měření na transformátorech

Elektrotechnické mìøení (1)
JAN BOCEK, OK2BNG (jan.bocek(vitkovice.cz)
ING. TOMÁŠ KLIMÈÍK, SWL (tomas.klimcik(vitkovice.cz)
Následující text pøedstavuje jakýsi pokus o první èláneèek malého cyklu volnì navazujícího na pøedchozí seriál „MÌØENÍ OD A DO Z“. Mìl by být zamìøen na praktická elektrotechnická mìøení, která mohou být radioamatérovi nìjakým zpùsobem užiteèná. Z tohoto
zámìru pak vychází i jeho forma blízká školnímu protokolu. Je zvolena zámìrnì a zištnì autoøi jsou pøesvìdèeni o nezbytnosti disciplíny v oblasti mìøení, protože jen tak se dá zajistit, že i po èase (a to pomìrnì krátkém) nám výsledky k nìèemu budou, a že si nebudeme muset vzpomínat, na který útržek papíru jsme si jaký údaj poznaèili a zda je to vùbec on.
Budeme se snažit dodržovat i standardní klišé tìchto protokolù spoèívající z tvrdošíjnì se
opakujících víceménì nemìnných èástí jako:
- hlavièka
- cíl mìøení
- schéma zapojení
- použité pøístroje
- postup mìøení
- tabulky namìøených a vypoètených hodnot
- vzorce a pøíklad výpoètu, grafy
- závìr, vyhodnocení mìøení a diskuse
Od laskavého ètenáøe se oèekává, že tuto
strohou osnovu tvùrèím zpùsobem obohatí o své
režijní poznámky rychleji ho smìøující k cíli, a že
ve vlastním zájmu (když už to dalo takovou
práci) si vyøeší archivaci svých konkrétních protokolù. Budiž nám toto „školometství“ odpuštìno. Na svoji obhajobu mùžeme pouze citovat
jistého vojevùdce: „Tìžko na cvièišti - lehko na
bojišti“.
Na závìr bychom rádi prohlásili, že veškeré
uvádìné hodnoty byly skuteènì namìøeny na
reálných elektrických pøedmìtech.
Postup:
Vycházíme ze schématu zapojení na obr. 1.
Postupnì zvyšujeme napìtí U1 (napø. po 25 %
jmenovité hodnoty) a odeèítáme údaje zbývajících voltmetrù. Pro každé mìøení vypoèteme
velikost pøevodových èísel p1 a p2. Vše zapisujeme do tabulky 1, pøièemž si dùslednì zvykáme
uvádìt velikost výchylky α v dílcích, konstantu
pøístroje pro právì používaný rozsah, a pak
teprve velikost namìøené velièiny v pøíslušných
jednotkách.
Výpoèty pøevodù transformátoru
(pøíklad z prvního øádku tabulky):
p1 =
U2
5,8
=
= 0,11
U1
55
p2 =
U3 28,5
=
= 0,52
U1
55
atd.
Cíl mìøení:
Zjistit veškeré hodnoty které nám pomohou
ovìøit použití transformátoru pro konkrétní úèel,
tj. výstupní napìtí, výkon, pøípustné proudové
zatížení, ztráty, teplotu a impedanci.
Závìr:
Pøevodové èíslo transformátoru vyjadøuje
velikost transformace sekundárního napìtí vùèi
primárnímu a je pro každé vinutí vùèi primáru
konstantní. Pokud se objeví odchylky, lze je
pøièíst na vrub nepøesnému odeètu hodnot pøi
mìøení napìtí. V našem pøípadì je odchylka
opravdu minimální.
Protože pøevodové èíslo vyjadøuje zároveò
i pomìr poètu závitù pøíslušných vinutí, dá se
použít napø. k ovìøení velikosti výstupního
napìtí pøi zmìnì síového napìtí (napø. rozdíl
mezi napájením 210 V a 235 V), pomùže nám
pøi úpravì sekundáru odvinutím nebo pøivinutím závitù pro dosažení požadovaného napìtí
pro stabilizátor nebo pøi identifikaci neznámého
trafa.
