JU MSŠ „Gračanica“ Elektrotehničar energetike Školska: 2016/2017 god.
MATURSKI RAD ELEKTRIČNE INSTALACIJE I OSVJETLJENJE Tema: PRORAČUN TRANSFORMATORA MALIH SNAGA
Mentor: Prof. Jukan Amela
Maturant: Muminović Fahir
Gračanica 2017. Godine. SADRŽAJ
1
- Uvod.......................................................................... .....................3 - Princip rada transformatora.....................................................4 - Gubici snage i stepen korisnog djelovanja...........................6 - Konstruktivna izvedba transformatora..................................7 Magnetno
kolo
(jezgra)
transformatora....................................7 Namotaji transformatora...........................................................9
- Proračun parametara transformatora.........................11 Indukovanje
malih napona
u
transformatoru.....................................11 Određivanje snage.....................................................................12 Izbor magnetnog lima...............................................................13 Određivanje presjeka željezne jezgre........................................13 Masa magnetne jezgre..............................................................15 Određivanje broja navoja..........................................................16 Proračun debljine žice...............................................................16
- Primjer proračuna jednofaznog transformatora male snage........................................................................ ..........17 - Ispitivanje transformatora......................................................20 Mjerenje
otporsnosti
namotaja................................................21 2
Određivanje
odnosa
transformacije........................................22 Provjeravanje sprežne grupe...................................................23 Ispitivanje dielektrične izdržljivosti..........................................25 Ogled praznoga hoda i kratkoga spoja...................................26
- Zaključak................................................................... ..................27 - Literatura.................................................................. ...................28
UVOD Transformator je jedan od najjednostavnijih električnih uređaja. Njegov osnovni dizajn, materijali i principi su se malo promijenili u posljednjih sto godina, ali opet, dizajn transformatora i materijali nastavljaju da se unapređuju. Transformatori su od vitalnog značaja za prenos energije visokim naponom koji obezbjeđuje uštedu tokom prenosa energije na velike daljine. Transformatori audio-učestanosti su korišteni u najranijim eksperimentima u razvoju telefona. Dok su neke rane elektronske primjene transformatora zamijenjene alternativnim tehnikama, transformatori se još uvijek nalaze u mnogim elektronskim uređajima. Transformatori dolaze u rasponu od malih transformatora sakrivenih u mikrofonima do džinovskih transformatora snage gigavata koji se koriste da povežu velike dijelove nacionalnih mreža, ali svi rade na istim osnovnim principima I sa velikim sličnostima u dijelovima. Transformator je statički elektromagnetni aparat koji pretvara dovedenu električnu energiju određenih nivoa napona i struja u električnu energiju drugih nivoa napona i struja, obično iste 3
frekvencije. Energetski transformatori se sastoje iz aktivnog dijela i pomoćnih dijelova i pribora. Aktivni dio transformatora predstavlja elektromagnetni sistem u kome se vrši pretvaranje električne energije i sastoji se iz magnetnog i električnog kola. Pomoćni dijelovi i pribor transformatora su oni dijelovi, koji sa teorijske tačke gledišta nisu neophodni zanjegov rad, ali su u praktičnom radu i te kako potrebni za njegovo bezbijedno funkcionisanje. Uloga transformatora u elektroenergetskom sistemu je veoma značajna jer on omogućuje ekonomičnu, pouzdanu i bezbijednu proizvodnju i distribuciju električne energije pri najprikladnijim naponskim nivoima. Dakle, njegovom primjenom se, uz veoma male gubitke energije, rješavaju problemi raznih naponskih nivoa i međusobne izolovanosti kola koja se nalaze na različitim naponskim nivoima.
PRINCIP RADA TRANSFORMATORA Najjednostaviniji transformator sastoji se od dva odvojena namotaja koji su tijesno induktivno povezani (slika 1.). Čvrsta induktivna veza postiže se smještajem oba namotaja na zajedničku željeznu jezgru koja treba da ima oblik što boljeg zatvorenog magnetnog kola. Namotaj priključen na generator, odnosno električni izvor naizmjenične struje naziva se primar, što znači prvi, glavni, a namotaj na koga su priključena trošila zove se sekundar, što znači drugi sporedni.
