Twoim problemem jest to, że powszechną NICOŚĆ mylisz z osobistą PUSTKĄ
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.
1
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
1
, prąd pierwotny I
1
, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N
1
itd.
Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są
oznaczane ze wskaźnikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np: napięcie
wtórne U
2
, prąd wtórny I
2
, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N
2
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
g
, prąd górny I
g
, liczba zwojów uzwojenia
górnego N
g
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
d
, prąd dolny I
d
, liczba zwojów uzwojenia dolnego N
d
itd.
2
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.
n
Ug
0
Ud
0
a. Przekładnia zwojowa
Występuje gdy stosunek SEM w obu uzwojeniach transformatora:
E
1
4
44
N
1
mf
N
1
n
E
4
44
N
mf
N
z
2
2
2
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
g0
E
g
i U
do
E
d
i uwzględniając zależność:
E
1
4
44
N
1
mf
N
1
n
,
E
4
44
N
mf
N
z
2
2
2
otrzymamy:
n
U
go
E
g
N
g
.
U
E
N
do
d
d
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
g
= P
d
i Q
g
=Q
d
a zatem i moce pozorne będą sobie
w przybliżeniu równe S
g
=S
d
. Ponieważ S
g
=U
g
I
g
oraz S
d
=U
d
I
d
, zatem:
3
Elektrotechnika laboratorium
n
I
g
U
d
N
d
.
I
U
N
d
g
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
4
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
2
od
prądu wtórnego I
2
przy U
1
=U
1zn
=const, f=const, cosө
2
=const. Przykładowy przebieg
tych charakterystyk przedstawiono na (Rys. 5.3), z którego wynika, że przy wzroście
prądu I
2
, napięcie U
2
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
2
wystąpiłby wzrost napięcia
U
2
.
Rys. 5.3.
Charakterystyki zewnętrzne transformatora jednofazowego
Rys. 5.4.
Charakterystyki sprawności transformatora jednofazowego
5