EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM. ENTR: En- och trefastransformatorn

Transkript

1 1 EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM PM för laboration ENTR: En- och trefastransformatorn Syfte: Att skapa förståelse för principerna för växelspänningsmagnetisering och verkningssätt och fundamentala egenskaper hos transformatorer. Dessutom ges träning i att mäta på och hantera en liten starkströmsanläggning med den respekt som det kräver. Bilaga: Säkerhetsföreskrifter Kvittering av säkerhetsföreskrifter Laborationen börjar med "kvart". Svar till förberedelseuppgifterna skall lämnas i kursens brevlåda på Teknikringen 33, senast två (2) arbetsdagar före laborationstillfället. Laborantens namnteckning: Laborationen godkänd: Datum Signatur SÖ , 19:04

2 2 1 Inledning och syfte med laborationen Denna första laboration i Eleffektsystem har två syften. Det viktigaste är naturligtvis att lära ut de fundamentala principerna för växelspänningsmagnetisering och transformatorn. Ett annat syfte är träning i praktiskt arbete på en liten starkströmsanläggning. Det är viktigt att ni arbetar lugnt och systematiskt. Fråga gärna assistenterna om råd. Det är dock inte meningen att ni skall anlita assistenten endast när ni behöver hjälp utan låt han/hon gärna förklara det ni känner er osäkra på. Antalet laborationsmoment är medvetet begränsat så att ni i lugn och ro kan utföra alla moment. 1.1 Förkunskaper Läs igenom de relevanta avsnitten i kapitel 3 och 4 i kompendiet i Eleffektsystem. Svar till förberedelseuppgifterna ska lämnas in senast två dagar före laborationen. 2 Transformatorn Vid laborationen används en trefastransformator med omkopplingsbara lindningar. Den grundläggande funktionen hos en transformator förklaras dock bäst med en enkel enfastransformator. I laborationens första del används därför bara ett av transformatorbenen varvid trefastransformatorn kommer att uppträda som en ren enfastransformator. 2.1 Transformatordata Transformatorn som används på laborationen tillverkades ursprungligen för att användas i ett elsystem med 380/220 V. Därför ges märkdata nedan enligt den ursprungliga konstruktionen. Under laborationen har vi dock bara tillgång till 400/230 V varför ni måste ta hänsyn till detta när ni gör ert förarbete och era mätningar. Märkeffekt S n (trefas): 2 kva Frekvens: 50 Hz Primärlindning: 220 V, 3,03 A, 330 varv, 1,9 Ω Två sekundärlindningar för vardera: 70 V, 4,76 A, 105 varv, 0,26 Ω A Fe = 2, m 2 Transformatorns läckreaktans hänförd till sekundärsidan, X k2, är 0,43 Ω.

3 3 3 Enfastransformatorn Uppkopplingen framgår av figur 1. Transformatorn skall vara ansluten till spänningskällan via en trefas skyddsbrytare B1. Denna skall i första hand användas då spänningen snabbt skall brytas. På transformatorns primärsida ansluts fas B till 230 V matningsspänning, låt fas A och C vara oanslutna.. På sekundärsidan seriekopplas de två 70 V lindningarna varvid en 140 V lindning erhålls. För att mäta spänningar med oscilloskopet finns 2 stycken s.k. diffprobar. En diffprobe eller rättare sagt en differentialprobe är en mätenhet som gör att man kan mäta i uppkopplingen utan att oscilloskopet hamnar på potential. OBS! Det är viktigt att oscilloskopets bägge kanaler kopplas för DC-mätning! Vidtag försiktighet vid flytt av diffprobarna mellan de olika mätpunkterna så att Ni inte vidrör någon spänningssatt del. Gör inga omkopplingar i kretsen under spänning! Strömmen mäts på två sätt. För att mäta ett effektivvärde används en s.k. tångamperemeter som sätts runt en av faserna på primär- respektive sekundärsidan. För att kunna studera strömmens utseende används en liknande strömtång men med analog utgång som kan direktanslutas till oscilloskopet. Aktiv effekt mäts med ett visarinstrument som kopplas in för att mäta både spänning och ström för aktuellt objekt. 3.1 Transformatorns omsättning och magnetisering i tomgång Kontrollera att sekundärsidan är obelastad d v s att ingen belastning är ansluten till transformatorn. Kontrollera att effektmetern är inkopplad så att 240 V och 1 A terminalerna används. a) Bestäm spänningsomsättningen mellan fasspänningarnau 1 / U 2. Hur stämmer den med varvtalsomsättningen N 1 /N 2? b) Utnyttja oscilloskopet för att studera fasläget hos U 1 relativt U 2. Kommentar? (Oscilloskopet ska vara DC-kopplat.) c) Studera utseendet hos tomgångsströmmen i 1 med oscilloskopet. Du måste justera oscilloskopets mätområde så att kurvan syns tydligt. Förklara strömmens ickesinusformiga kurvform. d) Diskutera magnetiseringströmmens fysikaliska innebörd med assistenten. Vad bestämmer dess storlek? e) Mät effekten i tomgång, P 0. f) Beräkna magnetiseringsimpedansen R m och X m om primärresistansen R 1 försummas.