4
Slika 1. Principijelna shema najjednostavnijeg jednofaznog
Rad transformatora zasniva se na pojavi elektromagnetne indukcije. Ako primarni namotaj priključimo na električni izvor naizmjeničnog napona U1 onda će tim namotajem poteći naizmjenična struja koja stvara magnetni tok ϕ. Taj tok prolazi kroz oba namotaja transformatora i međusobno ih veže elektromagnetski. On je nerazdvojivo vezan za struju, tj. postoji dok ona teče, raste i opada zajedno s njom i iščezava kada i struje nestane. Znači, magnetni tok ϕ javlja se kao posljedica struje, a zavisi još od magnetne provodnosti sredine kroz koju prolazi (željezna jezgra). Pošto je primarna struja promjenljiva, i magnetni tok će biti promjenljiv. Kao posljedica toga , u navoju koji ga obuhvata indukovaće se napon srazmjeran ne sa vrijednošću samog toka, nego sa brzinom njegove promjene. e=
−∆ ϕ ∆t
Prema Lencovom zakonu indukovani napon teži da stvori indukovanu struju takvog smjera koja se svojim magnetnim djelovanjem protivi uzroku koji ju je izazvao, tj. protivi se promjeni magnetnog toka. Napon indukovan u namotajima transformatora proporcionalan je broju navoja svakog pojedinog namotaja. Ako brojeve navoja primarnog i sekundarnog namotaja označimo sa N1 i N2, onda će vrijednost indukovanog napona primarnog namotaja E1 i indukovanog napona sekundarnog namotaja E2 biti: E1=−N 1
∆ϕ ∆t 5
E2=−N 2
∆ϕ ∆t
Indukovani napon koji je nastao u primarnom namotaju pod uticajem promjene magnetnog toka nazivamo indukovani napon samoindukcije. Po Lencovom zakonu on se protivi uzroku struje, naponu dovedenom na stezaljke primarnog namotaja i sa njim će biti u ravnoteži. To je, dakle, indukovani protunapon primara koji više nego otpori u primarnom namotaju ograničava primarnu struju. I kada je njegovo kolo otvoreno, za vrijeme promjene magnetnog toka, u sekundarnom namotaju uvijek postoji indukovani napon koji nazivamo indukovani napon međusobne indukcije. Kada sekundarno kolko zatvorimo preko nekog trošila npr. sijalice, njegovim namotajem poteče struja pod uticajem ovog indukovanog napona. Prema tome, indukovanim putem došlo je do transformacije električene energije koju smo doveli u primarni namotaj u električnu energiju koju iskorištavamo u trošilu.
GUBICI SNAGE I STEPEN KORISNOG DJELOVANJA Gubici snage u transformatoru prema prirodi nastajanja mogu se razvrstati u megnetne, električne i dielektrične. Po mjestu gdje nastaju, razlikujemo gubitke u željezu PFe, gubitke u bakru PCu i gubitke u dielektriku Pd. I napokon prema načinu mjerenja izdvajaju se gubici u praznom hodu P0 i gubici u kratkom spoju Pk. Magnetni gubici nastaju usljed histereze Ph i vrtložnih (Fukovih) struja Pv, a nastaju u željeznoj jezgri, pa ih zato nazivamo još i gubici u željezu PFe. Električni gubici ili gubici u bakru PCu su dvojaki: džulovski gubici I2 R
i gubici usljed nejednakosti gustine struje u presjeku
provodnika. Obje ove vrste gubitaka nastaju u navojima i primara i sekundara. Pokusom kratkog spoja mjerenjem dolazimo do zbira svih električnih gubitaka.
6
Dielektrični gubici nastaju uslijed pojave električne histereze u krutim i tečnim izolacionim materijalima. Ovi gubici, naročito kod transformatora većih snaga, relativno su mali, pa ih možemo zanemariti. Odnos između korisne i utrošene snage transformatora daje broj koji nam pokazuje koliko je transformator iskorišten, pa ga zato nazivamo stepenom korisnog djelovanja. η=
P2 P1
Primjenom indirektne metode mjerenja stepena korisnog djelovanja, tj. ako eksperimentom praznog hoda utvrdimo gubitke u željezu PFe , a eksperimentom kratkog spoja gubitke u bakru PCu pri nekom po volji uzetom opterećenju P2, dobivamo :
η=
P2 Σ Pg =1− P2 + Σ P g P 2+ Σ P g
KONSTRUKTIVNA IZVEDBA TRANSFORMATORA Transformator se sastoji iz dva osnovna dijela: magnetnog kola (jezgra) i namotaja. Ova dva dijela aktivno učestvuju u transformaciji električne energije, dok ostali dijelovi doprinose ukupnom radu transformatora.
