Lab grundläggande begrepp

1
EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM
PM för laboration
ENTR: En- och trefastransformatorn
Labbassistenter:
Arash Risseh risseh@kth.se
Simon Nee snee@kth.se
Anders Hagnestål hagnes@kth.se
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 utan "kvart". Svar till förberedelseuppgifterna skall lämnas i kursens
brevlåda på Teknikringen 33, senast två (2) arbetsdagar före laborationstillfället.
Laborantens namnteckning: __________________________________
Laborationen godkänd:
Datum
2015-10-28
_______
Signatur
_______
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 växelspännings-magnetisering 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 assistenten gärna förklara det ni känner er osäkra på.
Antalet laborationsmoment är medvetet begränsat så att ni i lugn och ro kan utföra alla
moment.
Kom alltid ihåg att när man vill bryta en elektriskkrets under normala förhållanden ska
man se till att först minska strömmen genom kretsen till lägsta möjliga nivån med hjälp
av de reglagen som finns i kretsen. Dessa kan vara mekaniskta eller knappar i en
mjukvara som justerar strömmen men dra aldrig ut några kablar för att minska
strömmen!
1.1 Förkunskaper
Läs igenom de relevanta avsnitten i kapitel 2, 3 och 4 i kompendiet i Eleffektsystem.
Svar till förberedelseuppgifterna ska lämnas in senast två arbetsdagar före laborationen.
Studenter som inte lämnar in förberedelseuppgifterna i tid kommer inte att få delta i
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: Sn (trefas): 2 kVA
Frekvens: 50 Hz
Primärlindning per fas: 220 V, 3,03 A, 330 varv, 1,9 Ω
Två sekundärlindningar för vardera: 70 V, 4,76 A, 105 varv, 0,26 Ω
AFe = 2,59·10-3 m2
Transformatorns läckreaktans hänförd till sekundärsidan, Xk2 , är 0,43 Ω .
2015-10-28
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 (märkt 220V) till 230 V (märkt 400/230V
AC) 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. differentialprobe vilken
är en isolerad mätenhet som gör att man kan mäta i potentialskillnader mellan två
punkter utan att oscilloskopet hamnar på potential dvs. inga strömmar från kretsen
flyter till oscilloskopets jord. OBS! Det är viktigt att oscilloskopets bägge kanaler
kopplas för DC-mätning! Detta för att kunna mäta både DC-och AC-komponenter.
Vidta 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.
Effekt mäts med ett digitalt instrument (effektmätaren) som kopplas in för att mäta både
spänning och ström för aktuellt objekt.
3.1 Transformatorns omsättning och magnetisering i tomgång
Kontrollera att sekundärsidan inte är kopplad till någon last!
a) Bestäm spänningsomsättningen mellan fasspänningarna, U1 / U 2 . Hur stämmer den
med varvtalsomsättningen, N1/N2?
b) Utnyttja oscilloskopet för att studera fasläget hos U1 relativt U 2 . Kommentar?
c) Studera utseendet hos tomgångsströmmen i1 med effektmätaren. Förklara strömmens
icke-sinusformiga kurvform.
d) Diskutera magnetiseringströmmens fysikaliska innebörd med assistenten. Vad
bestämmer dess storlek?
e) Mät effekten i tomgång, P0 .
f) Beräkna magnetiseringsimpedansen
försummas.
2015-10-28
Rm
och
Xm
om primärresistansen
R1
4
3.2 Kortslutningsprov
Kontrollera att matningsspänningen är avslagen.
Koppla om uppställningen enligt figur 2. Kortslut sekundärsidans fas b direkt över
transformatorn.
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 då att vara cirka 10 V.
c) Mät primärspänningen, primärströmmen samt effekten Pk .
d) Beräkna
den
primära
kortslutningsreaktansen
X k1
och
den
primära
kortslutningsresistansen Rk1 .
e) Nu ska strömmen minskas till sitt minsta värde med hjälp av reglaget innan man slår
av spänningen.
f) 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. Koppla den resistiva belastningen till punkterna a1, b1,
och c1. Innan man slår till matningen ska man se till att resistansen hos lasten står på
högst! Observera att det kommer att utvecklas en hög effekt i lasten under detta
moment. Det kan vara en bra ide att minska strömmen först och slå av kretsen när man
är klar med mätningarna och diskutera efteråt. Det går att slå på igen om man har missat
någon mätning.
a) Slå till matningen och ställ in den resistiva lasten så att sekundärströmmen blir
4A/fas.
b) Hur stämmer amperevarvslagen I1 N1 = I 2 N 2 ? Vad beror eventuella avvikelser på?
Är det likadant i alla tre faserna?
2015-10-28
5
c) I förberedelsuppgift 5.11 beräknades sekundärspänningen för den rent resistiva
lasten. Jämför det uppmätta värdet på sekundärspänningen med det beräknade
värdet.
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 a1, b1, och c1. Uttagen märkta ”220V” på den
induktiva lasten 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 5.12.
4.3 D-Y koppling vid tomgång
Koppla primärlindningen i D i överensstämmelse med förberedelsuppgift 5.14. 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 U1 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 12.
1. 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. I denna labb används en avancerad digital effektmätare. Kan en enklare effektmätare
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 ideal transformator?
2015-10-28
6
8. Ange en formel för sambandet mellan den magnetiska flödestäthetens toppvärde,
järnkärnans tvärsnittsarea AFe, antalet primära lindningsvarv N1, samt frekvensen, f,
vid sinusformad spänning med effektivvärdet U1.
9. Beräkna transformatorns maximala flödestäthet, Bˆ , vid 230V fasspänning.
10. Beräkna Rk1 och Rk 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 (ur resp. ux),
ur =
Rk1 I1n
X I
och u x = k1 1n
U1n
U1n
14. Visa med ett kopplingsschema hur lindningarna skall kopplas hos en Dy kopplad
transformator för att den sekundära fasspänningen Ua skall komma 30 ˚ före UA.
Frågor till säkerhetsföreskrifterna
15. Vilken anmälningsskyldighet har du som student?
16. Vad måste man se till vid genomförandet av eller ändringar i befintlig uppkoppling?
2015-10-28
7
Figur 1
2015-10-28
8
Figur 2
2015-10-28
2015-10-28
Figur 3
PE
N
L3
L2
L1
Bänkuttag
3x400/230V AC
Brytare
B1
C1
B1
A1
Y
C2
B2
A2
c4
b4
a4
Transformator
c3
b3
a3
y
c2
b2
a2
c1
b1
a1
Yy-koppling med resistiv eller induktiv last
Trefastransformatorn
"380/220V"
W2
V2
U2
"220V"
Induktiv last
T
S
R
Resistiv last
9
Från vägguttag
2015-10-28
Figur 4
PE
N
L3
L2
L1
Bänkuttag
3x230/133V AC
Brytare
B1
OBS!!!
C1
B1
A1
D
C2
B2
A2
c4
b4
a4
Transformator
c3
b3
a3
y
c2
b2
a2
c1
b1
a1
Koppla så att Ua ligger 30° före UA
Dy-koppling
Trefastransformatorn
10
Från vägguttag