Enfastransformatorn. Ellära 2 Laboration 5. Laboration Elkraft UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Dan Weinehall/Per Hallberg

Transkript

1 UMEÅ UNIERSITET Tillämpad fysik och elektronik Dan Weinehall/Per Hallberg Laboration Elkraft Enfastransformatorn Ellära 2 Laboration 5 Personalia: Namn: Kurs: Datum:

2 Enfastransformatorn Nyckelord. Enfastransformator, märkdata, tomgångsprov, kortslutningsprov, belastningsprov, kortslutningsresistans, kortslutningsreaktans, kortslutningsimpedans, ekvivalent schema. Målsättning. Att undersöka driftegenskaper hos en enfastransformator. Teori. Transformatorer är en av de viktigaste länkarna i elkraftöverföringssystem. Med transformatorer kan överföringsspänningen enkelt och med hög verkningsgrad höjas eller sänkas så att överföring med låga förluster kan ske över stora avstånd. Transformatorer i transmissionsnät- och distributionsnät kallas krafttransformatorer. Andra typer av transformatorer är mättransformatorer, skyddstransformatorer och småtransformatorer. Småtransformatorer utgörs bl.a. nättransformatorer för strömförsörjning av hemelektronik. Transformatorn består i sin enklaste form av två lindningar (spolar) förlagda på en laminerad järnkärna. Den är en helt statisk elmaskin som saknar friktion, och får därmed mycket hög verkningsgrad (90-99%). Den grundläggande principen är densamma för alla typer av transformatorer. Sambanden är tillämpliga på såväl enfastransformatorer som per fas för trefastransformatorer. Förberedelseuppgifter. Studera kap. 1 i Elmaskiner Alfredsson m.fl., Kap2 i Electric Machinery - Fitzgerald Märkdata: M 1915 Transformer 3-phase Ratings Three-phase, 2 ka, Hz, 230/2 x 66.5 per phase Primary ± 5 % per phase Secondary Two 66.5 windings per phase, each winding having tappings for (± 5 %) The tappings are so arranged that 230 (star or delta connection) and 133 (star, delta or zig-zag connection) can be obtained for all standard connections. This transformer has safety sockets mounted on a frontpanel with mimic diagrams. No load losses Po = 35 W Impedance voltage zk = 8% Resistance voltage rk = 3%.

3 Undersökning av driftegenskaper hos en enfastransformator. Enfastransformatorn. Lindningarna för en fas i trefastransformatorn används som enfastransformator. 1. Transformatorns koppling. Primärsidan ansluts till A1 och A3. Sekundärsidan består av två spolar och har uttag för 3 olika spänningar per spole. Anslut till a1 och a4 (66.5 ) A1 A2 A3 3 a1 a4 a5 a8 Figur 1. Transformatorkoppling 2. Märkdata För trefastransformatorn gäller följande märkdata: Märkvärden: 3-fas, 2 ka, 50 Hz, 230/2x66.5 /fas. Primärt: Sekundärt: /fas Två 66.5 lindningar per fas, varje lindning med uttag för ilka blir enfastransformatorns märkdata (U1n, I1n, S2n) i kopplingen enligt figur? Ange i mätprotokollet. 3. Resistansmätning Mät primärlindningens resistans (R1) och sekundärlindningens resistans (R2) då transformatorn är kopplad enligt pkt 1. Ange mätvärden i mätprotokollet. 4. Omsättningsmätning Anslut den obelastade transformatorn till variabel växelspänning. Mät sekundärspänningen (U2) vid primärspänningarna (U1) 180, 200 och 230 Anteckna värdena i mätprotokollet.

4 5. Tomgångsprov Transformatorns effektförbrukning (PF0,QF0, SF0), ström (I0), och sekundärspänning (U20) mäts vid obelastad sekundärsida. Beräkna även effektfaktor (cosφ 0 ). Primärspänningen skall vara lika med märkspänningen(u1n). Anslut U1 till det variabla 230 uttaget. Uppkoppling enl. figur 2. Anteckna mätvärdena i mätprotokollet. Io A W U1 P F0 U2 0 Figur 2. Kopplingsschema för tomgångsprov. 6. Kortslutningsprov Beräkna först transformatorns märkström (observera att vi inte använder alla faser på transformatorn) och koppla sedan enligt figur 3. Kortslutningsprovet utförs med kortsluten sekundärsida och märkström i lindningarna. Transformatorns effektförbrukning, den så kallade kortslutningseffekten (P FK ) samt kortslutningsspänningen (U1k) mäts när spänningen justerats så att märkström I1n går i primärlindningen. OBS! Spännigen är låg vid detta prov. Öka primärspännigen U1k försiktigt tills I1k = I1n. Eftersom spänningen är låg så blir det magnetiska flödet i kärnan så litet att järnförlusterna blir försumbara. Kortslutningseffekten består alltså huvudsakligen av effektutveckling i transformatorns lindningsresistanser. Kortslutningseffekten är lika med transformatorns belastningsförlust vid märkström. I 1k A W P FK U 1k Figur 3. Kopplingsschema för kortslutningsprov.