MAGNETNO KOLO (JEZGRA) TRANSFORMATORA Magnetno kolo transformatora pravi se od specijalno legiranog feromagnetnog materijala kako bi imali što bolje magnetne osobine tj. što manji magnetni otpor. Svako magnetno kolo sastoji se od dvije ili više jezgri i od donjeg i gornjeg jarma koji služe da zatvore magnetno kolo. Prema obliku magnetnog kola transformatore možemo podijeliti na stubne (jezgraste) i ogrnute(oklopne).Na slici 2 prikazan je izgled jednofaznog stubn og i ogrnutog transformatora. 7
Slika 2. Magnetno kolo jednofaznog transformatora: a)Stubnog b)Ogrnutog Može se uočiti da se kod oklopljenih transformatora magnetni fluks srednje jezgre grana na dva dijela tako da su, obzirom da je debljina magnetnog kola ista, širine jarmova i bočnih jezgri dva puta manje od širine srednje jezgre. Kod jednofaznih stubnih transformatora namotaji visokog i niskog napona dijele se na dva dijela i stavljaju na po jednu jezgru, a jezgre su povezane sa dva jarma. Poprečni presjek mag netnog kola u svim dijelovima je isti. Trofazni energetski
transformatori se danas uglavnom grade sa stubnim magnetnim kolom, jer su jeftiniji i jednostavniji za izradu. Da bi se smanjili gubici usljed vrtložnih struja, magnetno kolo transformatora ne pravi se od masivnog gvožđa, već od tankih limova (transformatorski limovi) debljine 0.35 ili 0.5 mm, a u novije vrijeme uzima se lim debljine 0,3mm, koji su legirani sa 4% do 4.8% silicijuma. Transformatorski limovi se izrađuju 8
hladnim i toplim valjanjem. Limovi se postavljaju jedan pored drugog, ali su međusobno izolovani. Za izolaciju se koristi tanki papir, sloj emajla ili vodeno staklo, ponekad se jedna strana lima oksidira čime se stvara izolacija između susjednih limova, a u novije vrijeme se koristi tzv. postupak fosfatiranja. Osnovni način sastavljanja jezgre vrši se slaganjem limova. To slaganje se mora izvesti tako da zračni zazor (međuželjezo) u jezgri bude što manji, jer on predstavlja za megnetni tok veliki otpor. To se postiže preklapanjem limova kao što je predstavljeno na slici 3.
Slika 3. Slaganje limova jezgre kod jednofaznih i trofaznih transformatora Prilikom slaganja limova, njihova izolacija, nejednaka debljina, hrapavost površine uzrokuju smanjenje efektivnog presjeka jezgre. Kako se kod proračuna transformatora uzima u obzir samo korisni željezni presjek, uvodi se pojam faktora punjenja željezom. To je odnos efektivnog (čistog) i ukupnog (stvarnog) presjeka jezgre: f p=
−Sef S uk
Tako sastavljeni i naslagani slojevi limova čine magnetno kolo (jezgru) transformatora. Magnetno kolko sastoji se od stubova i jarmova koji povezuju stubove. Otvor između njih služi za smještaj namotaja. Oblik presjeka željezne jezgre prilagođava 9
se obliku namotaja. Zbog izvjesnih prednosti kružnih namotaja, jezgra se izrađuju tako da im se presjek što više
približavakrugu. Da krug bude što potpuniji potrebno je upotrijebiti veliki broj limova raznih širina, kao što se vidi na slici 4.
Sa slike se vidi da se za jezgru
Slika 4. Razni presjeci jezgre transformatora: a) kod malih transformatora b) kod nešto većih transformatora c) kod srednjih transformatora d) kod velikih transformatora
transformatora malih snaga (nekoliko kVA) upotrebljavaju limovi jednake širine (kvadratičan presjek).
Limovi iz kojih je složeno magnetno kolo moraju biti čvrsto stegnuti, inače drhte i bruje usljed naizmjeničnog magnećenja pri radu transformatora. Neki od načina pritezanja limova su prikazani na slici 5. Kod malih transformatora pritezanje limova se vrši tzv. „bandažiranjem“ pamučnom trakom ili užetom.
NAMOTAJI TRANSFORMATORA
Slika 5. Razni načini pritezanja limova: a) kod malih transformatora b) i c) kod većih transformatora
10
Namotaji transformatora prave se od bakarnih provodnika koji se, zavisno od visine napona, izoluju lakom, papirom, emajlom, svilom, pamukom, itd. U opštem slučaju, kod dvonamotnih transformatora razlikujemo namotaj visokog napona (VN) i namotaj niskog napona (NN), dok tronamotni transformatori imaju i namotaj srednjeg napona. Namotaji transformatora međusobno se razlikuju po tipu, broju navojaka, debljini i broju provodnika, smijeru namotavanja, debljini izolacije. Namotaji se smeštaju oko jezgre prostorno što bliže jedan drugom kako bi njihova magnetna sprega bila što bolja, ali i dovoljno razmaknuto zbog bolje električne izolovanosti. Obično se motaju jedan preko drugog (cilindrični odnosno cjevasti), ali postoji i izvođenje sa dijelovima namotaja (sekcije) poredanim po visini jezgra (sekcioni, odnosno disk namotaji). Kod cilindričnih namotaja najčešće se namotaj nižeg napona stavlja bliže jezgru zbog povoljnije situacije u slučaju proboja izolacije. Radi poboljšanja izolacije, neposredno oko jezgre stavlja se jedan valjak od prešpana, dok se na sličan način međusobno odvajaju i namotaj visokog i niskog napona. Način izvođenja namotaja zavisi od veličine napona i struje za koje se namotaj dimenzioniše. Za manje struje koriste se manji provodnici kružnog presjeka 0.2 – 10 mm. Provodnici cilindričnih namotaja niskog napona za transformatore srednjih i većih snaga obično su pravougaonog presjeka i često se umjesto jednog provodnika koristi više paralelnih dok se za transformatore manjih snaga upotrebljava prvenstveno bakarna žica kružnog presjeka kružnog presjeka 0.05 mm i više. Svi namotaji moraju u mehaničkom pogledu biti izrađeni tako da izdrže mehanička naprezanja usljed dejstva elektromagnetnih sila, koje posebno dolaze do izražaja pri kratkim spojevima. Na osnovu smjerova elektromagnetnih sila koje, kako u normalnom radu, tako i pri kratkim spojevima, djeluju između namotaja visokog i niskog napona transformatora pokazuje se da će one imati najmanju mogućnost da deformišu namotaje ukoliko su navoji kružnog oblika. Otud se, izuzev za transformatore malih snaga, namotaji uvjek tako izrađuju. Dodatno mehaničko učvršćivanje namotaja vrši se postavljanjem odgovarajućih umetaka od prešpana između samih namotaja i između namotaja niskog napona i jezgre.