Z výše uvedeného též vyplývá, že místo
regulaèního trafa na jmenovité napìtí mìøeného transformátoru mùžeme použít i zdroj malého støídavého napìtí, napø. 1 - 3 V.
1. Mìøení napìtí pro výpoèet pøevodu
transformátoru
2. Mìøení transformátoru naprázdno
a výpoèet ztrát
Mìøení na transformátoru
Mìøil: Jan Bocek
Datum: 20.1.2000
Èásti:
1. Mìøení napìtí pro výpoèet pøevodu transformátoru
2. Mìøení naprázdno a výpoèet ztrát
3. Mìøení pøi zatížení, výpoèet výkonu a kontrola oteplení
4. Mìøení nakrátko a urèení impedance transformátoru
L1
220 V
PEN
1
T1
3
TR
V1
2
Fi-metr
3
V2
4
4
V3
2
A1
L1
220 V
5
Výpoèty:
Výkon primárního vinutí naprázdno:
P1 = U1 x I1 x cosϕ0
P1 = 245 x 0,085 x 0,38 = 7,91 W
Ztráty v mìdi primárního vinutí:
PCu = R1 x I12
PCu = 20 x 0,0852 = 0,14 W
Ztráty v železe:
PFe = P1 - PCu
PFe = 7,91 - 0,14 = 7,77 W
Závìr:
Mìøením transformátoru jsme zjistili ztráty
naprázdno, které se skládají ze ztrát v primárním vinutí naprázdno a ze ztrát v železe. Z výsledkù je patrné, že pøevažují ztráty v železe.
Protože ve stavu naprázdno teèe vinutím pouze
nepatrný proud, dají se celkové ztráty transformátoru naprázdno s urèitou dávkou nepøesnosti pokládat za ztráty v železe.
Výsledky našeho mìøení by se daly ještì
zpøesnit odeètením ztrát v odporech cívek mìøicích pøístrojù (fázomìr a voltmetr).
Mìøení trafa naprázdno je dùležité pro
ovìøení správné funkce magnetického obvodu.
U bìžných transformátorù bývají ztráty v železe
v rozsahu cca 4 - 11 %, u velmi dobrých, napø.
toroidních, i pouze 1 - 1,5 %. Proto, jsou-li ztráty
vìtší než 20 % jmenovitého pøíkonu, jedná se
o chybu (nejèastìji špatnì poskládané plechy,
vzduchová mezera v C-jádru èi magnetický
zkrat).
3. Mìøení pøi zatížení, výpoèet výkonu
a kontrola oteplení
TR 3
A2
W
A1
L1
220 V
1
V2
R
4
V1
5
PEN
2
6
Obr. 3 - Zapojení pøi mìøení trafa pøi zatížení
T2
1
Postup:
Vše zapojíme podle obr. 2 - sekundární
vinutí zùstává otevøené. Napìtí U1 by mìlo být
co nejblíže jmenovitému napìtí trafa. Odpor
primárního vinutí R1 je zmìøen ohmmetrem,
cosϕ je odeèten na fázomìru. Všechny namìøené a vypoètené hodnoty jsou zaznamenány
v tabulce 2.
PEN
3
1
4
5
V1
2
6
6
Obr. 1 - Zapojení transformátoru pro mìøení pøevodového
èísla.
Obr. 2 - Zapojení pro mìøení transformátoru naprázdno
Použité pøístroje:
T1
regulaèní trafo 0 - 250 V, 2,5 A, 950 VA
T2
mìøené trafo 100 VA, primár 230 V
1. sekundár 115 V / 0,4 A
2. sekundár 24 V / 2 A
V1, 2, 3 voltmetry typu MUL do 600 V stø.
