechanicznych

UWAGA DO ĆWICZENIA !

Aby uniknąć przegrzania koła i taśmy hamulcowej przy obciążaniu silnika pomiary
należy przeprowadzić sprawnie i po zakończeniu pomiarów natychmiast „zdjąć”
obciążenie wału.

DANE SILNIKA

F = 50 Hz

P = 180 W

η = 0.55

I = 2 A

ν = 200 V

cosφ = 0.63

n = 1400 obr/min

3. Przebieg ćwiczenia:

a) pomiar rezystancji uzwojeń mostkiem Wheatstone’a

- uzwojenia głównego
-uzwojenia rozruchowego

b) przeprowadzenie rozruchu i zmiany kierunku wirowania
c) pomiar charakterystyki biegu jałowego
Układ połączeń jak na rys. 1. bez obciążenia zewnętrznego wału silnika. Pomiar
rozpoczynamy od podania poprzez autotransformator napięcia o wartości 240V i
zmniejszamy je do 140V (po 10V).
Odczytujemy z przyrządów wyniki U

, I

, P

. n

i wpisujemy je w tabelkę.

Wzory do obliczeń pozostałych parametrów:

cos





















- wyznaczamy drogą ekstrapolacji krzywej

Elektrotechnika laboratorium

Rys. 1. UKŁAD POŁĄCZENIA DLA OBROTÓW W PRAWO

Rys. 2. ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA W LEWO

Elektrotechnika laboratorium

 



cosφ

ΔP

Lp.

[V]

[A]

[W]

[obr/min]

[W]

]

[W]

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

10.

Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić zależności

= f (U

)

= f (U

)

ΔP

= f (U

)

cosφ

= f (U

)

ΔP

= f (U

)

d) pomiar charakterystyk elektromechanicznych
Układ połączeń jak na rys. 1. dodając zmienne obciążenie wału silnika poprzez
ręczną zmianę poprzeczki naciągu dynamometrów.

Pomiar rozpoczynamy od stanu jałowego przy stałym napięciu zasilania uzwojenia
stojana 220V.
Zmieniamy obciążenie wału silnika od zera do 2 kg.
Odczytujemy z przyrządów wyniki: U, I, P, n, F

, F

Średnicę koła hamulcowego mierzymy przymiarem.
Obliczamy parametry: M, cosφ.

cosφ

Lp.

[V]

[A]

[W]

[obr/min] [kg]

[kg]

[N]

[Nm] [VA]

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Elektrotechnika laboratorium

Wzory do obliczeń

F = (F

– F

) g

D = 135 mm

– siła zgodna z kierunkiem obrotu wirnika

– siła przeciwna do kierunku obrotu wirnika













cos

Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślamy charakterystyki:
n = f (M)
cosφ = f (M)

4. Opracowanie wyników

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Schematy układów pomiarowych.
2. Tabelki z wynikami.
3. Obliczenia poszczególnych parametrów.
4. Wykresy charakterystyk:

a) charakterystyki biegu jałowego
b) charakterystyka elektromechaniczna

5. Oszacowanie błędów pomiarowych poszczególnych parametrów

i charakterystyk.

6. Wykaz przyrządów zastosowanych w ćwiczeniu.