11
PRORAČUN PARAMETARA MALIH TRANSFORMATORA Prilikom projektovanja transformatora treba imati u vidu da bude izabrana ekonomska gustoća magnetnog toka u željeznoj jezgri, da namot bude toplinski ispravno opterećen, da prozor bude ekonomično iskorišten.
INDUKOVANJE NAPONA U TRANSFORMATORU Osnovna jednačina za indukovanje napona u transformatoru je: U i=4,44 ⋅ f ⋅Φ max ⋅ N
Gdje je: U i - efektivna vrijednost indukovanog napona [V] f
– frekvencija
Φmax - maksimalna vrijednost fluksa N - broj navoja
Izraz može preći u oblik : N=
U i=4,44 ⋅ f ⋅ S Fe ⋅ N
odnosno:
Ui 4,44 ⋅ f ⋅ S Fe ⋅ B
Gdje je umjesto toka
Φ umnožak čistog presjeka jezgre
S Fe , i
indukcije B. Ovaj izraz se često pojavljue i u obliku: N1V=
N 1 = U i 4,44 ⋅ f ⋅ S Fe ⋅ B
Koji određuje broj zavoja potreban za induciranje napona 1V. Ako predpostavimo da je f =50 Hz, i gustoću magnetnog toka u T, te presjek jezgre izrazimo u cm 2, dobijemo poznatu jednostavnu formulu: N 1=
45 S Fe ⋅ B
12
ODREĐIVANJE SNAGE Snagu transformatora određujemo na osnovu trošila koja su na njega priključena. Ako priključujemo samo jedno trošilo snaga je: P2=U 2 ⋅ I 2
Gdje je: P2 – prividna sekundarna snaga U2
– sekundarni napon
I2
– sekundarna struja
Ako transformator ima više sekundarnih namota npr. 3, tada odredimo snagu svakog trošila i zatim saberemo snage svih trošila. P2=P2 I ⋅ P2 II ⋅ P 2 III
Međutim snaga na sekundaru još nije snaga za koju moramo izračunati transformator, jer i transformator predstavlja neko opterećenje. Zato uzimamo u obzir korisnost koju predpostavljamo. Kao korisnost malih transformatora najčešće se uzima vrijednost 0,9. Kod malih transformatora korisnost je često i znatno manja. Snaga P 3-10 VA 10-25 VA 25-50 VA 50-100 VA 100-1000 VA
Korisnost η 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,85 0,85-0,9 Iznad 0,9
Tabela 1. Korisnost malih transformatora Zato
Primarnu
snagu
P1
za
koju
moramo
izračunati
transformator i dimenzionisati jezgru, dobijamo: P1=
P2 η 13
IZBOR MAGNETNOG LIMA Kod transformatora snage nekoliko desetina ili stotina vati preovladaju gubici u bakru, koji su nekoliko puta veći od gubitaka u željezu. Mali transformatori rade praktično uvijek opterećen, zbog čega su dozvoljeni ralativno veći gubici u praznom hodu nego za velike mrežne transformatore. Zato se za male transformatore bira lim sa većim gubicima, tj. lim 0,5 mm s gubicima 2,4
W kg , jer to ne prouzrokuje bitno
povećanje ukupnih gubitaka transformatora, a omogućava znatnu uštedu pri izvedbi. Takav lim je jeftiniji zbog manjeg postotka Si, može se lakše sjeć te je istrošnja alata manja, a na kraju je slaganje listova jezgre u okvir brže, jer za istu debljinu paketa trebamo umetnuti manje listova. Zato ćemo odabrati lim MD 240.