4 4 3.2 Kortslutningsprov Kontrollera att matningsspänningen är avslagen. Koppla om uppställningen enligt figur 2. Kortslut sekundärsidans fas b direkt över transformatorn. I det här provet ska effektmeterns 24 V och 5 A terminaler användas. Låt en assistent kontrollera kopplingen. a) Kontrollera att vridtransformatorn är inställd för att ge minimal utspänning (helt moturs). b) Slå till skyddsbrytare B1. Sätt tångamperemetern så att den mäter primärströmmen. Öka nu sakta vridtransformatorns utspänning samtidigt som Ni hela tiden håller koll på strömmens värde. Öka spänningen tills dess att primärströmmen har nått sitt märkvärde. Spänningen kommer att vara cirka 10 V. c) Mät primärspänningen, primärströmmen samt effekten P k. d) Beräkna den primära kortslutningsreaktansen X k1 och den primära kortslutningsresistansen R k1. e) Tag bort kortslutningen på sekundärsidan. 4 Trefastransformatorn Kontrollera att matningsspänningen är avslagen och att kortslutningen är borttagen. Koppla om uppställningen enligt figur 3. Transformatorn är nu kopplad i Yy. Som matningskälla används trefas 400 V (huvudspänning). 4.1 Y-Y koppling med resistiv last Som belastning används en motståndslast som står på golvet. De tre belastningsmotstånden ska vara kopplade i Y. Spänningsomkopplaren på lasten ska stå i läge 380/220V. Koppla den resistiva belastningen till punkterna a 1, b 1, och c 1. a) Slå till matningen och ställ in den resistiva lasten så att sekundärströmmen blir 4A. b) Hur stämmer amperevarvslagen IN 1 1 = IN 2 2? Vad beror eventuella avvikelser på? Är det likadant i alla tre faserna? c) I förberedelsuppgift 5.11 beräknades sekundärspänningen för den rent resistiva lasten. Jämför det uppmätta värdet på sekundärspänningen med det beräknade värdet.

5 5 4.2 Y-Y koppling med induktiv last Belasta transformatorn induktivt genom att i spänningslöst tillstånd ersätta den resistiva lasten med den induktiva i punkterna a 1, b 1, och c 1. Uttagen märkta 220V ska användas. Lastens induktans ändras genom att man vrider på det stora vredet, varigenom ett luftgap i järnkretsen varieras. Om man önskar en liten ström, ska induktansen då ha ett stort eller litet värde? Ska luftgapet vara kort eller långt? Ställ in sekundärströmmen på 3 A och mät sekundärspänningen. Jämför med det beräknade värdet ifrån förberedelseuppgift D-Y koppling vid tomgång Koppla primärlindningen i D i överensstämmelse med förberedelsuppgift Använd figur 4 som underlag. Observera att transformatorn nu skall kopplas till 3 230V. a) Bestäm storlek och fasläge hos primär- och sekundärspänningarna. Redovisa med ett trefasigt visardiagram. Använd fasspänningen U 1 som referens. 5 Förberedelsuppgifter Kom ihåg att matningen under laborationen ger 400 V (hsp), och att det är den spänningsnivån ni ska utgå ifrån i uppgift 11 och Hur definieras effektivvärde och medelvärde (för t.ex. en ström)? 2. I laborationen används diffprobar för att mäta spänning med oscilloskopet. Varför är det olämpligt att använda vanliga probar? (T.ex. när man mäter en huvudspänning.) 3. Kan en wattmeter vara överbelastad trots att den inte visar något utslag? 4. Rita upp transformatorns enfasigt ekvivalenta schema med resistans och reaktans hänförda till sekundärsidan. Försumma magnetiseringsimpedansen. 5. Vilket samband bestämmer förhållandet mellan transformatorns primär- och sekundärspänning? 6. Hur lyder sambandet mellan primär- och sekundärströmmen? Definiera begreppet amperevarvsbalans. 7. Hur lyder effektlagen för en transformator? 8. Ange en formel för sambandet mellan den magnetiska flödestäthetens toppvärde, järnkärnans tvärsnittsarea A Fe, antalet primära lindningsvarv N 1, samt frekvensen, f, vid sinusformad spänning med effektivvärdet U Beräkna transformatorns maximala flödestäthet, ˆ B, vid 230V fasspänning.

6 6 10. Beräkna R k1 och R k 2 vid Yy koppling, ur givna värden på lindningsresistanserna. 11. Beräkna med hjälp av det ekvivalenta schemat och ett visardiagram, transformatorns sekundärspänning vid 4 A sekundärström och rent resistiv belastning. 12. Beräkna med hjälp av det ekvivalenta schemat och ett visardiagram, transformatorns sekundärspänning vid sekundärströmmen 3 A och rent induktiv belastning. Beräkna också lastens reaktans och induktans. 13. Beräkna det relativa resistiva och reaktiva spänningsfallet vid märkström och märkspänning (u r resp. u x ), u R I X I k1 1n k1 1n r = och ux = U1 n U1 n 14. Visa med ett kopplingsschema hur lindningarna skall kopplas hos en Dy kopplad transformator för att den sekundära fasspänningen U a skall komma 30 före U A. Frågor till säkerhetsföreskrifterna 15. Vilken anmälningsskyldighet har du som student? 16. Vad måste man se till vid genomförandet av eller ändringar i befintlig uppkoppling?

7 7 Brytare B1 Enfastransformatorn Tomgång Bänkuttag 3x400/230V AC U Transformator L1 I Wattmeter 1A A1 A2 a4 a3 a2 a1 L2 240V B1 B2 b4 b3 b2 b1 L3 C1 C2 c4 c3 c2 c1 N PE Från vägguttag Figur 1

8 8 Brytare B1 Enfastransformatorn Kortslutningsprov Bänkuttag 3x400/230V AC U Transformator L1 I L1 Vridtrafo UT Wattmeter 5A A1 A2 a4 a3 a2 a1 L2 N 24V B1 B2 b4 b3 b2 b1 L3 C1 C2 c4 c3 c2 c1 N PE Från vägguttag Figur 2

9 9 Brytare B1 Bänkuttag 3x400/230V AC L1 L2 L3 N PE Trefastransformatorn Yy-koppling med resistiv eller induktiv last Transformator A1 A2 a4 a3 a2 a1 B1 B2 b4 b3 b2 b1 C1 C2 c4 c3 c2 c1 Y y Resistiv last R S T "380/220V" Induktiv last U2 V2 W2 "220V" Från vägguttag Figur 3

10 10 OBS!!! Brytare B1 Trefastransformatorn Dy-koppling Koppla så att U a ligger 30 före U A Bänkuttag 3x230/133V AC Transformator L1 A1 A2 a4 a3 a2 a1 L2 B1 B2 b4 b3 b2 b1 L3 C1 C2 c4 c3 c2 c1 N D y PE Från vägguttag Figur 4