TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 2 - Trefassystem och transformatorn

Relevanta dokument
Elektriska drivsystem Föreläsning 2 - Transformatorer

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

Fö 3 - TMEI01 Elkraftteknik Enfastransformatorn

LNB727, Transformatorn. Jimmy Ehnberg, Examinator Avd. för Elkraftteknik Inst. för Elektroteknik

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

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 7 - Synkronmaskinen

Strömförsörjning. Transformatorns arbetssätt

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 9 - Induktions/Asynkron-maskinen

Transformatorns princip. Transformatorns arbetssätt. Styrteknik ETB Transformatorn

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Industriell Elektroteknik och Automation

Växelström och reaktans

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Kapitel: 31 Växelström Beskrivning av växelström och växelspänning Phasor-diagram metoden Likriktning av växelström

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 4 - Grundläggande principer för elmaskiner

1 Grundläggande Ellära

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

TSFS11 - Energitekniska system Kompletterande lektionsuppgifter

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Elektronik 2017 EITA35

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Fö 8 - TMEI01 Elkraftteknik Kraftelektronik

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

Fö 12 - TSFS11 Energitekniska System Lik- och Växelriktning

Fö 6 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

Elektriska drivsystem Föreläsning 3 - Elektromekaniska omvandlingsprinciper

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM. ENTR: En- och trefastransformatorn

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

Lösningsförslag/facit Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 19 aug, 2011, kl

lindningarna som uppsida (högspänningssida) resp. nedsida N 1 varv medan den sekundära lindningen har N 2

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Växelström i frekvensdomän [5.2]

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

Växelström. Emma Björk

Lösningsförslag/facit till Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 5 mars, 2012, kl

Lösningsförslag/facit till Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 11 mars, 2013, kl

Växelström i frekvensdomän [5.2]

Trefastransformatorn

a) Beräkna spänningen i mottagaränden om effektuttaget ökar 50% vid oförändrad effektfaktor.

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Tentamen i Elkraftteknik 3p

Elektriska drivsystem Föreläsning 4 - Introduktion av roterande maskiner

Elenergiteknik. Laborationshandledning Laboration 1: Trefassystemet och Trefastransformatorn

IDE-sektionen. Laboration 6 Växelströmsmätningar

ELLÄRA Laboration 4. Växelströmslära. Seriekrets med resistor, spole och kondensator

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

Laborationsrapport. Elkraftteknik 2 ver 2.4. Mätningar på 3-fas krafttransformator. Laborationens namn. Kommentarer. Utförd den. Godkänd den.

Fö 5 - TSFS11 Energitekniska system Trefastransformatorn Elektrisk kraftöverföring

Tentamen del 1 Elinstallation, begränsad behörighet ET

4. Elektromagnetisk svängningskrets

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Elektriska drivsystem Föreläsning 9 - Induktions/Asynkron-maskinen

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Tentamen i Elkraftteknik för Y

10. Kretsar med långsamt varierande ström

FORDONSSYSTEM/ISY LABORATION 1. Trefastransformatorn. (Ifylls med kulspetspenna ) LABORANT: PERSONNR: DATUM: GODKÄND: (Assistentsign)

Elektroteknikens grunder Laboration 1

10. Kretsar med långsamt varierande ström

ELMASKINLÄRA ÖVNINGSUPPGIFTER

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

Trefastransformatorn

Fö 8 - TMEI01 Elkraftteknik Kraftelektronik

insignal H = V ut V in

~ växelström. växelström 1. Heureka B Natur och Kultur

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 5 - Likströmsmaskinen

Tentamen i Elektronik, ESS010, den 15 december 2005 klockan 8:00 13:00

Laborationsrapport. Kurs Elinstallation, begränsad behörighet ET1013. Lab nr 4 ver 1.5. Laborationens namn Trefas växelström. Kommentarer.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Introduktion till fordonselektronik ET054G. Föreläsning 3