ODREĐIVANJE PRESJEKA ŽELJEZNE JEZGRE Presjek jezgre dobiva se na osnovu aproksimativne formule: S Fe =√ P1
Iz čistog presjeka željezne jezgre koji smo na taj način odredili odredimo geometrijski presjek, uzimajući u obzir faktor punjenja jezgre za pojedine vrste izolacije: S i=
S Fe k Fe
Debljina lima (mm) 0,35 0,5
Vrsta izolacije lima Lakiranje Papir
Jednostra no
Obostran o
0,86 0,89
0,91 0,92
0,88 0,90
Fosfatira nje i Oksidiran je 0,92 0,93 14
Tabela 2. Faktor punjenja željezne jezgre
15
b2
b3
c
1
12 18
12, 5
14 ,5
18 ,5
23 ,5
2
16 24
16, 5
18 ,5
22 ,5
31 ,5
3
20 30
20, 5
23 ,5
28 ,5
39 ,5
4
24 36
24, 5
27 ,5
32 ,5
47 ,5
5
28 42
29
33
38
55 ,5
6
32 48
33
37
43
63 ,5
7
36 54
37
41
47
71 ,5
8
40 60
41
45
55
79 ,5
9
50 75
65
99 ,5
1 0
64 34
79
12 8
51
65
55
69
h2
1 4 2 0 1 8 2 6 2 3 3 3 2 7 3 9 3 2 4 6 3 6 3 6 4 0 5 8 4 4 6 4 5 4 7 9 6 8 1 0
h3
V el
Debljina Paketa h1
b1
G e
Veličina Jezgre
Mjere u mm
k
l1
l2
l3
m s1 s2
29 35
4,5
15, 5
17 ,5
2 4
1 1
1
1
37 45
6,5
21, 3,5 5
3 2
1 1
1
1
44 54
8
26, 5
29 ,5
4 1
1 1
1, 1, 5 5
54 66
10
32, 5
35 ,5
4 7
2 0
1, 1, 5 5
63 77
11, 25
37, 5
41 ,5
5 3
2 0
2
2
71 87
13, 25
43, 5
47 ,5
5 9
2 0
2
2
80 98
15, 25
49, 5
53 ,5
7 1
2 7
3
2
89 10 9
17, 25
53, 5
59 ,5
7 7
2 7
3
2
16 24
9,2 99
22, 25
68, 5
74 ,5
9 2
3 9
2
25 37, 5
15, 24
29, 25
87, 5
95 ,5
1 1 3
3 9
2
40, 94 61, 44
25, 59
10 9 13 4 13 8 17 0
3
4
16
1,4 2 2,1 6 2,5 6 3,8 4 4 6 5,7 6 8,6 4 7,8 4 11, 76 10, 24 15, 36 12, 96 19, 44
1,0 98 1,3 98 2,1 2 3,2 5 4,2 19 5,7 64 7,5 49
0
Tabela 3. Sastavljeni okviri
MASA
MAGNETNE JEZGRE Za jezgro oblika EI masa magnetne jezgre se dobiva pomoću formule: mFe =d ∙ e ∙ h∙ γ ∙ k Fe
Gdje je: d ∙e ∙h - volumen faktor punjenja
γ
– gustoća
k Fe -
17
Veliči na Lista a
Mjere u mm b
c
d
1 0 1 2 1 4 1 6
1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2
1 8 2 4 3 0 3 6 4 2 4 8
7
1 8
3 6
5 4
8
2 0
4 0
6 0
9
2 5
5 0
7 5
10
3 2
6 4
9 6
3 2 6 4 4 3 8 2 6 4 0 0 7 4 2 8 8 5 4 6 9 6 6 4 1 7 0 2 8 1 8 2 0 0 1 1 5 0 0 0 1 1 9 2 2Tabela 8
1
6
2
8
3 4 5 6
e
f
35 42 49 56 63
70 87 ,5 11 2 3.
g
i
j
IFe
5 0 6 0 7 0 8 0
3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0
3, 6 3, 6 4, 8 4, 8
9 0
9 0
5, 21 8 6
1 0 0 1 2 5 1 6 0
1 0 0 1 2 5 1 6 0
72 96 12 0 14 4 16 8 19 2
5, 24 8 0 7, 30 0 0 7, 38 0 4
ODREĐIVANJE BROJA NAVOJA Za određivanje broja navoja potrebnog za induciranje 1V polazimo od izraza: N 1=
45 S Fe ⋅ B
18
Vrijednost magnetne indkucije zavisi od vrste lima, uzimat ćemo da se radi o vruće valjanom limu indukcije B= 1,2 T. Nakon određivanja broja navoja za induciranje 1V, primarni broj navoja N 1 , odredimo tako da ga pomnožimo s primarnim naponom. N 1=U 1 ⋅ N 1 V
Na isti način se određuje i broj navoja sekundara kod neopterećenog transformatora. Međutim pri opterećenju treba uzeti u obzir omski i induktivni pad napona u primaru i sekundaru, zbog čega broj navoja treba povećati za faktor k N te dobivamo: N 2=k N ⋅ U 2 ⋅ N 1 V
PRORAČUN DEBLJINE ŽICE Za odrđivanje debljine žice moramo poznavati struju u tim namotajima. Primarnu struju određujemo kao: I1 =
P1 U1
Pri tome pretpostavimo J =2,55
cosφ=1 ; gustina struje se uzima da je
A 2 mm
Debljina žice primara se određuje na osnovu obrasca: d cu 1=1,33 ⋅
√
I1 J
Debljina žice sekundara se dobiva na osnovu istog obrasca samo sa umetnutom strujom I 2 , koja se može dobiti na osnovu zahtjeva da transformator ili ako ona nije tražena u zahtjevu, na osnovu aproksimativne formule:
U 1 I2 U = ⋅ I 2=I 1 ∙ 1 U 2 I1 U2
PRIMJER PRORAČUNA JEDNOFAZNOG TRANSFORMATORA MALE SNAGE ZADATAK: 19
Projektovati transformator čija ukupna snaga svih trošila 102,9W . Prenosni odnos je spojenih na sekundar iznosi 220 V ( ) 12,6 V .
