ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE BAKALÁRSKA PRÁCA

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta BAKALÁRSKA PRÁCA (Textová časť) Analýza prechodového deja pripojenia transforátora naprázdno na sieť a praktická realizácia synchronizačného zariadenia 2008 Lukáš Kankula

ZÁVEREČNÁ BAKALÁRSKA PRÁCA Názov práce: Analýza prechodového deja pripojenia transforátora naprázdno na sieť a praktická realizácia synchronizačného zariadenia Fakulta elektrotechnická Katedra výkonových elektrotechnických systéov Priezvisko a eno: Kankula Lukáš rok: 2008 Počet strán: 38 Počet obrázkov: 45 Počet tabuliek: 3 Počet grafov: 0 Počet príloh: 6 Použitá lit.: 20 Kľúčové slová: prechodový jav, transforátor, eranie, siulácia, LabVIEW, naprázdno Anotácia v slovensko jazyku: sa zaoberá teóriou prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť, siuláciou a eraní tohto prechodového javu na konkrétno transforátore. Meranie sa uskutočňuje na synchronizačno zariadení. Zariadenie je vyvinuté pre potreby tejto práce a tiež ako poôcka v školských laboratóriách, kde nahradí náhodné eranie prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť na osciloskope. Anotácia v anglicko jazyku: This Bachelor's work deals with theory of the transients if the rated voltage is applied to the priary terinals in no load condition. Such transients have been analysed by siulation and confired by easureents on a real laboratory transforer. A special device has been developed and ade to be able to apply the voltage to the transforer at required tie. Vedúci bakalárskej práce: prof. Ing. Valéria Hrabovcová, PhD. Školiteľ: prof. Ing. Valéria Hrabovcová, PhD. Oponent:... Dátu odovzdania práce: 6. 6. 2008

Obsah Zozna použitých skratiek a sybolov... 3 1 Úvod... 6 2 Teória prechodového javu transforátora... 7 2.1 Prechodový jav...7 2.2 Ustálený stav transforátora v stave naprázdno...8 2.3 Pripojenie transforátora v stave naprázdno na sieť, bez tlenia...10 2.3.1 Všeobecne...10 2.3.2 Prechodový jav pri najpriaznivejšo stave...11 2.3.3 Prechodový jav pri najnepriaznivejšo stave...12 2.4 Prechodový jav agnetického toku...13 2.5 Prechodový jav pri uvažovaní nasýtenia a reanentného toku...14 2.6 Prechodový jav s uvažovaní tlenia...15 3 Meranie na transforátore... 16 3.1 Štítkové údaje transforátora...16 3.2 Meranie odporu priárneho vinutia...16 3.3 Meranie v stave nakrátko...17 3.4 Meranie v stave naprázdno...19 3.5 Siulácia a sníanie prechodového javu...20 3.5.1 Siulácia prechodového javu...20 3.5.2 Sníanie náhodného prechodového javu poocou osciloskopu...22 3.5.3 Sníanie prechodového javu poocou synchronizačného zariadenia...23 3.5.4 Porovnanie sníaných a siulovaných hodnôt...24 3.6 Zozna použitých eracích prístrojov...25 4 Návrh synchronizačného zariadenia... 26 4.1 Vývojové prostredie LabVIEW...26 4.2 Bloková schéa synchronizačného zariadenia...26 4.3 Ovládacia aplikácia v LabVIEW...27 4.3.1 Všeobecný popis ovládacej aplikácie...27 4.3.2 Obvod nájdenia nuly...28 4.3.3 Obvod nájdenia aplitúdy napätia...29 4.3.4 Obvod ovládania triaku...30 4.4 Sníacie obvody...31 4.5 Obvod výkonového spínača...33 4.5.1 Popis zapojenia...33 4.5.2 Osadzovanie a oživenie pristroja...34 4.6 Zapojenie eracej karty PCI 6221 k hardvérový súčastia...36 KVES

5 Záver... 37 6 Zozna použitej literatúry... 38 Príloha A Tabuľka naeraných hodnôt transforátora v stave naprázdno... 41 Príloha B Popis vstupov a výstupov eracej karty NI PCI 6221... 42 Príloha C Popis použitých blokov v LabVIEW... 43 Príloha D Front panel ovládacej aplikácie v LabVIEW... 44 Príloha E Block diagra ovládacej aplikácie v LabVIEW... 45 Príloha F Vyhotovená hardvérová časť synchronizačného zariadenia... 46 KVES

Zozna použitých skratiek a sybolov Syboly: B f H I I PN I SN i L N P R R I R U S T T U U SN U vys X Z α φ Φ ω indukcia agnetického poľa frekvencia intenzita agnetického poľa efektívna hodnota prúdu prúd priárneho vinutia LEM odulu prúd sekundárneho vinutia LEM odulu okažitá hodnota prúdu indukčnosť počet závitov príkon odpor sníací odpor prúdového LEM odulu sníací odpor napäťového LEM odulu zdanlivý výkon teplota okolia okažitá hodnota času napätie napätie priárneho vinutia LEM odulu výstupne napätie napäťového LEM odulu reaktancia ipedancia fázový uhol okažiku zopnutia fázový posun okažitá hodnota agnetického toku elektrická uhlová rýchlosť Indexy: 0 stav naprázdno 1 priárne vinutie 2 sekundárne vinutie KVES

dyn Fe k edz er p re u vysl μ σ dynaický železo nakrátko axiálny edzný eraný prechodový reanentný ustálený výsledný agnetizačný rozptylový Skratky: A AI AT C DO DPS G GT GUI IC LabVIEW Matlab NI Osc. PC PCI R RV TY apéreter analógový vstup (Analog Input) autotransforátor kondenzátor digitálny výstup (Digital Output) doska plošných spojov grafický jazyk (Graphical language) riadiaca elektróda triaku grafické prostredie (Graphical User Interface) Integrovaný obvod Laboratory Virtual Instruents Engineering Workbench Matrix Laboratory National Instruents osciloskop osobný počítač (Personal coputer) konektor pre pripojenie zariadení (Peripheral Coponent Interconnect) rezistor varistor triak KVES

V VP W X volteter vypínač watteter svorkovnica KVES

1 Úvod Hlavnou yšlienkou tejto práce je priblíženie probleatiky prechodových javov pri pripínaní jednofázoveho transforátora v stave naprázdno na sieť. Táto probleatika je dôležitá vzhľado na to, že pri pripínaní nezaťaženého transforátora ôže prúd naprázdno niekoľko násobne prevyšovať enovitú hodnotu. V prvej časti je podrobne rozoberaná teória prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť, najpriaznivejší, najnepriaznivejší prípad pripojenia, a taktiež aj vplyv agnetického obvodu transforátora na zapínací prúd naprázdno. Ďalšia kapitola sa venuje eraniu na konkrétno transforátore. Porovnaniu siulovaných a eraných priebehov s teoretickýi poznatkai. Keďže eranie prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno v školských laboratóriách bežnýi eracíi prostriedkai je viac enej náhodné, vznikla yšlienka postaviť zariadenie, ktoré by tento stav graficky zobrazovalo. Touto zariadeniu sú venované posledné dve kapitoly a je nazvané Synchronizačné zariadenie. Ako riadiaca časť zariadenia bolo zvolené vývojové prostredie NI LabVIEW vzhľado na jeho univerzálnosť, ožnosť spracovávať údaje z eracej karty, zobrazovať ich v požadovano foráte a taktiež ovládať pripojené zariadenia. Vyhotovené zariadenie by alo slúžiť ako učebná poôcka v školských laboratóriách pre praktickú ukážku a overenie teoretických poznatkov prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť. KVES 6