5 7. Belastningsprov Uppkoppling enligt figur 4. Belastningsprovet utförs genom att belasta transformatorn med en variabel resistiv belastning. Primärspänningen (U1) hålls konstant lika med märkspänningen 230. Genom att ändra resistansen RL ställs I1 in för olika belastningsfall. Ställ in I1 på ca 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, I 1n och 1.75 A och mät samhörande värden på sekundärspänningen (U2), sekundärströmmen (I2) samt tillförd effekt (P1). I1 I2 A W A P1 U1 U2 R L Figur 4. Kopplingsschema för belastningsprov.

6 Mätprotokoll. Märkdata: U1n= I1n= S2n= Resistansmätning: R1= R2= Omsättningsmätning: U1= U2= U1= U2= U1= U2= Tomgångsprov: Tomgångseffekt PF0= cosφ 0 = Tomgångsström I0= Sekundärspänning U20= Kortslutningsprov: Kortslutningseffekt P FKM = Kortslutningsspänning Primär märkström U1k= I1n= Belastningsprov: U1() = 230 I1(A) I2 (A) x=i2/i2n U2 () P1 (W) S (A) Q (Ar) η= (P1-P0- x2p FKM )/ P1 R L (Ohm) (ber)

7 Bearbetning. 1. Beräkna varvsomsättningen från uppgift 4. Ange medelvärdet. 2. Använd kortslutningsprovets mätvärden och beräkna Z1k, R1k och X1k. P FKM = R1k I1n 2 U 1k = Z 1k I 1n Zk = Rk 2 + Xk 2 Använd rk och zk i databladet för att beräkna värden för R1k och X1k. 3. Beräkna R1k = R1 + (N1/N2)2 R2. Beräkna L. X 1k = ωl. Temperaturerna R1 och R2 mäts när temperaturen är 20 C. Drifttemperaturen antas vara ca 75 C. Korrigera R1 och R2 till denna temperatur. Jämför med beräknade värden i pkt Använd tomgångsprovets mätvärden och beräkna R 0 och X Rita transformatorns ekvivalenta schema med komponentdata. 6. Rita kurvorna η= f(i2) och U2= f(i2). 7. Använd spänningsfallsformeln och beräkna U2 om U1=230 och I1=I1n enligt belastningsprovet i uppgift 7. Jfr med motsvarande värde ur kurvan U2= f(i2) Teoriuppgift (Ej obligatorisk) Gör en simulering i Orcad (eller liknande program) där du simulerar ovanstående transformator. Nedan finns en modell man kan utgå ifrån. Jämför resultat med Tercos datablad för M1915 (sidan 1 i labpeket), stämmer det bra överens? Om inte vad kan avvikelser bero på? Redovisning För godkänt (dvs 1 poäng) ska ni redovisa alla resultat med kommentarer på allt utom teoriuppgiften/simuleringen För det högre betyget ska ni även genomföra simuleringsuppgiften.

8 EWB:s transformatormodell Blanda inte ihop U h och U n U h huvudspänning, aktuell spänning mellan två faser. Den sekundära huvudspänningen på en trefastransformator sjunker vid belastning, blir noll vid strömavbrott. Den primära huvudspänningen sjunker normalt endast marginellt vid belastning. U n märkspänning, dvs högsta tillåtna spänning, är en egenskap hos transformatorn. Påverkas inte av belastning eller strömavbrott! För trefastransformatorer anger U n högsta tillåtna huvudspänning. Transformatormodeller EWB:s ideala transformatormodell: RP LE RS / 2 LM EWB modellerar: Primär lindningsresistans med RP Sekundär lindningsresistans med RS Lindningsreaktanser hänförda till primärsidan med induktansen LE Reaktiv tomgångsförlust med induktansen LM Aktiv tomgångsförlust modelleras inte! RS / 2 En lite bättre transformatormodell är: R1 X1 R 0 X 0 X 2 R 2 Där man modellerar: Primär lindningsresistans med R 1 Sekundär lindningsresistans med R 2 Primär lindningsreaktans med X 1 Sekundär lindningsreaktans med X 2 Reaktiv tomgångsförlust med induktansen X 0 Aktiv tomgångsförlust med R 0 Notera att lindningsreaktanserna, X 1 och X 2, beror på magnetiska läckflöden, dvs flöden som är individuella för spolarna. Medan det magnetiska flöde som är gemensamma för primär- och sekundärlindningen modelleras med X 0 samt den ideala transformatorn. R 1, R 2 och X 1, X 2 kallas även kortslutnings-resistanser/reaktanser, modellerar aktiv respektive reaktiv belastningsförlust samt spänningsfall vid belastning. R 0 och X 0 modellerar aktiv respektive reaktiv tomgångsförlust. (försummas ganska ofta)