Laboratorní cvičení Elektrotechnika a elektronika

VUT FSI BRNO ÚVSSR, Odbor elektrotechniky Laboratorní cvičení Elektrotechnika a elektronika Jméno: Rok: 2014/2015 Přednášková skupina: 2pSTG/1 Číslo úlohy: 4 Klemsa David Ročník: 2. Kroužek: B Semestr: zimní Učitel: Ing. Ondřej Andrš, Ph.D. Název úlohy: Trojfázový transformátor Měření z 21.10.2014 nahrazeno 29.10.2014 u: Ing. Miloš Synek. Cíl cvičení: Datum měření: 29.10.2014 Datum odevzdání: Hodnocení: Cílem cvičení je seznámit se s trojfázovým transformátorem, s jeho vlastnostmi a některými provozními stavy. Úkoly cvičení: 1. Změřte izolační odpor vinutí. 2. Zkontrolujte sled fází.. Určete hodinový úhel transformátoru. 4. Měřením naprázdno stanovte: proud naprázdno, ztráty naprázdno, účiník naprázdno a převod transformátoru. 5. Měřením nakrátko stanovte: proud nakrátko, napětí nakrátko, účiník nakrátko a ztráty nakrátko. 6. Měřením při zatížení stanovte: vstupní proudy a napětí, příkon transformátoru, výstupní proudy a napětí, účinnost transformátoru. Rozbor cvičení: Transformátor je netočivý elektrický stroj, který slouží k přeměně střídavého napětí a proudu na jinou požadovanou hodnotu při stejném kmitočtu. Elektrická energie se přenáší ze vstupního (primárního) vinutí do výstupního (sekundárního) vinutí pomocí magnetického obvodu. Hlavními částmi transformátoru je magnetický obvod (složený z transformátorových plechů) a vstupní a výstupní vinutí. Obvykle se transformátory vyrábějí jako jednofázové nebo trojfázové. 1

Úkol 1 Měření izolačního odporu vinutí Nejdůležitějším faktorem pro spolehlivý chod transformátoru je dobrý stav izolace vinutí. Izolace vinutí musí odolávat teplotám, mechanickému namáhání, vlhkosti, působení agresivních látek a vodivého prachu. Velký vliv na odolnost izolace stroje proti škodlivým vlivům teploty a prostředí má druh materiálu izolace (třída izolace) a provedení impregnace. Stav izolace stroje je nutné zjistit před prvním uvedením do provozu, nebo byl-li stroj delší dobu mimo provoz. Měření izolačního stavu je také součástí revize stroje. Stav izolace je dán naměřeným izolačním odporem R iz. Izolační odpor měříme při bezpečně odpojeném transformátoru od sítě, jak na straně vyššího, tak i nižšího napětí. Měří se izolační odpor vinutí proti kostře a izolační odpor mezi jednotlivými vinutími. Izolační odpor se měří měřiči izolace s jmenovitým napětím 500, 1000, 2500, 5000 nebo 10 000 V. Používají se měřiče Megmet nebo elektronické přístroje. Nesmí se použít měřiče izolace s vyšším napětím než je polovina zkušebního napětí měřeného vinutí. Izolaci měřeného stroje namáháme přiloženým stejnosměrným napětím měřiče izolace po dobu jedné minuty a pak odečteme údaj přístroje v MΩ. Záznam o měření musí být vždy doplněn údajem o teplotě vzduchu, popř. i jeho relativní vlhkosti, při které měření probíhalo. Velikost izolačního odporu stroje bývá větší než 10 MΩ. Tab.1. Vinutí, mezi nimiž byl měřen izolační odpor U 1 V 1 U 1 W 1 V 1 W 1 U 2 V 2 U 1 V 1 V 2 W 2 Byl izolační odpor pro potřeby laboratorního cvičení dostačující. ANO ANO ANO ANO ANO ANO Izolační odpor vinutí trojfázového transformátoru je v pořádku. 2