2 Teória prechodového javu transforátora 2.1 Prechodový jav Prechodový javo rozuiee jav pri prechode z jedného ustáleného stavu do druhého ustáleného stavu. Príčinou vzniku prechodového javu sú náhle zeny poerov v obvode, najčastejšie sa uvažuje zena napätia alebo prúdu pri pripojení alebo odpojení obvodu. Pri prechodovo jave sa okre základných paraetrov obvodu prejavujú aj iné, ktoré ôžu značne ovplyvniť vlastnosti obvodu. Rozlišujee tieto základné prípady prechodových javov v transforátoroch: 1. Pripojenie transforátora v stave naprázdno na sieť 2. Náhly skrat alebo náhla zena záťaže na sekundárnej strane 3. Vniknutie strej napäťovej vlny do vinutia transforátora V našo prípade sa budee zaoberať prechodový javo pri pripínaní transforátora v stave naprázdno na sieť. Prechodový jav pripojenia transforátora v stave naprázdno ôže prirovnať k prechodovéu javu pripojenia jednoduchého R-L obvodu znázorneného na obr. 2.1 k zdroju haronickéu napätiu u = U sin( ω t +α ) obvodu., kde α je uhol okažiku zopnutia i 0 1 ~ u L R Obr. 2.1 Jednoduchý RL obvod Ak sa v čase t = 0 prepne prepínač z polohy 0 do polohy 1, obvodo začne tiecť prúd, pre ktorý podľa II. Kirchhoffovho zákona platí vzťah: di Ri + L = U sin( ω t + α ) (2.1) dt Z rovnice (2.1) pri zadaných pevných hodnotách L a R ožno vypočítať prúd I ako funkciu času. V ateatickej terinológii je vzťah (2.1) obyčajnou lineárnou diferenciálnou rovnicou prvého rádu. Riešenie tejto rovnice dostávae v tvare: KVES 7

i () t U U = sin( ωt + α ϕ) + sin( ϕ α ) e 2 2 2 2 R + R + ( ωl) ( ωl) kde uhol φ značí oneskorenie fázy prúdu za napätí. U je axiálna hodnota napätia. Pre uhol φ platí: X ωl tgϕ = = (2.3) R R R t L (2.2) Pričo dosadení do (2.2) za pre priebeh prúdu: U = I 2 2 R + ω ( L), následne dostávae výsledný vzťah i t L () t = I sin( ωt + α ϕ) + e I sin( ϕ α R Prvý člen vzťahu (2.2) je ustálená zložka prúdu sínusového priebehu: i u ( ωl) ) (2.4) U = sin( ωt + α ϕ) (2.5) 2 2 R + a druhý člen vzťahu (2.2) je prechodová zložka prúdu, ktorá s časo postupne zaniká: i p U = sin( ϕ α ) e 2 2 R + ( ωl) R t L (2.6) Zo vzťahu (2.6) je vidno, že zvolení vhodného uhlu okažiku zopnutia α je ožné prechodovú zložku prúdu úplne eliinovať. V toto prípade, ak ϕ = α, i 0 ide p = o najpriaznivejší stav. Naopak ak najnepriaznivejší stav. π ϕ α = ± sa uplatňuje celá prechodová zložka, čo je 2 2.2 Ustálený stav transforátora v stave naprázdno Ustálený stavo sa rozuie stav, pri ktoro sa obvodové veličiny (napätie, prúd) už neenia. Teda tento stav, po pripojení transforátora naprázdno na sieť, nastane až po odoznení prechodového javu, keď je prúd naprázdno už konštantný. Prúd naprázdno transforátora I 0 je podľa I. Kirchhoffovho zákona z náhradnej schéy obr. 2.2 rovný: I = + (2.7) 0 I μ I Fe kde I μ je jalová zložka prúdu naprázdno, agnetizuje agnetický obvod a nazýva sa tiež agnetizačný prúd. Je fázovo posunutá oproti indukovanéu napätiu o uhol π 2 a je vo fáze KVES 8

s agnetický toko. I Fe je činná zložka prúdu, ktorá reprezentuje straty v železe. Tieto straty sa podľa súčasných znalostí skladajú z hysteréznych strát a zo strát vírivýi prúdi. V chode naprázdno je agnetizačný prúd I μ doinantnou zložkou prúdu naprázdno I 0, takže je ožné považovať agnetizačný prúd I μ za prúd naprázdno I 0. I 0 R 1 L σ1 1 I Fe I μ ~ u R Fe L μ U I 0 I μ I Fe -j Obr. 2.2 Náhradná schéa a fázorový diagra transforátora v stave naprázdno V transforátoroch je prúd naprázdno odlišný od sínusovky, ak veľkosť napätia a agnetického toku spôsobuje nasýtenie ag. obvodu. Pri sínusovo priebehu napätia je aj časový priebeh toku Φ a agnetickej indukcie v jadre B sínusový [1]. Časový priebeh intenzity agnetického poľa H a teda aj prúdu naprázdno I 0 je odvodený z priebehu Φ, cez priebeh agnetizačnej krivky podľa [2] na obr. 2.3. Vidíe, že časový priebeh I 0 je kvôli nelinearite agnetického ateriálu neharonický, aj keď napätie a agnetický tok ajú haronický priebeh. Všinie si, že priebeh prúdu po prvej polvlne pokračuje do záporných hodnôt. Φ, B Φ t π 0 H I 0 t Obr. 2.3 Priebeh agnetizačného prúdu pri rešpektovaní nasýtenia Na priebeh prúdu naprázdno a vplyv aj hysteréza. Magnetizujúcej vetve hysteréznej slučky odpovedá stúpajúca časť polvlny prúdu a naopak klesajúcej polvlne prúdu KVES 9