Použité pøístroje:
Fi-metr fázomìr 220 V / 5 A
U1
DU10
A1
DU10
TR
trafo 100 VA, 220 V / 0,45 A; 24 V / 4 A
ohmetr PU510
Použité pøístroje:
V1, A1, A2 DU10
V2
MUL
W
MUL
R
44 Ω / 2,5 A
T
230 V / 2x24 V / 2 A, 100 VA
Postup:
Vycházíme ze schématu na obr. 3. Døíve
než zaèneme, zmìøíme odpor sekundárního
vinutí za studena, tj. cca pøi teplotì 20°C. Pomocí regulaèního zatìžovacího odporu R pak
v sekundáru skokovì zvyšujeme zatížení trafa
(tj. proudu I2) a odeèítáme hodnoty ostatních
mìøicích pøístrojù. Trafo zámìrnì pøetížíme
o 25 %, necháme ho takto bìžet hodinu, a pak
opìt zmìøíme odpor sekundárního vinutí a povrchovou teplotu trafa, což nám poslouží ke
zjištìní jeho vnitøní teploty. Údaje jsou v tabulce 3.
Výpoèty:
Zdánlivý výkon (pøíklad výpoètu pro I2 = 2 A):
S = U1 x I1
S = 245 x 0,26 = 63,7 VA
Úèiník:
P
cosϕ =
S
58
cosϕ =
= 0,91
63,7
Kontrola vnitøního oteplení transformátoru:
Bylo namìøeno:
- teplota povrchu za studena t1 = 20
- odpor sekundáru za studena R20 = 0,58 Ω
- teplota povrchu na konci zkoušky t2 = 40
- odpor sekundáru na konci zkoušky (za tepla)
R40 = 0,72 Ω
Z tabulek:
- teplotní souèinitel elektrického odporu pro
mìdìné vinutí α = 3,9 x 10-3 x K-1
Použité pøístroje:
T1
regulaèní trafo 0 - 250 V, 2,5 A,
950 VA
T2
mìøené trafo 50 VA, 220 V / 0,2 A,
24 V / 2 A
U1, A1, A2 mìøicí pøístroje typu DU10
Postup:
Transformátor T2 zapojíme podle obr. 4.
Regulaèním trafem T1 zvyšujeme napìtí až do
okamžiku, kdy proudy I1 a I2 nabudou svých
jmenovitých hodnot. Poté odeèteme a zaznamenáme velikost napìtí U1, které se nazývá
napìtím nakrátko (tabulka 4). Èasto se používá
ve tvaru pomìru ke jmenovitému napìtí vyjádøeného v procentech a oznaèuje se jako ek
(nìkdy též u1k).
Výpoèty:
Procentní napìtí nakrátko:
ek = Uk
Un
Vlastní výpoèet:
ek =
R40 - R20
tint = R20 x α + t1
tint =
Vnitøní teplota trafa pøetíženého o 25 % je okolo
80°C.
Závìr:
Popisované mìøení se dá použít k ovìøení
stability trafa pøi plném zatížení. Pod pojmem
stabilita rozumíme dobrou úèinnost a dlouhodobou tepelnou odolnost trafa.
Úèinnost v % se dá z námi namìøených
hodnot snadno vypoèítat jako pomìr výkonu ku
pøíkonu násobený 100, pøièemž výkon je pøíkon
snížený o ztráty. Protože ztráty se skládají ze
ztrát v železe, které jsou pøi stabilním napájecím napìtí konstantní, a ze ztrát v mìdi, které
jsou závislé na zatížení trafa, bude se se zatížením mìnit i úèinnost.
Nejjednodušším zpùsobem kontroly teploty
trafa je tzv. „palcová zkouška“ - pokud po hodinì provozu udržíme svùj palec pevnì pøitlaèený
ke trafu po dobu 1 minuty, je to s teplotou stroje
v poøádku. Pøesnìjší je ale ovìøit vnitøní teplotu
vinutí výpoètem, jak uvádíme výše. Pokud vychází vyšší než 80°C, je tøeba snížit jmenovité
zatížení.