Úkol 2 Kontrola sledu fází Necyklickou záměnou svorek trojfázového transformátoru se vždy změní sled fází, zatímco při cyklické záměně sled fází zůstává nezměněn. Necyklickou záměnu lze provést záměnou kterýchkoliv dvou svorek, když třetí zůstane nezměněna. Změnou sledu fází se změní smysl sledu fázorů. Sled fází se stanovuje nebo kontroluje např. ukazatelem sledu fází (Uslo). Kontrola sledu fází se provede následovně: 1. Ukazatel sledu fází připojíme k vinutí strany vyššího napětí transformátoru na označené svorky U, V, W, který napájíme sníženým trojfázovým napětím viz. obr. 5.1. Nebude-li se rotor ukazatele otáčet ve smyslu vyznačené šipky, pak musíme zaměnit dva libovolné přívodní vodiče mezi sebou. 2. Přepojíme ukazatel sledu fází na odpovídající svorky strany nižšího napětí transformátoru (u, v, w) a pokud se rotor ukazatele otáčí ve smyslu vyznačené šipky je sled fází správný. V případě, že tomu tak není je označení svorek chybné. Obr. 1 Zapojení pro kontrolu sledu fází Připojení ukazatele sledu fází: U,u červená V,v bílá W,w modrá Ukazatel rotoru se v obou případech točil správně dle smyslu vyznačené špiky. (dle toho se nám bude točit i motor) Sled fází byl správný. Pokud by tomu tak nebylo, musely bychom prohodit 2 libovolné fáze. (necyklická záměna fází)

Úkol Určení hodinového úhlu Jedním z důležitých štítkových údajů trojfázového transformátoru je úhel natočení fází, tzv. hodinový úhel. Hodinový úhel je důležitý pro paralelní chod transformátorů. Je definován jako úhel měřený od fázoru sdruženého napětí strany vyššího napětí k fázoru sdruženého napětí strany nižšího napětí ve směru chodu hodinových ručiček, vyjádřený v hodinách (0 O = 1h). Hodinový úhel závisí na zapojení vinutí transformátoru a na označení jeho svorek. Zapojení vinutí trojfázového transformátoru (se dvěma vinutími) se udává znakem spojení, který sestává z dvou písmen a jedné číslice. První velké písmeno udává zapojení vinutí strany vyššího napětí, druhé malé písmeno udává zapojení vinutí strany nižšího napětí a číslice udává hodinový úhel. Písmeno Y, y označuje zapojení do hvězdy, D, d zapojení do trojúhelníka a ze zapojení do lomené hvězdy, které se používá jen na straně nižšího napětí při nerovnoměrném zatížení transformátoru. Znak spojení Yd1 znamená, že strana vyššího napětí je zapojena do hvězdy, strana nižšího napětí do trojúhelníka a hodinový úhel je jedna hodina. Obr. 2. Zjišťování hodinového úhlu: Nejpoužívanější jsou hodinové úhly 0, 1 a 11, méně používané jsou 5, 6 a 7, nelze provést spojení a 9. Svorky vinutí jednotlivých fází se označují v abecedním pořadí zleva doprava při pohledu ze strany vyššího napětí U, V, W a na straně nižšího napětí u, v, w. Je-li vyveden uzel vinutí, označuje se N nebo n a je vlevo od fázových svorek při pohledu ze strany vyššího napětí. Pro určení hodinového úhlu existuje několik měřících metod. Jedna z nich využívá měření napětí transformátoru voltmetrem tab. 5.1. Na měřeném transformátoru vodivě propojíme dvě stejně onačené svorky strany nižšího a vyššího napětí např. U, u - obr. 5.2a) a stranu vyššího napětí napájíme sníženým souměrným trojfázovým napětím. Voltmetrem vhodného rozsahu 4

změříme napětí U UV, U VW, U UW, U Vv, U Wv, U Vw, U uv, U uw, U Vw. Z naměřených napětí pak sestavíme hodinový úhel grafickou konstrukcí - obr. 5.2b. Z napětí U UV, U VW, U UW sestrojíme ve zvoleném měřítku trojúhelník o vrcholech U, V, W. Pořadí vrcholů je v pravotočivém smyslu. Protože svorka U má stejný potenciál jako svorka u, je vrchol U totožný s vrcholem u trojúhelníka napětí strany nižšího napětí. K určení vrcholů v, w použijeme naměřená napětí U Vv, U Wv, U Vw, U Ww. Velikosti těchto napětí vezmeme do kružítka (ve zvoleném měřítku) a opíšeme kružnice z vrcholů V a W. Průsečíky příslušných kružnic určují vrcholy v a w trojúhelníka strany nižšího napětí. Vrcholy v a w také prochází kružnice opsaná z vrcholu U u o poloměru U uv, který by měl být stejný jako U uw. Je-li sled u, v, w stejný jako sled U, V, W (pravotočivý), je sled fází na svorkách strany nižšího i vyššího napětí shodný. Hodinový úhel je pak úhel, který například svírají úsečky UV a uv měřený vždy od úsečky vyššího napětí k úsečce nižšího napětí, ve smyslu označení vrcholů U, V, W. Hodinový úhel určen ze štítku transformátoru: Yy0 Y primární vinutí spojená do hvězdy y sekundární vinutí spojená do hvězdy 0 hodinový úhel posuv mezi fázorem primárního a sekundárního napětí je 0. Úkol 4 Měření naprázdno Obr. Schéma zapojení pro měření transformátoru naprázdno Při měření na transformátoru naprázdno se měří zpravidla na vinutí nižšího napětí při jmenovitém napětí a jmenovitém kmitočtu, ostatní vinutí nejsou na vnější obvody připojena. Měřením (zkouškou) naprázdno se zjišťují především proud naprázdno, ztráty naprázdno, převod napětí naprázdno a účiník naprázdno. Proud naprázdno I o bývá (1,5 10)% I N i více, kde I N je jmenovitý proud transformátoru. Větší hodnoty I o platí pro menší transformátory, menší pro větší transformátory. Proud I o je převážně jalový, má vedle složky jalové (magnetizační) I ještě relativně malou složku činnou I Fe 10% I na krytí ztrát v železe P Fe. Proto účiník naprázdno cos o proudu I o bývá malý, tj. 0,05 0,. Ztráty naprázdno P o se rovnají příkonu přiváděnému do transformátoru naprázdno. Bývají (0, 1)%S N, kde S N je jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru. Malé hodnoty platí pro větší transformátory, větší pro menší transformátory. Ztráty P o obsahují ztráty v železe P Fe, ztráty v činném odporu (ztráty Joulovy) napájeného vinutí P jo, dodatečné (přídavné) 5