odpovedá deagnetizujúca vetva slučky. Polvlna prúdu je deforovaná, nesyetrická a nula prúdu je fázovo posunutá proti nule agnetického toku (obr. 2.4). Tieto vlastnosti sa ešte zvýraznia pri pripájaní transforátora v stave naprázdno na sieť. Φ, B Φ t π 0 H I 0 t Obr. 2.4 Priebeh agnetizačného prúdu pri rešpektovaní nasýtenia a hysterézy ag. obvodu Z týchto teoretických poznatkov sa ďalej vychádza pri vyšetrovaní prechodového javu pripojenia transforátora naprázdno na sieť, ktoréu sa budee venovať v ďalších kapitolách. 2.3 Pripojenie transforátora v stave naprázdno na sieť, bez tlenia 2.3.1 Všeobecne Náhradná schéa transforátora je na obr. 2.2, kde na začiatku prechodového javu sú všetky obvodové veličiny nulové a po jeho doznení odpovedajú hodnotá v ustáleno stave obvodu. Pripájanie transforátora naprázdno na sieť sa prejavuje hlavne krátkodobý nárasto prúdu (ôže dosiahnuť nohonásobok ustálenej hodnoty), z čoho vyplýva hlavne problé s reakciou ochrán transforátora (ističov a poistiek). Transforátor ôže v toto stave podľa náhradnej schéy obr. 2.2 opísať diferenciálnou rovnicou: di0 R1 i0 + L1 = U sin ( ω t + α ) (2.8) dt Ak činný odpor priárneho vinutia R 1 0 ôžee ho v rovnici (2.2) zanedbať, teda rovnica sa zjednoduší na tvar: U U i 0 () t = sin( ωt + α ϕ) + sin( ϕ α ) (2.9) ωl1 ωl1 KVES 10

pričo L Lσ +, kde L je indukčnosť priaej vetvy náhradnej schéy transforátora 1 = 1 Lμ σ1 a L μ je indukčnosť priečnej vety (tzv. agnetizačná indukčnosť). Táto indukčnosť nie je konštantná, ale je funkciou prúdu naprázdno. Ide o čisto indukčný charakter obvodu, teda fázový posun edzi napätí a prúdo je ϕ = π 2. Rozlišujee dva základné edzné stavy prechodového javu pripojenia transforátora naprázdno na sieť: najpriaznivejší najnepriaznivejší Oba tieto stavy značne závisia od uhlu okažiku zopnutia α, preto je veľi dôležité vedieť, v ktoro okažiku pripojiť daný transforátor na sieť, a vyhnúť sa tak nežiadúci vplyvo. 2.3.2 Prechodový jav pri najpriaznivejšo stave Ak je uhol zopnutia ϕ = π 2, vtedy je časová zena napätia najenšia, lebo napätie nadobúda svoju axiálnu hodnotu, ide o najpriaznivejší stav, kedy sa prechodový jav neuplatní vôbec, to znaená, že prúd transforátora nabehne z nuly priao na svoju ustálenú hodnotu. Rovnica prechodového javu á teda tvar: i pričo U U U = (2.10) ωl ωl ωl () t sin( ωt + 0) + sin( 0) sin ωt 0 = 1 1 I = 0 U ωl () t I sinωt 1 1, a z toho následne dostávae výsledný vzťah pre priebeh prúdu: i0 = 0 (2.11) kde i 0 (t) je zhodný s ustálený prúdo v stave naprázdno. Časový priebeh prúdu i 0 (t) a napätia vidno na obr. 2.5. u, i U u I 0 0 i 0 ωt Obr. 2.5 Prechodový jav priebehu prúdu naprázdno pri ϕ = α = π 2 KVES 11

2.3.3 Prechodový jav pri najnepriaznivejšo stave Ak sa uhol zopnutia α = 0, napätie prechádza nulou, časová zena napätia je najväčšia a uplatní sa celá prechodová zložka prúdu. Dosadení príslušných hodnôt do vzťahu (2.9) dostávae rovnicu prechodového javu v tvare: U U U U i 0 () t sin( ωt + 0 π 2) + sin( π 2 0) cos + ωl ωl ωl ωl = = ωt (2.12) 1 1 1 1 pričo U I 0 =, a z toho opäť dostávae výsledný vzťah pre priebeh prúdu: ωl1 () t I 0 ωt i 0 = cos + I (2.13) Z tohto výsledného vzťahu vidno, že prúd osciluje edzi 0 a 2I 0, teda ide o najnepriaznivejší stav, čo je graficky znázornené na obr. 2.6, kedy je časová zena napätia najväčšia a prúd po pripojení nabieha z nuly až na dvojnásobok ustáleného stavu. Pri prechodovo jave teda existuje jednoserná zložka prúdu, a je značne závislá od okažiku pripojenia α transforátora k sieti. Ďalej je vidieť, že v prechodovej zložke sa neuplatňuje tliaci člen, teda tento obvod by teoreticky osciloval edzi 0 a 2I 0 nekonečne dlho, čo nie je pravda. Preto nie je ožné v praxi úplne zanedbať odpor priárneho vinutia R 1. Tý sa uplatní aj tliaci člen a prechodová zložka s časo postupne zanikne: () t R t L i0 = I 0 cos ωt + I 0 e (2.14) Takýto priebeh prúdu by nastal vtedy, keby napätie bolo také nízke, že by sa neuplatnilo nasýtenie agnetického obvodu a ag. obvod by ohol byť považovaný za lineárny, t.j. L 1 = konšt. Aby se ohli posúdiť vplyv nelinearity ag. obvodu na priebeh prúdu naprázdno, treba skúať priebeh ag. toku pri prechodovo jave. u, i U 2I 0 u i I 0 0 -I 0 -I 0 cos ωt ωt Obr. 2.6 Prechodový jav priebehu prúdu pri α = 0 KVES 12

2.4 Prechodový jav agnetického toku Magnetický tok je pri uvažovaní s konštantnou indukciou L 1 daný indukovaný napätí podľa Faradayovho zákona [2]: u i dφ = (2.15) dt V transforátore je výhodné vztiahnuť indukčný zákon (2.15) na celú cievku s počto závitov N: u i dφ = N (2.16) dt Magnetický tok sa pri napájaní haronický napätí ení tiež haronicky: u i dφ = N = U sin t dt ( ω + α ) Riešení tejto diferenciálnej rovnice podľa [3] dostávae riešenie v toto tvare: U U Φ = cos( ωt + α ) + cosα (2.17) Nω Nω V prípade, že riešie najnepriaznivejší stav, keď uhol pripojenia α = 0, rovnica sa zjednoduší do nasledujúceho tvaru: U Φ = cos Nω U Nω ( ωt) + = Φ cos( ωt) + Φ = Φ u + Φ p (2.18) Z tohto vzťahu vidno, že agnetický tok tiež osciluje edzi 0 a 2Φ podobne ako prúd naprázdno I 0. Priebeh napätia a agnetického toku je na obr. 2.7. u, Φ U 2Φ Φ 0 u Φ=- Φ cos ωt + Φ -Φ cos ωt Φ = konšt. ωt Obr. 2.7 Prechodový jav priebehu agnetického toku pri α = 0 Tento stav je uvažovaný za predpokladu, že zanedbávae nasýtenie, avšak pri jeho rešpektovaní sa priebehy zenia, čo je predeto nasledujúcej kapitoly. KVES 13