IZRADA: Korisnost η transformatora za takvu snagu možemo ocjeniti sa η=0,9 te primarnu snagu dobivamo kao: P1=
P 2 102,9 = =114,3 W η 0,9
Čist presjek jezgre je: 2 S Fe =√ P1=√ 114,3=10,68 cm Računski presjek jezgre odredimo uzimajući u obzir faktor punjenja jezgre za jednostrano lakirani lim iz tabele 1. k Fe=0,91
Računski presjek jezgre je:
S i=
S Fe 10,68 = =11,7 cm2 k Fe 0,91
Na osnovu računskog presjeka biramo veličinu EI lima, a to je EI VII kvadratnog presjeka koga smo birali iz tabele 3. 2 Računski presjek jezgre iz tabele 3. S i=3,6 ×3,6=12,96 cm
Dobivamo tako da biramo prvi broj kvadratnog presjeka veći od 11,7 cm2 a to je 12,96 cm2. Uzimajući u obzir faktor punjenja za lakirani lim 0,91 odredimo čist presjek željezne jezgre S Fe =12,96 × 0,91=11,8 cm2
Za jezgru ćemo upotrijebiti tranformatorski lim MD 240. Broj N1V=
navoja
za
1V
pri
45 45 nav = =3,18 A Fe ∙ B 11,8 ∙1,2 V
magnetnoj
gustoći
1,2
T
je
:
Primarni broj navoja je: N 1=U 1 ∙ N 1 V =220 ∙3,18=699,6 ≈ 700 navoja
20
Pri određivanju sekundarnog broja navoja uzeti ćemo korektivni faktor k, prema slici 6.
Slika
6.
Određivanje faktora k N za koji treba povećati sekundarni broj navoja
21
Za sekundarnu snagu 102,9 W taj faktor približno iznosi 1,08. Zato je
sekundrani broj navoja:
N 2=1,08 ∙12,6 ∙ 3,18=43,27 ≈ 43 navoja
Debljinu žice primara određujemo na osnovu primarne snage napona: I1 =
P1 114,3 = =0,52 A U 1 220
Debljina žice se izračunava na osnovu obrasca :
d cu1=1,13 ⋅
√
I1 J
Gustoća struje se odabire na osnovu debljine namota, a u A našem slučaju ona iznosi J =2,5 mm2 d cu 1=1,13 ⋅
√
pa je
0,52 =0,515 mm2 2,5
Debljinu žice sekundara određujemo na osnovu zahtjeva za transformator pa je : I2 =
P2 102,9 = =8,1 A U 2 12,6
Pa je debljina žice:
8,1 2 =¿ 2,034 mm 2,5 d cu2=1,13 ⋅ √ ¿
Masa jezgre se dobiva iz obrasca: mFe =d ∙ e ∙ h∙ γ ∙ k Fe
22
ISPITIVANJE TRANSFORMATORA Ispravnost novosagrađenog il popravljenog transformatora provjerava se ogledima/ispitivanjima. Za transformatore koje se izrađuju u serijama opštim ogledima se provjerava da li ispunjavaju uslove određene propisima. Ogledi se vrše u laboratoriji proizvođača. Osnovni ogledi/ispitivanja koji se vrše na transformatorima su:
Mjerenje otpornosti namotaja Određivanje odnosa transformacije Provjeravanje sprežne grupe Ispitivanje dielektrične čvrstoće Ogled praznog hoda Ogled kratkog spoja Ogled zagrijavanja.