ztráty P d ve vodičích, v železných částech stahovací konstrukce, v nádobě a také ztráty v dielektriku. Běžně ztráty P o považujeme za ztráty v železe, tj. P o P Fe. Převod napětí naprázdno transformátoru je z praktického hlediska definován jako poměr napětí strany vyššího napětí U 10 ku napětí strany nižšího napětí U 20, tj. k = U 10 /U 20. Pro měření naprázdno lze použít několik způsobů zapojení, především s ohledem na měření ztrát P o. Ztráty P o se měří obvykle metodou dvou nebo tří wattmetrů. Je-li napětí souměrné, postačí k měření jeden voltmetr na straně vyššího napětí a druhý na straně nižšího napětí transformátoru. Proudy měříme ve všech fázích, protože se u trojfázových jádrových transformátorů projevuje magnetická nesymetrie magnetický obvod prostředního sloupku je kratší. Z naměřených hodnot proudů a napětí bereme střední hodnotu. Při měření postupujeme tak, že po zapnutí vypínače Q naregulujeme napětí, přiváděné na vinutí měřeného transformátoru, regulačním transformátorem RT na jmenovitou hodnotu při jmenovitém kmitočtu. Odečteme hodnoty měřené všemi měřícími přístroji a zapíšeme je do tab. 5.2. Jelikož účiník naprázdno cos o < 0,5, proto jeden z wattmetrů ukazuje zápornou výchylku, i když jejich zapojení je správné. Pak je třeba zaměnit mezi sebou přívody např. k napěťové cívce tohoto wattmetru a odečtený údaj brát jako záporný. Tab. 2. Změřeno U 20 I u0 I v0 I w0 P 1 P 2 U UV0 U VW0 U UW0 [V] [A] [A] [A] [w] [w] [V] [V] [V] 220 1.52 1.1 1.5-70 170 70 65 70 Wattmetry: stupnice má 120 dílků, rozsah wattmetrů je 240V pro 5A 1 dílek = 10 W Voltmetry: stupnice má 120 dílků; rozsah voltmetrů je 600V 1 dílek = 5 V Tab.. Vypočítáno I 20 i 0 ΔP 0 Δp 0 cosφ 0 U 10 k [A] [%] [W] [%] [-] [V] [-] 1.7 10.4659 100 2 0.1911 68. 0.597 I 20 Proud naprázdno I 20 I u0 I v0 I w0 1 52 1 1 1 5 1 7 A I 2N Jmenovytý proud stranny nižšího napětí I 2N S N 5000 U 2N 220 1 1216 A S N Zdánlivý výkon transformátoru 5000VA U 2N Napětí na sekundárním vinutí 220 V 6

i 0 Procentní proud naprázdno i 0 I 20 I 2N 100 1 7 1 1216 100 10 4659 P 0 Ztráty naprázdno P 0 P 1 P 2 k W 1 2 P e k W konstanta wattmetrů 1 2 výchylky wattmetrů P 0 P 1 P 2 70 170 100 W p 0 Procentní ztráty naprázdno p 0 P 0 S N 100 100 5000 100 2 cosφ 0 Účiník naprázdno cosφ 0 P 0 100 U 20 I 20 220 1 7 0 1911 U 20 U UV0 U VW0 U UV0 70 65 70 6 V k Převod napětí naprázdno k U 10 220 U 20 6 0 597 7

Úkol 5 Měření nakrátko Obr. 4 Schéma zapojení pro měření transformátoru nakrátko Měření se provádí zpravidla na vinutí vyššího napětí při jeho jmenovitém proudu a jmenovitém kmitočtu, vinutí nižšího napětí je spojeno nakrátko spojkami dostatečného průřezu. Měřením se zjišťují ztráty nakrátko, napětí nakrátko a účiník nakrátko. Ztráty nakrátko P k jsou Joulovými ztrátami P j v činných odporech obou vinutí, protože ztráty P Fe jsou zanedbatelné. Ztráty P k zahrnují v sobě i ztráty vířivými proudy, ve vinutí transformátoru a jiné, tzv. dodatečné ztráty P d. Ztráty se přepočítávají na provozní teplotu vinutí transformátoru, za niž se obvykle považuje teplota 75 O C, má-li vinutí provedenou izolaci třídy A,E nebo B, nebo teplota 115 O C, má-li vinutí izolaci třídy nebo H. Ztráty P k bývají obvykle (1,5,5)krát větší než ztráty naprázdno P O a ztráty dodatečné P d činí (5 40)% P k podle velikosti transformátoru. U malých transformátorů není třeba P d uvažovat. Napětí nakrátko U 1K je dalším ze zjišťovaných údajů při měření (zkoušce) nakrátko, který má vliv na zkratové poměry a slouží k výpočtu úbytku napětí transformátoru. Je to takové napětí na vstupních svorkách transformátoru nakrátko, při němž napájeným vinutím teče jmenovitý proud o jmenovitém kmitočtu. Vyjadřuje se v procentech jmenovitého napětí napájené strany a je udáván na štítku transformátoru. Značí se u K a bývá ( 12)%U N i více. Větší hodnoty platí pro větší běžné transformátory. Účiník nakrátko cos transformátoru bývá větší než účiník naprázdno cos 0, a to (0, 0,7) krát i více. Menší hodnoty platí pro větší transformátory, větší pro menší. Před měřením nakrátko nastavíme na regulačním transformátoru nulové napětí. Jsou-li vhodně nastaveny rozsahy měřících přístrojů, sepnutím spínače Q připojíme měřený transformátor k regulačnímu transformátoru. Pak pozvolným zvyšováním přiváděného napětí nastavíme střední hodnotu proudu nakrátko I 1K rovnající se proudu jmenovitému I 1N měřeného transformátoru. Co nejrychleji odečteme hodnoty z měřících přístrojů, protože teplota vinutí vlivem protékajícího proudu rychle stoupá. Na straně spojené nakrátko obvykle neměříme proud, protože impedance cívky ampérmetru by ovlivnila měření. Jeho velikost můžeme určit z napájecího proudu I 1K a z převodu transformátoru k. 8