2.5 Prechodový jav pri uvažovaní nasýtenia a reanentného toku Pri uvažovaní nasýtenia pri prechodovo deji sa vplyvo agnetizačnej krivky značne zení priebeh výsledného prúdu. Keďže agnetický tok osciluje edzi 0 a 2Φ bude špička prúdu I 0dyn dosahovať podstatne väčšie hodnoty ako v ustáleno stave podľa obr. 2.3. Tento prúd sa opäť odvodí graficky podobne ako v kap. 2.2. Výsledný priebeh je vidno na obr. 2.8. Φ, B 2Φ t π 0 H I 0dyn Ak uvažujee ešte aj reanentný tok, ktorý je súhlasne orientovaný s toko Φ, poto sa vplyvo agnetizačnej krivky špička prúdu I 0dyn t Obr. 2.8 Priebeh agnetizačného prúdu pri rešpektovaní nasýtenia v prechodovo stave ešte viac zväčší ako v predchádzajúco prípade, kde nebol reanentný tok uvažovaný. Tento priebeh je znázornený na obr. 2.9. Φ, B 2Φ + Φ re t Φ re π 0 H I 0dyn t Obr. 2.9 Priebeh agnetizačného prúdu pri rešpektovaní nasýtenia a reanentného toku v prechodovo stave KVES 14

Ak by sa uvažoval aj vplyv hysterézy agnetického obvodu priebeh prúdu by bol nesúerný podobne ako v ustáleno stave (obr. 2.4). Vysoké špičky prúdu sú už natoľko veľké, že pri pripojení transforátora naprázdno k sieti už zareagujú aj ochranné prvky transforátora a okažité ho odpoja od siete. V oboch prípadoch sa zatiaľ neuvažuje s tlení, z čoho vyplýva, že prúd by stále osciloval edzi nulovou a axiálnou hodnotou I 0dyn. Hodnota činného odporu spôsobuje tlenie priebehu ako uvidíe v kap. 2.6. 2.6 Prechodový jav s uvažovaní tlenia Pri uvažovaní tlenia sa uvažuje vplyv činného odporu priárneho vinutia R 1, teda prechodová zložka agnetického toku Φ p s časo postupne zanikne a ag. tok Φ sa ustáli na svoju enovitú hodnotu. Priebeh výsledného agnetického toku Φ vysl aj s uvažovaní reanentného toku Φ re je znázornený na obr. 2.9 Tento prechodový jav pri zapínaní transforátora trvá aj niekoľko sekúnd, keďže R 1 je poerne alý. u, Φ Φ edz U Φ vysl u 0 Φ p Φ re ωt Φ u Obr. 2.9 Prechodový jav s uvažovaní tlenia KVES 15

3 Meranie na transforátore Účelo eraní, ktoré sa uplatnia v prechodovo jave transforátora, je určiť niektoré prvky náhradnej schéy transforátora: odpor priárneho vinutia R 1, rozptylovú reaktanciu X σ1 a z nej rozptylovú indukčnosť priárneho vinutia L σ1, a agnetizačnú indukčnosť X μ a z nej agnetizačnú indukciu L μ = f(i 0 ). Všetky tieto prvky sú potrebné pre účely siulácie prechodového deja pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť. 3.1 Štítkové údaje transforátora Pre účely tejto bakalárskej práce bol použitý jednofázový EI transforátor s nasledovnýi paraetrai: priárne napätie U 1 = 230 V sekundárne napätie U 2 = 42 V výkon S = 600 V.A frekvencia f = 50 Hz Obvodová schéa daného transforátora je znázornená na obrázku obr. 3.1: N 1 N 2 U 1 U 2 R 1 R 2 Obr. 3.1 Obvodová schéa transforátora 3.2 Meranie odporu priárneho vinutia Na eranie odporov vinutí sa používa VA-etóda jednoserný prúdo, pretože je poerne presná a na eranie odporov transforátora úplne postačuje. Schéa zapojenia je na obr. 3.2. Pre našu aplikáciu postačuje eranie priárneho vinutia R 1, keďže odpor sekundárneho vinutia R 2 sa pri prechodovo deji pripojenia transforátora naprázdno na sieť neuplatňuje pozri. obr. 2.2. KVES 16

+ - A V Obr. 3.2 Meranie odporu priárneho vinutia T = 25 C Naerané a vypočítane hodnoty sa nachádzajú v tabuľke Tab. 3.1 Tab. 3.1 U [V] I [A] R 1 [Ω] 1. 4,4 2,42 1,818 2. 3,8 2,1 1,810 3. 3 1,66 1,807 U 4,4 R 1 = = = 1, 818Ω I 2,42 (3.1) R1 R = 1 = 1,811Ω 3 (3.2) 3.3 Meranie v stave nakrátko Účelo tohto erania je určiť rozptylovú reaktanciu X σ1 a z nej následné rozptylovú indukčnosť priárneho vinutia L σ1. Rozptylová reaktancia X σ2 sa pri prechodovo deji pripojenia transforátora naprázdno na sieť neuplatňuje, čiže pre naše účely nie je podstatná ale eraní nakrátko je zahrnutá do celkovej reaktancie: X = X + X (3.3) σ σ1 σ2 I k R 1 X σ1 X σ2 R 2 ~ u Obr. 3.3 Náhradná schéa transforátora v stave nakrátko Meranie sa robí pri zníženo napätí tak, aby obvodo tiekol približne enovitý prúd a nedošlo tak k tepelnéu poškodeniu vinutia. Svorky sekundárneho vinutia sú pri to skratované. Schéa zapojenia je na obr. 3.4. KVES 17

230V 50Hz AT A W V Obr. 3.4 Meranie transforátora v stave nakrátko Z naeraných hodnôt Tab. 3.2 napätia U k, prúdu I k a príkonu nakrátko P k vypočítae učinník nakrátko cos φ k, a z neho následne sin φ k : Pk 16,7 cosϕ k = = = 0,92 (3.4) U I 9,85 1,835 k k 2 2 sinϕ = 1 cos ϕ = 1 0,92 0,38 (3.5) k k = Ipedanciu nakrátko Z k vypočítae podľa nasledujúceho vzťahu, a z nej reaktanciu nakrátko X σ podľa vzťahu (3.7): Z k U k 9,85 = = = 5, 3678Ω I 1,835 k X σ = Z k sinϕ k = 5,3678 0,38 = 2, 0533Ω (3.7) Keďže rozptylová reaktancia nakrátko X σ je zložená z rozptylovej reaktancia priárneho a sekundárneho vinutia, rozdelíe ju na polovicu [3]. Rozptylovú indukčnosť priárneho vinutia vypočítae podľa nasledujúceho vzťahu: X σ 2 X σ 2 2,0533 2 L σ 1 = = = = 0,003268 H (3.8) ω 2 π f 2 π.50 Výslednú hodnotu L σ1 určíe ako aritetický prieer naeraných hodnôt L σ1 : Lσ1 L 1 = σ = 0,003197 H (3.9) 4 (3.6) Tab. 3.2 č.. U k [V] I k [A] P k [W] cos φ k [-] sin φ k [-] Z k [Ω] X σ [Ω] L σ1 [H] 1. 9,85 1,835 16,7 0,92 0,38 5,3678 2,0533 0,003268 2. 8,44 1,57 12,3 0,93 0,37 5,3757 1,999 0,003182 3. 6,22 1,16 6,7 0,93 0,37 5,3620 1,9898 0,003167 4. 4,22 0,792 3,1 0,93 0,37 5,3282 1,9915 0,00317 KVES 18