Uslovi pod kojima se ogledi vrše predviđeni su propisima. Temperatura prostorije u kojoj se vrši ogled mora biti između 10° C i 40° C. U pogledu nadmorske visine ona ne smije biti veća od 1000 m. Ako je nadmorska visina iznad 1000 m, ili ako je temperatura prostorije veća od 40° C, treba uslove predvidjeti u ugovoru. Dopuštena odstupanja ogledom navedenih vrijednosti od propisanih ili ugovorenih vrijednosti jesu tolerance. Propisima za transformatore predviđene su sledeće tolerance: Za stepen iskorištenja Za gubitke praznog hoda Za gubitke kratkog spoja Za napon kratkog
0,1 (1- η ) 10% 15% 10% 23
spoja Za odnos 1/200 m (tj. 0,005 transformacije m) Tabela 4. Tolerance za transformatore
MJERENJE OTPORNOSTI NAMOTAJA Treba zabilježiti otpornost svakog namoraja, priključaka između kojih je otpornost izmjerena i temperaturu namotaja. Mjerenje se izvodi jednosmjernom strujom. Pri svakom mjerenju otpornosti treba voditi računa da se djelovanje samoindukcije svede na najmanju mjeru. Suhi transformatori. Prije mjerenja transformator mora odstojati najmanje tri sata na konstantnoj temperaturi okoline. Mjerenje otpornosti i temperature namotaja mora biti istovremeno. Temperatura namotaja mora se mjeriti senzorima smještenim na reprezentativnim mjestima, po mogućnosti unutar namotaja, npr. u kanalu između namotaja višeg i nižeg napona. Uljni transformatori. Pošto je transformator bio u ulju barem tri sata u beznaponskom stanju, određuje se srednja temperatura ulja i smatra se da je temperatura namotaja jednaka toj srednjoj temperaturi ulja. Uzima se da je srednja temperatura namotaja jednaka srednjoj vrijednosti temperature ulja pri vrhu i pri dnu posude. Prilikom mjerenja otpornosti u hladnom stanju u svrhu mjerenja porasta temperature mora se posvetiti posebna pažnja tačnom određivanju srednje temperature namotaja. Radi toga razlika između temperatura ulja pri vrhu i pri dnu posude mora biti mala. Da bi se to što brže postiglo, može se koristiti pumpa.
24
ODREĐIVANJE ODNOSA TRANSFORMACIJE Pri izradi navoja i izvođenju veza moguće su greške u broju navojaka regulacionog ili osnovnog dijela namotaja, u vezi između izvoda za regulaciju napona i regulatora i u sprezi namotaja. Radi utvrđivanja navedenih grešaka mjeri se odnos transformacije. U tu svrhu na jednu naponsku stranu transformatora dovodi se izmjenični napon, dok druga naponska strana ostaje otvorena. Češće se napon dovodi na namotaj visokog napona. Ako je transformator trofazni, onda se sve tri faze istovremeno priključuju na simetričan sistem napona (slika 7). Vrijednost dovedenog napona ne smije da bude manja od 20% nominalnog napona. Pomoću voltmetara 1 i 2 i njihovih prebacivača istovre-meno se mjeri napon na strani nižeg i višeg napona, a zatim računskim putem određuje odnos transformacije. Njega treba mjeriti za sve faze i sve stepene regulatora. Dozvoljena odstupanja pri ovom mjerenju data su propisima. Na primjer, ako je namotaj visokog napona (VN) spregnut u zvijezdu, a namotaj niskog napona (NN) u trokut odnos transformacije je: Slika 7. Mjerenje odnosa transformacije V m=
VN
√3 ∙ V NN
25
Ako je namotaj VN spregnut u trokut, a namotaj NN u zvijezdu, onda je odnos transformacije: m=
√3 ∙ V VN V NN
PROVJERAVANJE SPREŽNE GRUPE Sprege transformatora sa istim brojevima koji označavaju fazni razmak čine jednu sprežnu grupu. Transformatori različitih sprežnih grupa, koji mogu da rade paralelno, svrstavaju se u tri Skupina
Sprežna Grupa
I II III
048 2 6 10 1 5 7 11
skupine (Tabela 5). Moguć je paralelan rad samo onih transformatora koji pripadaju istoj skupini. Najčešće se vezuju za paralelan rad transformatori koji pripadaju trećoj skupini. U slučaju greške prilikom izbora smjera navijanja navoja ili redoslijeda njehovih spajanja mijenja se sprežna grupa transformatora. Kada bi se takav transformator uključio u paralelan rad sa drugim transformatorom bez predhodne provjere njegove sprežne grupe, došlo bi do pojave struje izjednačenja koja je ograničena samo padovima napona u transformatorima. U nekim slučajevima to Tabela 5. Sprežne bi faktički bio kratak spoj i transformatori grupe bi stradali.
26
Za određivanje sprežne grupe, najčešće se primjenjuje mjerenje jednim voltmetrom. Pri tom se najprije električno povežu dva istoimena izvoda namotaja VN i NN (npr. A i a, slika 8).