PEN
T1
1
A1
3
= 11,6 %
I1zkr =
100 x I1
ek
I1zkr =
100 x 0,245
= 2,11 A
11,6
I2zkr =
100 x I2
ek
I2zkr =
100 x 2
= 17,25 A
11,6
Zk =
U1
I1
Zk =
25,5
= 104 Ω
0,245
Zn =
100 x Zk
ek
Zn =
100 x 104
= 896,6 Ω
11,6
Závìr:
Z mìøení transformátoru nakrátko a následných výpoètù vyplývá užiteènost tajuplného ek
(nebo též u1k). Toto èíslo umožòuje velice
snadno získat hodnoty zkratových proudù trafa
(dùležité pøi návrhu jištìní) a velikosti impedancí, které nás zajímají napøíklad pøi paralelním
spojení transformátorù (zátìž se rozdìluje
v pomìru impedancí).
Další použitelnou oblastí jsou ztráty nakrátko. Z fyzikální podstaty transformátoru vychází,
že jsou tvoøeny zejména ztrátami v mìdi, v pomìru ke kterým jsou ztráty nakrátko v železe
zanedbatelné.
Shrnutí poznatkù z mìøení è. 1
Cílem mìøení bylo ovìøit si postup získání
nejzákladnìjších informací o transformátoru
potøebných pro radioamatéra: pøevod, výkon,
ztráty a oteplení, impedanci. Dobré je uvìdomit
si fyzikální podstatu transformátoru. Z ní pak
vyjde, pøi jakém režimu lze ty, èi ony informace
získat.
Demonstrovaná mìøení jsou úmyslnì zjednodušena na svoji „ještì fungující“ podstatu,
protože radioamatérovi jde v drtivé vìtšinì
pøípadù o vìrohodné informace, ne o exaktní
laboratorní hodnoty. Proto napøíklad nejsou
provádìny korekce spotøeby použitých pøístrojù
a uvádìny pøesnosti mìøení.
Tabulka 1 - Namìøené hodnoty napìtí a vypoètené pøevody transformátoru
% U1
25
50
75
100
α
U1
k
[V]
α
U2
k
[V]
α
U3
k
[V]
55
110
82
110
1
1
2
2
55
110
164
220
29
60
90
47
0,2
0,2
0,2
0,5
5,8
12,0
18,0
23,5
57
57
85
113
0,5
1,0
1,0
1,0
28,5
57
85
113
p1
p2
0,11
0,11
0,11
0,11
0,52
0,52
0,52
0,51
Tabulka 2 - Hodnoty namìøené a vypoètené na transformátoru naprázdno
3
1
A2
α
U1
k
[V]
α
I1
k
[mA]
R1
[Ω]
cosϕ 0
P1
[W]
PCu
[W]
PFe
[W]
49
5
245
17
5
85
20
0,38
7,91
0,14
7,77
4
V1
5
4
2
x 100
Impedance transformátoru pøi zkratu:
4. Mìøení nakrátko a urèení impedance
transformátoru
L1
220 V
25,5
220
100
Zkratové proudy pøi jmenovitém napìtí:
0,72 - 0,58
+ 20 = 81,8°C
0,58 x 3,9 x 10-3
T2
x
Jmenovitá impedance transformátoru (tj. pøi
jmenovitém napájecím napìtí a proudu):
Tabulka 4 - Namìøené a vypoètené hodnoty pøi mìøení nakrátko
2
α
U1
k
[V]
α
I1
k
[mA]
α
I2
k
[A]
ek
[%]
I1zkr
[A]
I2zkr
[A]
25,5
1
25,5
49
5
245
20
0,1
2
11,6
2,11
17,25
6
Obr. 4 - Schéma zapojení transformátoru pøi mìøení
nakrátko
Tabulka 3 - Namìøené a vypoètené hodnoty pøi zatížení trafa
α
U1
k
[V]
α
I1
k
[mA]
α
U2
k
[V]
α
I2
k
[mA]
α
P
k
[W]
S
[VA]
cosϕ
49
49
49
49
49
5
5
5
5
5
245
245
245
245
245
24
32
43
52
64
5
5
5
5
5
120
160
215
260
320
53
52
51
50
49
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
26,5
26,0
25,5
25,0
24,5
29
10
15
20
25
20
100
100
100
100
580
1000
1500
2000
2500
11
17
23
29
36
2
2
2
2
2
22
34
46
58
72
29,4
39,2
52,7
63,7
78,4
0,75
0,87
0,87
0,91
0,92