Linköpings tekniska högskola, ISY, Fordonssystem. Lektionskompendium Elektriska drivsystem TSFS04


10. Kretsar med långsamt varierande ström

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Genom att kombinera ekvationer (1) och (3) fås ett samband mellan strömmens och spänningens amplitud (eller effektivvärden) C, (4)

LABORATION 2 MAGNETISKA FÄLT

Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

Examensarbete. Utredning av övertoners effekter på transformatorer. Elektroteknik 15 hp. Elektroingenjör 180 hp

Rättningstiden är i normalfall 15 arbetsdagar, till detta tillkommer upp till 5 arbetsdagar för administration.

Kraftledningar och elnät. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Tentamen på elläradelen i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Tentamen ellära 92FY21 och 27

40 V 10 A. 5. a/ Beräkna spänningen över klämmorna AB! µu är en beroende spänningskälla. U får inte ingå i svaret.

Elektriska drivsystem Föreläsning 10 - Styrning av asynkornmotorn

Tentamen på elläradelen i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Komplexa tal. j 2 = 1

Transkript:

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 2 - Trefassystem och transformatorn Andreas Thomasson Institutionen för systemteknik Linköpings universitet andreas.thomasson@liu.se 2018-01-17 1 / 31

Dagens föreläsning Använda kunskapen om magnetiska kretsar till att analysera transformatorer. 1. Repetition av växelströmslära 2. Trefassystem 3. Introduktion av transformatorn 4. Modellering av ideal transformator 5. Modellering av transformatorförluster 6. Förlusteffekter 7. Verkningsgrad 2 / 31

Repetition av växelströmslära 3 / 31

Effektivvärde Effektivvärdet (kvadratiska medelvärdet, rms) av en periodisk signal x(t) med periodtid T definieras som 1 T X rms = x T 2 (t)dt För en sinusformad signal blir effektivvärdet: 1 X rms = 2π 2π 0 x(t) = X peak sin(ωt) X 2 peak sin2 (ωt)dωt = 0 1 2 X 2 peak = X peak 2 Effektivvärdet anger storleken på en växel-spänning/ström om inte annat sägs. 4 / 31

Momentan effekt Betrakta i(t) = 2I rms sin(ωt) v(t) = 2V rms sin(ωt + θ) = 2V rms (cos(θ) sin(ωt) + sin(θ) cos(ωt)) Den momentana effekten är p(t) = v(t)i(t) = 2V rms I rms (cos(θ) sin 2 (ωt) + sin(θ) sin(ωt) cos(ωt)) = = V rms I rms cos(θ)(1 cos(2ωt)) + V }{{} rms I rms sin(θ) sin(2ωt) }{{} momentan aktiv effekt momentan reaktiv effekt 1 0.8 spänning ström momentan effekt 1 0.8 momentan effekt momentan aktiv effekt momentan reaktiv effekt medeleffekt 0.6 0.4 0.6 0.2 0.4 0 0.2 0.2 0.4 0 0.6 0.2 0.8 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 5 / 31

Växelströmseffekter p(t) = V rms I rms cos(θ)(1 cos(2ωt)) + V }{{} rms I rms sin(θ) sin(2ωt) }{{} momentan aktiv effekt momentan reaktiv effekt Medeleffekten kallas för aktiva effekt och är P = V rms I rms cos(θ) där cos(θ) kallas för effektfaktor. [W] Amplituden av den momentana reaktiva effekten kallas för reaktiv effekt och är Q = V rms I rms sin(θ) [VA] Skenbar effekt definieras som S = V rms I rms [VA] och det gäller att S 2 = P 2 + Q 2. θ S P Q 6 / 31

Trefassystem 7 / 31

Introduktion av transformatorer 8 / 31

Exempel på transformatorers användningsområden Viktig AC-komponent, transformerar spänningen i kraftnät för att optimera generering, överföring, distribution. högspänningsledningar: 400 kva regionnät: 20-130 kv hushållsel: 400 V Lågspänningselektronik Bryta likström, men överföra växelström 9 / 31

Transformatorns uppbyggnad och konstruktion Transformator med 2 lindningar på en magnetisk krets. Primary winding N P turns Primary current + Primary voltage V P I P Magnetic Flux, Φ Transformer Core Secondary winding N S turns Secondary I current S + Secondary voltage V S magnetisk krets konstruerad för att minimera förlusterna laminerad kärna med goda magnetiska egenskaper och tätt packade lindningar primär, sekundärlindning, hög/lågspänningssidan, upp/nedsidan Nedsänkt i transformatorolja, leder ut värme och elektriskt isolerande. 10 / 31

Modellering av transformatorn Vi kommer bygga en modell av en transformator genom att 1. modellera en ideal förlustfri transformator 2. modellera förlusterna med kretselement kopplade till den ideala transformatorn 11 / 31

Modellering av ideal transformator 12 / 31

Ideal transformator - antaganden Antaganden inga järnförluster oändlig permeabilitet inga läckflöden lindningarna förlustfria (resistansfria). Punkterna markerar terminaler av motsvarande polaritet, dvs matas lindningarna med ström in i punkterna samverkar de resulterande mmk:erna. 13 / 31

Ideal transformator N 1 N 2 = w är omsättningstalet. Spänningstransformering ges av induktionslagen: dϕ dϕ v 1 = e 1 = N 1 v 2 = e 2 = N 2 v 1 = N 1 dt dt v 2 N 2 Strömtransformering ges av magnetisk KVL: Effektsamband: N 1 i 1 N 2 i 2 = 0 i 1 i 2 = N 2 N 1 p 1 = v 1 i 1 = v 2 i 2 = p 2 All energilagringsförmåga har försummats. 14 / 31

Impedanstransformering Enligt tidigare: ˆV 1 = N 1 N 2 ˆV 2 Î 1 = N 2 N 1 Î 2 ˆV 2 = Î 2 Z 2 Inverkan av lasten på primärsidan: Z 2 = ˆV 1 Î 1 = ( N1 N 2 ) 2 ˆV2 Î 2 = ( N1 N 2 ) 2 Z 2 Detta innebär att kretsarna ovan är ekvivalenta sett från primärsidan. 15 / 31

Ideal transformator - exempel Uppgift: Teckna Î 1 och Î 2 givet ˆV 1, w = N 1 /N 2 och Z 2. Lösning: Beräkna ekvivalent impedans ( ) 2 Z 2 N1 = Z 2 = w 2 Z 2 Strömmen Î1 blir N 2 Î 1 = ˆV 1 w 2 Z 2 Överför strömmen till sekundärsidan: Î 2 = N 1 N 2 Î 1 = wî 1 = ˆV 1 wz 2 16 / 31

Modellering av transformatorförluster 17 / 31

Typer av transformatorförluster Nu ska vi till den ideala transformatorn lägga till följande förluster: resistiva förluster i spolarna järnförluster läckflöden Resultatet kommer bli en modell med 8 parametrar som beskriver en transformator. 18 / 31

Läckflöden Flödena kan delas in i ömsesidigt flöde, huvudflöde läckflöden som bara genomlöper en av spolarna. Läckflöden går genom luft och kan därför modelleras som en induktans eller motsvarande reaktans: X l1 = 2πfL l1 19 / 31

Utvecklingen av en transformatormodell steg för steg Primär/sekundärsidan: ˆV i - spänning Î i - ström N i - varv R i - lindningsresistans X li - läckreaktans Ê i - inducerad spänning Primärsidan: Î ϕ - tomgångsström Î c - ström till järnförluster R c - magnetiseringsresistansen Î m - magnetiserande ström X m - magnetiseringsreaktansen Î 2 - ström som driver last. I fig. (d) är alla storheter relaterade till primärsidan. 20 / 31

Modelleringsexempel Uppgift: En 50kVA 2400:240V 60Hz transformator har läckimpedans 0.72 + j0.92ω på högspänningssidan och 0.007 + j0.009ω på lågspänningssidan. Vid märkspänning och märkfrekvens, är impedansen i shuntgrenen Z ϕ = 6.32 + j43.7ω refererad till lågspänningssidan. Modellera transformatorn med ekvivalenta kretsar både refererade till hög- resp. låg-spänningssidan. 21 / 31

Modelleringsexempel Lösning: 2400:240V w = N 1 /N 2 = 10. ( ) 2 Använd Z H = N1 Z L N 2 = w 2. hög Z H l 1 = 0.72 + j0.92ω låg Z L l 2 = 0.007 + j0.009ω Z L ϕ = 6.32 + j43.7ω Generellt gäller att Zl H 1 vid approximationer. Z H l 2 och Z H l 1 << Z H ϕ. Detta utnyttjas 22 / 31

Förlusteffekter 23 / 31

Förlusteffekter Förlusteffekterna delas in i Resistiva förluster i lindningarna P winding Järnförluster P core Nu skall vi se hur dessa förluster kan uppskattas via standardmässiga mätningar. 24 / 31

Kortslutningsprov Märkström på primärsidan (ofta uppsidan), kortsluten sekundärsida. Mätsignaler: kortslutningsspänning V sc, ström I sc, aktiv effekt P sc i primärkretsen. Belastningsförlusterna består mest av resistiva förluster i lindningar P winding, dvs P sc P winding R eq I 2 sc 25 / 31

Tomgångsprov Märkspänning på primärsidan (ofta nedsidan), öppen sekundärsida. Mätsignaler: tomgångsspänning V oc, ström I oc, aktiv effekt P oc i primärkretsen. Tomgångsförlusterna består mest av järnförluster P core, dvs P oc P core = V 2 oc R c 26 / 31

Verkningsgrad 27 / 31

Verkningsgrad Verkningsgraden: η = P output P input Verkningsgraden ökar i regel med storlek, från ca 50% i elektronik till 99% i MVA-krafttransformatorer. Förlusterna kan delas upp i lindningsförluster P winding och magnetiseringsförluster P core enligt: där P input = P output + P loss P loss = P winding + P core P winding = R eq,h I 2 H P core = V 2 H R c,h Index H betyder att alla värdena är refererade till högspänningssidan. 28 / 31

Verkningsgradsbestämning Givet: 50 kva 2400:240V transformator med effektfaktor 0.8. Prov 1: P sc = 617W, Vsc H = 48V, Isc H = 20.8A. Prov 2: P oc = 186W, Voc L = 240V, Ioc L = 5.41A. Uppgift: Beräkna verkningsgraden ν. Lösning: Observera att prov 1 gjorts med märkströmen och prov 2 med märkspänningen. Detta ger att P output η = P output = P input P output + P loss P output = (VI ) H cos θ = 50 0.8 = 40kW P loss = P winding + P core = P sc + P oc = 803W ν = 40 40.803 = 98.0% 29 / 31

Att ta med sig från föreläsningen Modellerat transformatorn som en ideal förlustfri transformator kopplade till impedanser som modellerar transformatorns förluster. Impedanserna modellerar läckflöde, resistiva förluster, magnetisering och järnförluster. Prover för att mäta förluster (och parameterisera modellerna). Prestanda i form av verkningsgrad. 30 / 31

Jämförelse mellan transformatorer och maskiner Likheter Magnetiskt kopplade lindningar. Likartade förluster. Liknande prover för att bestämma maskinparametrar. Skillnader Ömsesidiga flödet genom luftgap. Den mekaniska rörelsen leder till tidsvariationer i det ömsesidiga flödet som inducerade spänningar. Detta är grunden för elektromekanisk energiomvandling. 31 / 31