3.4 Meranie v stave naprázdno V stave naprázdno je priárne vinutie transforátora pripojené na (1,2U n ). Sekundárne svorky sú rozpojené (naprázdno). Meranie robíe postupný znižovaní tohto napätia. Schéa zapojenia obvodu pre eranie transforátora v stave naprázdno je na obr. 3.5. 230V 50Hz AT A W V Obr. 3.5 Meranie transforátora v stave naprázdno V našo prípade nebolo ožne dodržať zásadu približne (1,2U n ), pretože bolo potrebne získať hodnoty agnetizačnej indukčnosti L μ pri vyšších prúdoch, aby bol priebeh L μ = f(i 0 ) čo najpresnejší, v dôsledku využitia týchto hraničných hodnôt pri siulácií prechodového javu. Preto bolo potrebné zvýšiť svorkové napätie na približne 400 V, čo už postačovalo. Naerané a spracované hodnoty sú uvedené v prílohe A, Tab. 3.3. Pretože bol použitý erací prístroj s viacúčelový eraní, nebolo nutné niektoré veličiny dopočítavať, ale priao odčítať z prístroja. Z naeraných hodnôt cos φ 0 sa poocou vzťahu (3.10) vypočíta tiež sin φ 0 : 2 2 sinϕ = 1 cos ϕ = 1 0,2385 0,9711 (3.10) 0 0 = Zo získaných a dopočítaných hodnôt ďalej určíe agnetizačný prúd I μ a z neho poocou vzťahu (3.12) vypočítae agnetizačnú reaktanciu X μ : I μ = I 0 sinϕ 0 = 0,056 0,9711 = 0, 0544 A (3.11) U 50 X μ = = = 919, 39Ω (3.12) I 0,0544 μ Výsledný vzťah pre výpočet agnetizačnej indukcie L μ je daný takto: X μ X μ 919,39 Lμ = = = = 2, 927 H (3.13) ω 2 π f 2 π 50 Z týchto vypočítaných hodnôt ďalej zostrojíe závislosť L μ = f(i 0 ) obr. 3.6, ktorá je dôležitá pre siuláciu prechodového javu, ktorý bude popísaný v nasledujúcej kapitole. KVES 19

3,5 3,0 2,5 L μ [H] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 I 0 [A] Obr. 3.6 Závislosť agnetizačnej indukčnosti od prúdu naprázdno 3.5 Siulácia a sníanie prechodového javu 3.5.1 Siulácia prechodového javu Na siuláciu použijee rovnicu (2.8), kap. 2.3.1 popisujúcu náhradnú schéu transforátora v stave naprázdno obr. 2.2, kap. 2.2 pri riešení prechodového javu a paraetre transforátora zistené z eraní naprázdno, nakrátko a erania odporu vinutia. Progra siulácie prechodového javu je zobrazený na obr. 3.7. Hodnoty použité v siulácii v prograe Matlab v6.5 boli získané z predchádzajúcich eraní. Vstupné údaje: U = 325,27 V, R 1 = 1,811 Ω, L 1 = 0,003197 H, L μ = f(i 0 ) Obr. 3.7 Progra siulácie prechodového javu prip. transforátora v stave napr. na sieť KVES 20

Priebeh prúdu naprázdno I 0 sledujee v dvoch časových okažikoch a to pri uhle zopnutiaα = π 2, a pri uhle zopnutia α = 0. Siulované priebehy sú zobrazené na obr. 3.8 a obr. 3.9. Obr. 3.8 Siulovaný priebehu prúdu naprázdno pri α = π 2 (najpriaznivejší stav) Obr. 3.9 Siulovaný priebehu prúdu naprázdno pri α = 0 (najnepriaznivejší stav) Maxiálna aplitúda prúdu zo siulovaných priebehov pri uhle zopnutia α = 0 je I 0 = 1,38 A a pri uhle zopnutiaα = π 2 je I 0 = 0,44 A. KVES 21

3.5.2 Sníanie náhodného prechodového javu poocou osciloskopu Sníanie prechodového javu poocou osciloskopu sa robí z dôvodu porovnania s priebehi získanýi siuláciou. Schéa zapojenia obvodu pre eranie pripojenia transforátora naprázdno na sieť je na obr. 3.10. Saotné eranie sa uskutočňuje zopnutí vypínača VP. Keďže okaih pripnutia transforátora na sieť je náhodný a nie je ožné si ho pri eraní presne určiť usíe pripnutie viackrát zopakovať. Je to z preto, aby se sa čo najviac priblížili k dvo edzný prípado a síce keď je α = 0 a α = π/2. Úlohou je vyvinúť zariadenie, ktoré snía priebeh napätia a cielene uskutočňuje pripojenie transforátora v požadovano okažiku. Toto zariadenie je nazvané Synchronizačné zariadenie a je podrobne opísane v kap. 4. AT VP 230V 50Hz Osc. Obr. 3.10 Sníanie prechodového javu poocou Osciloskopu a) b) Obr. 3.11 Sníané náhodné priebehy prúdu naprázdno pri: a) najpriaznivejšo stave, po b) najnepriaznivejšo stave Nasníaní týchto náhodných priebehov obr. 3.11 v blízkosti najpriaznivejšieho stavu a taktiež aj najnepriaznivejšieho stavu se dokázali platnosť teoretických poznatkov uvedených v predchádzajúcich kapitolách. KVES 22

3.5.3 Sníanie prechodového javu poocou synchronizačného zariadenia Pre presné porovnanie sa sníanie urobí poocou Synchronizačného zariadenia, ktoré ako bolo už spoínané je podrobne opísane v kap. 4. pripojujúceho transforátor naprázdno na sieť v definovano okažiku zopnutia. Sníane priebehy poocou synchronizačného zariadenia sa nachádzajú na obr. 3.12, obr. 3.13 a detailný priebeh prúdu naprázdno na obr. 3.14. Obr. 3.12 Sníaný priebeh prúdu naprázdno pri definovano okažiku pripojenia α = 0 Obr. 3.13 Sníaný priebeh prúdu naprázdno pri definovano okažiku pripojenia α = π/2 KVES 23

a) b) Obr. 3.14 Detailný priebeh ustáleného prúdu naprázdno: a) pri definovano okažiku pripojenia α = π/2, b) pri definovano okažiku pripojenia α = 0 Ako vidno na obr. 3.14a priebeh prúdu je neharonický presne ako to bolo odvodené v kap. 2.2. Priebeh na obr. 3.14b je takisto neharonický a navyše dosahuje značne väčšiu hodnotu ako v ustáleno stave obr. 3.12, čo odpovedá najnepriaznivejšieu stavu tak ako to bolo odvodené v kap. 2.5. Maxiálna aplitúda prúdu z nasníaných priebehov pri uhle zopnutia α = 0 je I 0Mer = 9,5 A a pri uhle zopnutiaα = π 2 je I 0Mer = 0,79 A. 3.5.4 Porovnanie sníaných a siulovaných hodnôt Z porovnania siulovaných a sníaných hodnôt poocou Synchronizačného zariadenia je vidieť, že priebehy prúdu pri najpriaznivejšo stave α = π/2 a taktiež aj pri najnepriaznivejšo stave α = 0 sa po grafickej stránke taker presne zhodujú. To potvrdzuje správnosť erania. I 0 sa nezhoduje s I 0Mer, lebo v prechodovo stave sa správanie transforátora riadi podľa L μdyn. Ak upravíe hodnotu L μ na L μdyn zistenú z erania prechodového stavu dosadení do rovníc pre prechodový jav výsledok sa zhoduje s eraní poocou synchronizačného zariadenia pozri obr. 3.15. I μ = I 0Mer sinϕ 0 = 9,5 0,9982 = 9, 4834 A (3.14) U 325 X μ = = = 310,9 6Ω (3.15) I 9,4834 μ Výsledný vzťah pre výpočet prepočítanej agnetizačnej indukcie L μdyn pri U = 325 V je daný takto: KVES 24

X μ X μ 310,96 LμDyn = = = = 0, 108 H ω 2 π f 2 π 50 (3.16) Obr. 3.15 Upravený siulovaný priebehu prúdu naprázdno pri α = 0 (najnepriaznivejší stav) práce. Meranie celej funkčnej závislosti L μdyn = f(i) presahuje ráec tejto bakalárskej 3.6 Zozna použitých eracích prístrojov A jednoserný, agnetoelektrický, Tp = 0,2 % A striedavý, feroagnetický, Tp = 1 % AT Autotransforátor, 0 260 V, 13 A, 3,38 kv.a Jednoserný zdroj ± 15 V V Digitálny ultieter Metex, M-4660M W elektrodynaický tienený, Tp = 0,5 % Vektorový watteter KVES 25

4 Návrh synchronizačného zariadenia 4.1 Vývojové prostredie LabVIEW Pre realizáciu Synchronizačného zariadenia bolo zvolené použitie vývojového prostredia LabVIEW. LabVIEW (Laboratory Virtual Instruents Engineering Workbench) vytvorené spoločnosťou National Instruents Corporation je oderné prograovacie vývojové prostredie určené na tvorbu virtuálnych prístrojov (Virtual instruents) (*.vi) vo fore blokových diagraov. Vývojové prostredie je založené na graficko prograovaní tzv. G jazyk (Graphical language), čiže pre užívateľa je práca s LabVIEW podstatne zjednodušená. Progray vytvorené v jazyku G bežia po preložení porovnateľne rýchlo, ako progray napísané v jazyku C, ktorý je všeobecne považovaný za veľi efektívny [13]. Obsahuje nespočetné nožstvo knižníc pre analýzu eraných dát. Dáta je ožné získať z eracích kariet z rôznych eracích prístrojov. Vytváranie virtuálneho pristroja sa uskutočňuje v interaktívno graficko rozhraní (Graphical User Interface - GUI) nazývaný tiež čelný panel (Front Panel) a blokovou schéou (Block Diagra). Čelný panel je vcelku prepracované užívateľské rozhranie, kde s využití pripravených prvkov (LED indikátory, grafy, prepínače, tlačidla,...) je ožné veľi jednoducho pripraviť vkusné eracie pracovište ovládane počítačo. Bloková schéa (Block Diagra) je vývojové prostredie, ktoré obsahuje rád rôznych funkcií napr. pre analýzu signálu v časovej a frekvenčnej oblasti, zber dát, digitálne filtre, štatistiku, výpočet diferenciálnych rovníc, integrálov a iných ateatických funkcií atď. Modeluje sa v ňo bloková schéa algoritu aplikácie. Poocou blokov, ktoré zodpovedajú daný funkciá je ožné zostaviť potrebnú funkčnú schéu. Výhodou LabVIEW je, že po dokončení prograu je ožne ho skopilovať do spustiteľného *.exe súboru a neskôr prevádzkovať saostatne. Dostupne je pre všetky platfory operačného systéu. Aktuálna verzia je 8.5, no pre účely tejto bakalárskej práce je použitá staršia verzia 8.2. 4.2 Bloková schéa synchronizačného zariadenia Na obrázku obr. 4.1 sa nachádza bloková schéa synchronizačného zariadenia pripojujúceho transforátor na sieť v definovano uhle zopnutia α. Synchronizačné zariadenie pozostáva z troch hlavných častí: KVES 26

1. Ovládacia aplikácia v LabVIEW 2. Sníacie obvody 3. Výkonový obvod Každá z týchto troch častí obsahuje ešte ďalšie časti, ktoré budú ďalej popísané v nasledujúcich kapitolách. Sieť Obvod výkonového spínača Transforátor Synchronizačné zariadenie PC Sníanie napätia LabVIEW Vstupy karty Hardvérová karta PCI 6221 Blok panel Front panel Sníanie prúdu Výstupy karty Meranie Nastavenie Obr. 4.1 Bloková schéa synchronizačného zariadenia 4.3 Ovládacia aplikácia v LabVIEW 4.3.1 Všeobecný popis ovládacej aplikácie Ovládacia aplikácia v LabVIEW alebo tiež Virtuálny prístroj pozostáva z dvoch hlavných časti, tak ako už bolo spoínané v kap. 4.1: Front Panel Block Diagra Vo front paneli sa nachádza ovládacia časť aplikácie s eraní napätia siete a prúdu naprázdno transforátora po pripojení k sieti a nastavovaní uhla zopnutia obvodu. V block diagrae je prograovacia časť virtuálneho pristroja. Ako hardvérová časť LabVIEW je použitá eracia karta NI PCI 6221. KVES 27

Block diagra ďalej pozostáva z týchto troch najzákladnejších časti: Obvod nájdenia nuly Obvod nájdenia aplitúdy napätia Obvod ovládania triaku Celkové zapojenie front panelu a taktiež aj block diagrau sa nachádza pre jeho veľkosť v prílohách D a E. Vstupné dáta sa načítavajú z eracej karty poocou DAQ Assistanta, a ďalej sú posielane do ďalších časti ovládacej aplikácie. Celý tento cyklus prebieha Real-tie s vzorkovanou frekvenciou 9 khz, čo ešte PC relatívne zvláda. Pri vyššej frekvencii je ožnosť straty údajov. Po spustení tlačidla RUN je na Case Structure poslaná hodnota TRUE a spustí sa načítavanie údajov uzavreté v cykle For s nastaviteľný počto krokov (Zadávacie pole Nueric vo Front Panely). Po vykonaní nastaveného poctu vzoriek a zopnutí triaku taktiež poocou DAQ Assistanta sa cyklus ukončí a dáta sú posielané do Wavefor,kde sú vo Front Paneli zobrazené užívateľovi obr. 4.2. Obr. 4.2 Wavefor graph vo Front paneli 4.3.2 Obvod nájdenia nuly Tato časť aplikácie sa nachádza na block diagrae a schéa zapojenia na obr. 4.3. KVES 28

Obr. 4.3 Obvod nájdenia nuly Hlavnou časťou tohto obvodu sú logické členy porovnávajúce privedenú aktuálnu hodnotu sníaného napätia. Keďže výkonová časť obvodu je riešená triako, a ten na svoju činnosť potrebuje alú hodnotu napätia, nie je ožné ho spínať presne v nule, ale v určito rozedzí napätia. Čiže privedená hodnota z eracej karty získaná z bloku Tone Measureents je privedená na blok Case Structure, a porovnávaná s hodnotou napätia približne 0,01 * U, v kladnej aj zápornej polvlne sínusovky napätia. Z výstupu porovnávacích členov enší (Less) a väčší (Greater) seruje inforácia na prvý logický člen And, čiže len ak sú splnené obe podienky porovnávacích členov obvod pošle inforáciu TRUE ďalej, ak nie pošle hodnotu FALSE. Aby sa nezobrazoval na výstupno grafe naeraný priebeh úplne od začiatku je do obvodu pridaný ďalší logický člen And, ktorý po vykonaní nastaveného počtu cyklov pošle hodnotu TRUE do ďalšieho obvodu. Obvod je aktívny, iba ak je na ovládací vstup bloku Case Structure privedená hodnota FALSE. 4.3.3 Obvod nájdenia aplitúdy napätia Týto obvodo je ožné zachytiť aplitúdu napätia, a teda pripnúť transforátor v najpriaznivejšo stave, keď α = π/2. Schéa zapojenia tohto obvodu sa nachádza na Block Diagrae obr. 4.4. Obvod je aktivovaný privedení logickej hodnoty TRUE na vstup bloku Case Structure. Keďže aplitúdu ako saostatnú hodnotu napätia nie je ožné úplne presne zachytiť obvod porovnáva napätie edzi aplitúdou napätia a 0,9998 * U. V toto rozedzí je oveľa väčšia pravdepodobnosť zachytenia, ako keby bola hľadaná len saotná aplitúda. Presnosť hľadania aplitúdy napätia je tiež značne ovplyvnená skreslení sieťového napätia v jeho špičke, a to vplyvo pulzne spínaných zdrojov pripojených na sieť, napr. PC. KVES 29

Obr. 4.4 Obvod nájdenia aplitúdy napätia Vstupný signál je privádzaný na blok Case Structure, kde je porovnávaný v porovnávacích členoch (Less) a (Greater). Ak sú splnené obe podienky, logický člen And pošle logickú hodnotu TRUE na ďalší logický člen And. V ňo je táto hodnota porovnávaná s výstupo porovnávacieho člena Greater. Ten porovnáva aktuálnu hodnotu napätia s hodnotou v predošlo cykle získanou zo Shift Registra. Tý je zabezpečené, že obvod reaguje len na nábežnu hranu sínusovky, kvôli neharonickéu priebehu sínusovky. 4.3.4 Obvod ovládania triaku Tento obvod ovláda digitálny výstup (DO) eracej karty poocou DAQ Assistanta, a tý aj obvod výkonového spínača, ktorý je podrobne popísaný v kap. 4.5. Schéa zapojenia obvodu ovládania triaku je na obr. 4.5. Obr. 4.5 Obvod ovládania triaku Ak na vstup bloku Case Structure príde hodnota FALSE, blok sa prepne do FALSE a z výstupu je ďalej posielaná hodnota FALSE, čiže sa neaktivuje DAQ Assistant. Ak však príde na vstup Case Structure hodnota TRUE, blok sa prepne do TRUE a táto hodnota sa ďalej posiela na DAQ Assistanta cez blok Build Array, ktorý vytvára jednorozerné pole. Hodnotou TRUE DAQ Assistant aktivuje digitálny výstup, a teda sa zapína aj obvod KVES 30

výkonového spínača. V Shift registri zostáva hodnota TRUE počas celého cyklu For popísaného v kap. 4.3.1, čiže obvod nereaguje na ďalšie hodnoty FALSE, a digitálny výstup zostáva počas neho aktívny. Digitálny výstup zostane aktívny aj po skončení cyklu For, pretože si paätá posledné nastavenie a vypnúť ho je ožné len hodnotou FALSE poslanou do DAQ Assistanta obr. 4.6. Obr. 4.6 Obvod vypnutia triaku 4.4 Sníacie obvody Ako sníacie zariadenia sú použite LEM oduly od firy LEM Industry. Na sníanie napätia je použitý typ LV25-600, ktorý je uiestnený priao na doske plošných spojov obr. 4.7 s vstupný napätí do 600 V. Na sníanie prúdu typ LA55-A s vstupný prúdo do 50 A. Sníané napätie napäťového LEM odulu je odoberané z eracieho rezistora R U = 200 Ω. Tento rezistor je z technických dôvodov uiestnený na doske plošných spojov prúdového LEM odulu označený ako R1. Keďže axiálny výstupný prúd LEM odulu z katalógových údajov pri vstupno napätí 600 V je 25 A, tak axiálna hodnota výstupného sníaného napätia je daná vzťaho: U = R I = 200 0,025 5V (4.1) vys U PN = Z toho vyplýva, že poer edzi vstupný a výstupný napätí je daný: U PN 600 p U = = 120 (4.2) U 5 = vys Obr. 4.7 DPS LEM LV25-600 zo strany súčiastok KVES 31

U prúdového LEM odulu je sníané napätie odoberané taktiež z eracieho rezistora R I = 100 Ω (na DPS ako aj v schée zapojenia prúdového LEM odulu je označený ako R2). Keďže prúdový LEM je určený pre 50 A a pre naše účely je potrebné sníať prúd axiálne do 10 A, je nutné zeniť prevod daného LEM odulu. Základne je daný prevod 1:1000. Ovplyvniť sa dá len počet priárneho vinutia (Počet závitov prechádzajúcich cez LEM odul), preto je nutné ho prepočítať pre prúd 10 A poocou vzťahu (4.4). Najprv je však nutne vypočítať prúd I SN. Ten určíe z nasledujúceho vzťahu: U SN 10 I SN = = = 0, 1A (4.3) R 100 I Kde, U SN je 10 V (Max. dovolená hodnota pre vstup eracej karta NI PCI 6221) N 2 I SN 0,1 I PN = I SNI pi = I SN N1 = N 2 = 1000 = 10 závitov (4.4) N I 10 1 Poer vstupného ku výstupnéu prúdu je teda daný takto: PN I PN 10 p I = = 100 (4.5) I 0,1 = SN Schéa zapojenia sa nachádza na obr. 4.8, DPS zo strany spojov na obr. 4.10 a DPS zo strany súčiastok na obr. 4.9. Obr. 4.8.Schéa zapojenia LEM LA55-P Obr. 4.9 DPS zo strany súčiastok LEM LA55-P KVES 32