Slika 8. Određivanje sprežne grupe trofaznog transformatora Na jednu naponsku stranu (NN ili VN) dovodi se svedeni trofazni napon (100 ili 200 V) i tačnim voltmetrom (najmanje klase tačnosti 0,5) redom mjere naponi između izvoda b-B, b-C, c-C i c-B (slika 8). Izmjereni naponi porede se sa proračunatim. Transformator je dobro spregnut ukoliko se izmjerene u proračunate vrijednosti poklapaju. Proračunati naponi za pojedine sprežne grupe daju se posebnim tablicama. Na primjer, za transformator, čiji je namotaj VN spregnut u zvijezdu, a namotaj NN u trougao, i koji pripada sprežnoj grupi 11, naponi između izvoda b-B, c-C i c-V određuju se prema obrascu: A naponi izvoda b-C obrascu:
između prema
27
U b−C =V NN √ 1+m 2
U ovim obrascima je
m=
V VN V NN
Vektorski dijagram linijskih napona za dati primjer prikazan je na slici 9.
Slika 9. Vektorski dijagram linijskih napona
ISPITIVANJE DIELEKTRIČNE IZDRŽLJIVOSTI Ispitivanje služi da se kvalitet navoja
dielektrične izdržljivosti provjeri izolacije
28
transformatora. Ispitivanje se izvodi na potpuno opremljenom transformatoru sa svim dijelovima na njihovim mjestima. Ispitivanje vršimo na sledeći način: Sve navoje transformatora, izuzev onog koji ispitujemo, međusobno spojimo i vežemo za masu transformatora koja mora biti dobro uzemljena. Masu zatim vežemo za jedan kraj izvora naizmjeničnog napona a za drugi kraj izvora vežemo navoj čiju izolaciju treba da provjerimo. Kao izvor naizmjeničnog napona koristimo sekundar naročitog transformatora, čiji napon može da se mijenja u širokim granicama. Učestalost napona mora da bude nominalna a oblik krive napona harmoničan. Ispitivanje počinje sa najviše polovinom oglednog napona. Napon se zatim za vrijeme od 10 s povišava postepeno ili u skokovima od najviše 5% ispitanog napona do punog ispitanog napona. Poslije toga održava se pun ispitani napon 60 s. Na dielektričnu izdržljivost ispituju se navoji i visokog i niskog napona. Propisima je određen ispitani napon: U is =2 U n +1000V
Za navoje visokog napona ispitani napon mora da bude najmanje 10 000 V, a za navoje niskog napona najmanje 2 500 V.
OGLED PRAZNOGA HODA I KRATKOGA SPOJA
29
Svrha ogleda praznog hoda je da se odrede struja praznog hoda i gubici u željezu transformatora. Šema za ovaj ogled za trofazni transformator prikazana je na slici 10. Ogled se vrši sa strane niskog napona transformatora da bi se izbjegla upotreba naponskih i strujnih transformatora jer unose greške pri mjerenju. Obično se na mreži ne raspolaže sa tačno nominalnom vrijednošću napona transformatora, pa se ipred ogledanog transformatora postavi jedan pomoćni transformator (PT) za podešavanje napona najjednostavnije je mjeriti snagu Aronovom spregom pomoću jednog vatmetra i faznog ubacača. Kad je fazni uvacač u položaju (1), struja druge faze prolazi kroz ampermetar i strujno kolko vatmetra, a voltmetar pokazuje napon između prve i druge faze. Kad je fazni ubacač u položaju (2), struja treće faze teče kroz ampermetar i vatmetar a voltmetar pokazuje napon između prve i treće faze. Opsege mjerenja instrumenata biramo prema nominalnom naponu i ocijenjenoj vrijednosti struje praznog hoda. Ogled ponovimo sa nekoliko vrijednosti napona praznog hoda. Za svaku vrijednost napona čitamo pokazivanja instrumenata za oba položaja faznog ubacača: i (1) i (2). Slika 10. Ogled praznog hoda transformatora
ZAKLJUČAK
Utvrdili smo da se za proračun transformatora malih snaga koristimo aproksimativnim obrascima i veličinama (npr. presjeci 30
jezgra)koje su se u praksi pokazale kao odgovarajuće, te da nakon proračuna transformatora male snage pristupamo njegovoj izradi a nakon toga moramo obaviti određena ispitivanja da bi smo utvrdili da je napravljeni transformator ispravan.
31
LITERATURA
Miodrag Hamović „ELEKTRIČNE MAŠINE“ Zoran Pendić „ELEKTRIČNE MAŠINE SA ISPITIVANJEM“ www.wikipedia.org www.fer.unizg.hr Radoslav Miličević „PRAKTIČNA NASTAVA“ Drugi izvori sa interneta
32
Mišljenje mentora: __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ____________________
Izdvojeno mišljenje: __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ____________________
Maturski rad je ocjenjen ocjenom: ______________________(
)
Ispitna komisija: 1. __________________________________________ predsjednik 2. __________________________________________ ispitivač 3. __________________________________________ stalni član
Gračanica, ______________________ 2017. godine
33
34