Tab. 4. Změřeno I 1K P 1 P 2 U UVK U VWK U UWK [A] [w] [w] [V] [V] [V] 7.8667 40 60 7.6 7.2 7 Wattmetry: stupnice má 120 dílků, rozsah wattmetrů je 120V pro 10A 1 dílek = 10 W Voltmetry: stupnice má 120 dílků; rozsah voltmetrů je 24V 1 dílek = 0.2 V I 1K I UK I VK I WK 7 9 7 9 7 7 667 A Tab.5. Vypočítáno Δp K75 ΔP K75 U 1K u K cosφ K [%] [W] [V] [%] [-] 2.414 121.5686 7.2667 1.912 1.01 á á ří á ů ý ů Nebyla-li při měření teplota vinutí 75 C, přepočítávají se ztráty na provozní teplotu 75 C ) ř í í ř ěř í á ěří í á á 9

U 1K Napětí nakrátko U 1K U UVK U VWK U UVK 7 6 7 2 7 7 2667 V u K Procentní napětí nakrátko u K U 1K 7 2667 U 1N 0 U 1N Sdružené jmenovité napětí strany vyššího napětí transformátoru U 1N 0 V cosφ K Účník nakrátko cosφ K P K 100 U 1K I 1K 7 2667 7 667 1 01 Úkol 6 Měření při zatížení Když měříme transformátor při zatížení, zatížíme jej činnou zátěží. Zátěž je zapojena na stranu nižšího napětí a může být spojena buď do hvězdy, nebo do trojúhelníka. Na straně vyššího napětí budou přístroje zapojeny jako při měření naprázdno s tím, že proudové rozsahy wattmetrů a ampérmetry budou nastaveny na proud odpovídající velikosti zátěže. Na straně nižšího napětí použijeme měřící soupravu QN 10, která nám umožňuje měřit celkový výkon, proudy v jednotlivých fázích, sdružená a fázová napětí. Hodnoty zapisujeme do tab. 6. Tab. 6. Změřeno U UV1 U VW1 U UW1 I U1 I V1 I W1 P 1 P 2 [V] [V] [V] [A] [A] [A] [W] [W] 75 80 80 2.7 2.6 690 990 Změřeno U UV2 U VW2 U UW2 I U2 I V2 I W2 P [V] [V] [V] [A] [A] [A] [W] 228 228 226.8.9 4 1600 Wattmetry: stupnice má 120 dílků, rozsah wattmetrů je 60V pro 10A 1 dílek = 0 W Voltmetry: stupnice má 120 dílků; rozsah voltmetrů je 600V 1 dílek = 5 V P Výstupní výkon P 400 4 1600 W 10

ří á ů ý ů Úč á ř íž í č ě č á ěží Tab.7. Vypočítáno P P [W] [%] 1680 0.9524 U transformátoru se účinnost obvykle nezaručuje. Určuje se metodou nepřímou, výpočtem ze ztrát naprázdno a nakrátko tab.. Pro výpočet účinnosti používáme zjednodušené vzorce: φ í á á í á á φ Úč í á ěž cosφ=1 cosφ=0. [%] 25 50 75 100 125 25 50 75 100 125 [%] 91.9 94.78 95.5 95.57 95.6 89.24 9.48 94.8 94.46 94.2 11

Účinnost transformátoru se udává pro 100, 75, 50 zatížení a cosφ = 1 a 0,8. Závěr: První úkol spočíval v měření izolačních odporů mezi jednotlivými vinutími. Mezi všemi vinutími byl izolační odpor pro potřeby laboratorního cvičení dostačující. Druhý úkol spočíval v kontrole sledu fází. Při zapojení stroje je vždy velmi důležitá znalost sledu fází na transformátoru abychom předešli jeho poškození v důsledku jeho možného opačného smyslu otáčení, jenž by mohl být způsoben špatným sledem fází. Po zapojení ukazatele sledu fází se rotor ukazatele točil ve smyslu vyznačené šipky, což znamenalo, že sled fází byl správný. Třetí úkol spočíval v určení hodinového úhlu. Hodnotu hodinového úhlu jsme spolu s označením spojení vinutí na straně vyššího a nižšího napětí zjistily ze štítku označení: Yy0. Z štítku jsme vyčetli, že na straně vyššího napětí jsou vinutí spojena do trojúhelníku a stejně tak na straně nižšího napětí jsou vinutí spojena do trojúhelníku a především že hodinový úhel má hodnotu 0h úhlový posun mezi fázorem primárního sekundárního napětí je 0. Ve čtvrtém úkolu, při měření naprázdno, jsme nejprve změřili hodnoty na vinutí nižšího napětí při jmenovitém napětí a jmenovitém kmitočtu. Posléze jsme pomocí daných výpočtových vztahů stanovili proud na prázdno, ztráty naprázdno, účiník na prázdno a převod transformátoru. V pátém úkolu, při měření nakrátko, jsme nejprve změřily hodnoty na vinutí vyššího napětí při jeho jmenovitém proudu a jmenovitém kmitočtu. Posléze jsme pomocí daných výpočtových vztahů stanovily proud na krátko, napětí na krátko, účiník nakrátko a ztráty nakrátko, které odpovídají příkonu na krátko, takže jsme spočítali i ten. V šestém úkolu - měření při zátěži, jsme nejprve provedli zatížení účinnou zátěží. Zátěž byla zapojena na stranu nižšího napětí. Na straně nižšího napětí jsme změřily proudy v jednotlivých fázích, sdružená napětí, fázová napětí a výkon. Výpočtem jsme stanovily hodnotu příkonu transformátoru a účinnost transformátoru. Hodnoty vypočítané účinnosti transformátoru se pohybují mezi 9 a 96 procenty. Nejvyšší účinnost byla vypočítána při účiníku zátěže cosφ=1 a zatížení = 100. Všechny hodnoty a údaje zjištěny měřením a výpočty se zdají být v souladu s teoretickými předpoklady. 12

Použité měřící přístroje: Přístroj Číslo přístroje wattmetr 199646 wattmetr 918204 ampérmetr 86271 ampérmetr 919607 ampérmetr 29080 Magmet 226295 trojfázový transformátor TCH 102 s výkonem 5000VA Zapojení: Yy0 Primární vinutí x 0V Sekundární vinutí x220v Odpor vinutí: R 1 =0.22Ω a R 2 =0.1 Ω voltmetr 0018 1