Obr. 4.10 DPS zo strany spojov LEM LA55-P 4.5 Obvod výkonového spínača 4.5.1 Popis zapojenia Celý obvod vychádza zo zapojenia zo [6] a [12]. Na svorkovnicu X3 privádzae napätie 5 V z digitálneho výstupu eracej karty NI PCI 6221. Ako spínač triaku TY1 (BTA41-600) a ako hlavný oddeľovači prvok je použitý optotriaku IC1 (MOC3023). Riadiace napätie je privádzané na pin1 a pin2. Pre obedzenie prúdu LED diódy v optotriaku je do obvodu zaradený rezistor R1. Na výstup optotriaku pin6 je cez obedzovací rezistor R2 privedené sieťové napätie zo svorkovnicu X1. Pri zopnutí optotriaku sa na pine4 IC1 objaví napätie, ktoré je vedené k riadiacej elektróde GT výkonového triaku TY1. Pre zlepšenie funkcie spínania triaku TY1 je k jeho riadiacej elektróde GT zapojený RC člen zložený z R3 a C1. Výkonový triak je dienzovaný na prúd až 40 A a napätie 600 V. Bol zvolený s ohľado na jeho ožnú aplikáciu aj u výkonnejšieho transforátora ako je použitý v tejto bakalárskej práci. Je uložený v puzdre TOP3 a pripevnený na dostatočné veľký chladič. Varistor RV1 pripojený paralelne k pino A1, A2 triaku TY1 a zabraňuje vzniku napäťových špičiek, ktoré vznikajú vplyvo spínania indukčnej záťaže (Transforátor) a zabraní tak prípadnéu poškodeniu triaku. Varistor RV2 slúži na ochranu pred prepätí v sieti a nežiaduci zopnutí triaku. Na svorkovnicu X2 je vyvedené spínane napätie pre pripojenie transforátora. Schéa zapojenia tohto obvodu je na obr. 4.11. KVES 33

Obr. 4.11 Schéa zapojenia obvodu výkonového spínača 4.5.2 Osadzovanie a oživenie pristroja Obvod výkonového spínača je realizovaný na jednostrannej doske plošných spojov o rozeroch 70 x 55. Doska plošných spojov ako aj rozloženie súčiastok sa nachádza na obrázkoch obr. 4.12 a obr. 4.13. Kvôli prúdovéu naáhaniu spojov vedúcich od svorkovnice k triaku sú tieto spoje posilnene vrstvou cínu, čí sa zväčší ich vodivý prierez. Najprv sa osadí objíka pre optotriak DIL6 pre jeho prípadnú ľahkú výenu, ďalej rezistory a ostatné súčiastky. Ako posledný sa osadí triak TY1 s pripevnený chladičo. Dôkladnou kontrolou sa skontroluje vodivosť plošných spojov a prípadne vzniknuté chyby sa odstránia. Obr. 4.12 DPS zo strany spojov obvodu výkonového spínača KVES 34

Obr. 4.13 DPS zo strany súčiastok obvodu výkonového spínača Keďže obvod je galvanicky spojený so sieťou je nutné pri jeho oživovaní dodržať bezpečnostné predpisy pre prácu so zariadení pod napätí. Pri oživení je vhodné použiť zdroj zníženého napätia (Autotransforátor). Na svorkovnicu X1 privediee znížené napätie, a na svorkovnici X2 priložený voltetro sledujee prítonosť tohto napätia, ak ta nie je ôže pripojení ovládacieho napätia +5 V na svorkovnicu X3 otestovať jeho funkčnosť. Ak je všetko v poriadku na svorkovnici X2 sa bude nachádzať napätie z Autotransforátora. Týto je overená základná funkčnosť daného zariadenia, a teda ôžee na svorkovnicu X2 pripojiť záťaž (Transforátor) a overiť tak celkovú funkčnosť. Zozna použitých súčiastok: R1... 330 Ω R2... 470 Ω R3... 1 kω C1... 330 nf/250 V IC1... MOC3023 TY1... BTA41-600 X1, X2... TB-5.0-P 5 X3... RIA 61/02 3,5 RV1, RV2... S14K 420 Hotové zariadenie vrátane sníacích obvodov je v prílohe F. KVES 35

4.6 Zapojenie eracej karty PCI 6221 k hardvérový súčastia Sníané veličiny sú privedené priao z eracích odporov R na analógové vstupy eracej karty PCI 6221. Všetky analógové vstupy ajú erací rozsah ± 10 V. Sníané sieťové napätie z napäťového LEM odulu je privádzané na analógový vstup AI0. Prúd naprázdno je sníaný z prúdového LEM odulu a ako napätie je privedený na analógový vstup AI1 vid. kap. 4.4. Keďže digitálny výstup a podstatne kratší prístupový čas ako analógový výstup je riadiaci ipulz privádzaný na obvod výkonového spínača posielaný na digitálny výstup DO0. Pre zobrazenie ipulzu na vo Wavefor grafe je na svorkovnici eracej karty prepojený digitálny výstup DO0 s analógový vstupo AI3. Presný popis vstupov a výstupov eracej karty PCI 6221 je v prílohe B. KVES 36

5 Záver Cieľo tejto práce bolo teoretické vysvetlenie prechodových javov pri pripínaní jednofázoveho transforátora v stave naprázdno na sieť, eranie tohto prechodového javu, porovnanie so siuláciou a vyhotovenie zariadenia, ktoré by bolo schopné zobrazovať tento prechodový jav. V prvej kapitole je dôkladne opísaný prechodový jav, ako vzniká, čo ho spôsobuje, a aký vplyv á na prúd naprázdno a agnetický tok. Ďalšou časťou práce bola siulácia prechodového javu a jeho eranie na konkrétno transforátore. Aby bolo ožné vykonať siuláciu, bolo nutné vykonať základné erania na transforátore, ako sú: eranie odporu vinutia, eranie v stave naprázdno a eranie v stave nakrátko. Až po vykonaní týchto eraní bolo ožné siulovať prechodový stav v jeho dvoch edzných stavoch. Na eranie tohto prechodového javu bolo vyvinuté synchronizačné zariadenie, v ktoro je ožné voliť okaih pripojenia transforátora na sieť v dvoch základných edzných stavoch. Ako ovládacia časť zariadenia bolo použité vývojové prestretie LabVIEW. Je výhodné hlavne pre jeho univerzálnosť a ožnosť zobrazenia eraných výsledkov napr. vo fore grafickej závislosti. Jedinou nevýhodou aplikácie vytvorenej v toto prograe je, že nedokáže s úplnou presnosťou zachytiť tieto dva edzné stavy. A to z dôvodu, že erané napätie v sieti neá haronický sínusový priebeh, ale je neharonické vplyvo zariadení pripojených k sieti. Na presnejšie eranie, by bolo nutné použiť zdroj haronického sínusového napätia 230 V. Toto zariadenie nájde uplatnenie v školsko laboratóriu, kde by alo nahradiť eranie prechodového javu pripojenia transforátora v stave naprázdno na sieť na osciloskope, kde je tento jav dosiahnuteľný len náhodný opakovaný eraní. KVES 37

6 Zozna použitej literatúry [1] Bašta J, Chládek J, Mayer I.: Teórie elektrických strojů, SNTL, ALFA, