1.1 Měření parametrů transformátorů Cíle kapitoly: Jedním z cílů úlohy je stanovit základní parametry dvou rozdílných třífázových transformátorů. Dvojice transformátorů tak bude podrobena měření naprázdno a nakrátko. Cílem je stanovení ztrát výkonu v magnetickém obvodu, ztrát výkonu v železe, poměrné hodnoty napětí nakrátko, poměrné hodnoty proudu naprázdno, susceptance, konduktance, a to pro každý transformátor samostatně. Cílem bude také zhodnotit změřené hodnoty a jednotlivé varianty mezi sebou porovnejte. 1.1.1 Úvod a rozbor úlohy Třífázový transformátor představuje elektrické zařízení, respektive netočivý stroj, který slouží k transformaci střídavého napětí a proudu. Třífázový transformátor bývá proveden tak, aby byl ve fázích souměrný. V rámci teoretického náhledu, lze souměrně zatížený (každá fáze) transformátor nahradit článkem typu T nebo Γ, což usnadňuje stanovení provozních parametrů a stavů. Základní parametry jako je například jmenovitý výkon, jmenovité napětí primárního a sekundárního vinutí bývají zpravidla uvedeny na štítku přístroje a další parametry se určují na základě různých provozních stavů, tj. měření naprázdno a nakrátko. Následující obrázky Obr. 1.1 a Obr. 1.2 ukazují náhradní dvojhran typu T, který představuje ekvivalentní obvod transformátoru, respektive náhradní schéma transformátoru s vyznačenými jednotlivými uvažovanými veličinami. Obr. 1.1: Náhradní dvojbran transformátoru - typ T Lze vidět, že podélnou impedanci Z t a příčnou admitanci Y t, lze rozložit na jednotlivé složky, tj. R 1 přestavuje ohmický odpor vstupního vinutí, X 1σ je rozptylová reaktance vstupního vinut, X μ odpovídá magnetizační reaktanci, X 2σ je přepočtená rozptylová reaktance
výstupního vinutí, R 2 představuje přepočtený ohmický odpor výstupního vinutí a R Fe je odpor ekvivalentní ztrátám v železe. Obr. 1.2: Náhradní schéma transformátoru a jednotlivé veličiny Hlavní parametry transformátorů lze zjistit ze štítku přístroje anebo pomocí měření transformátoru naprázdno, respektive nakrátko. K hlavním parametrům, které lze zjistit ze štítku přístroje je jmenovitý výkon S n a jednotlivá jmenovitá (primární, sekundární) napětí U n1 a U n2. Měřením se pak stanoví zejména ztráty výkonu v magnetickém obvodu ΔP Fe (v železe), poměrná hodnota proudu naprázdno vztažená ke jmenovitému proudu i 0, poměrná hodnota napětí nakrátko vztažená ke jmenovitému napětí e k, ztráty výkonu ve vinutí ΔP Cu (v mědi). Po proměření transformátoru a stanovení potřebných parametrů, lze vypočítat jednotlivé další parametry z náhradního schématu a to pomocí následujících matematických vztahů. Rezistence vinutí (1) Rozptylová reaktance Konduktance (2) Susceptance (3) 1 (4) Impedance (5)
Admitance (6) Samotné měření třífázového transformátoru v zapojení nakrátko má za úkol určit ztráty nakrátko. Za zjednodušujících předpokladů, lze konstatovat, že se jedná o ztráty ve vinutí a lze jimi posoudit kvalitu provedení vinutí. Zapojení pracoviště je naznačeno na obrázku Obr.1.3, tj. sekundární vinutí je spojené nakrátko a transformátor je napájen ze strany vyššího napětí. Obr. 1.3: Zapojení pracoviště při měření transformátoru nakrátko Měření třífázového transformátoru v zapojení naprázdno má za úkol určit ztráty naprázdno. Za zjednodušujících předpokladů (zanedbání ztrát v primárním vinutí - proud naprázdno je závislý na magnetizační křivce a je poměrně malý) lze konstatovat, že se jedná tedy o ztráty v železe. Dle Obr.1.2 lze říci, že se ztráty v železe dělí na ztráty magnetizační a ztráty vířivými proudy. Při stálém kmitočtu jsou ztráty závislé zhruba na druhé mocnině indukovaného napětí, které se téměř rovná napětí naprázdno. Zapojení pracoviště je naznačeno na obrázku Obr.1.4, tj. sekundární vinutí je rozpojené a transformátor je napájen ze strany vyššího napětí.
Obr. 1.4: Zapojení pracoviště při měření transformátoru naprázdno Následující obrázek Obr. 1.5 ukazuje náhled na schematické provedení vinutí jednotlivých typů transformátorů, které budou podrobeny měření naprázdno a nakrátko a poslouží pro stanovení základních parametrů transformátorů, respektive pro jejich vzájemné porovnání. Obr. 1.5: Schéma primárních a sekundárních vinutí transformátoru 1100VA Dy1, transformátoru 400VA Dy1 s odbočkami na sekundární straně a transformátorů 1100VA a 2300VA Yy0
1.1.2 Úkol měření Úkolem je stanovit základní parametry dvou rozdílných transformátorů. Transformátory podrobte měření naprázdno a nakrátko a sestrojte patřičné charakteristiky. Stanovte ztráty výkonu v magnetickém obvodu, ztráty výkonu v železe, poměrnou hodnotu napětí nakrátko, poměrnou hodnotu proudu naprázdno, susceptanci, konduktanci pro každý transformátor. Zhodnoťte změřené hodnoty a jednotlivé varianty mezi sebou porovnejte. 1.1.3 Použité měřicí přístroje a komponenty - Transformátor 1100 VA, 3-fázový, Yy0 - Transformátor 2300 VA, 3-fázový, Yy0 - Transformátor 400 VA, 3-fázový, Dy1 - Transformátor 1100 VA, 3-fázový, Dy1 - Digitální multimetry - Propojovací kabely 1.1.4 Postup měření 5. Dle Obr 1.4. zapojte pracoviště pro měření transformátoru naprázdno, zapojte však pro třífázové měření. Transformátor nebude napájen napětím přímo ze sítě, ale bude využito regulačního prvku, v podobě autotransformátoru AT. 6. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 7. Změřte statické odpory primárního a sekundárního vinutí třífázového transformátoru. 8. Pomocí autotransformátoru AT nastavujte potřebné hodnoty napětí (postupně zvyšujte napájecí napětí až do hodnoty 1,1 x U n1 ) a změřte charakteristiku naprázdno I 10 =f (U 10 ) a hodnoty zapište do vytvořené tabulky. Při jmenovitém napětí U n1 určete ztráty naprázdno ΔP Fe a závislost ΔP Fe =f (U 10 ). Měří se U 10, I 10, P 10 =ΔP Fe. 9. Dle Obr 1.3. zapojte pracoviště pro měření transformátoru nakrátko, zapojte však pro třífázové měření.. Transformátor nebude napájen napětím přímo ze sítě, ale bude využito regulačního prvku, v podobě autotransformátoru AT. 10. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 11. Pomocí autotransformátoru AT nastavujte potřebné hodnoty napětí (měřte od hodnoty 1,1xI n směrem dolů, při nastavení výchozí požadované hodnoty napětí (při 1,1xI n ), co nejrychleji odečtěte naměřenou hodnotu a napětí s vodným krokem snižujte) a změřte charakteristiku nakrátko I 1k =f (U 1k ) a při jmenovitém proudu I 1k určete ztráty nakrátko ΔP Cu a poměrné napětí nakrátko e k a závislost ΔP Cu =f (U 1k ). Měří se U 1k, I 1k, P 1k =ΔP Cu. 12. Zjistěte jednotlivé parametry náhradního schématu transformátoru dle výše uvedených matematických vztahů. 13. Z naměřených hodnot jednotlivé změřené charakteristiky. 14. Postup opakujte pro další typ transformátoru.
1.1.5 Zpracování výsledků Vypracujte protokol o měření. Hlavním výstupem protokolu budou změřené charakteristiky z měření naprázdno a nakrátko třífázového transformátoru, respektive dvou rozdílných transformátorů. Stanovte ztráty výkonu v magnetickém obvodu, ztráty výkonu v železe, poměrnou hodnotu napětí nakrátko, poměrnou hodnotu proudu naprázdno, susceptanci, konduktanci pro každý transformátor. Hodnoty přehledně uveďte v tabulkách a uveďte i jednotlivé výpočty. Zhodnoťte změřené hodnoty a jednotlivé varianty mezi sebou porovnejte. 1.1.6 Kontrolní otázky 1. Vysvětlete a definujte proud naprázdno. 2. Vysvětlete a definujte napětí nakrátko. 3. Jaké ztráty vznikají v transformátoru? Definujte je. 4. Závisejí ztráty transformátoru na jeho zatížení? Vysvětlete. 5. Definujte, jak velký proud protéká hlavní reaktancí u ideálního transformátoru? 6. Popište, v jakém režimu se měří ztráty v železe? 7. Popište, jak se měří ztráty ve vinutí? 8. Popište, jak se měří napětí nakrátko transformátoru? 9. Popište, jak se provádí zkouška vinutí? 10. Vysvětlete, jak závisí účinnost transformátoru na účiníku připojené zátěže? 11. Transformátory s malým zkratovým napětím jsou měkké nebo tvrdé zdroje napětí. Zdůvodněte. 12. Transformátory s velkým zkratovým napětím jsou měkké nebo tvrdé zdroje napětí. Zdůvodněte. 13. Jsou transformátory konstruovány s napětím nakrátko malým nebo velkým? Zdůvodněte.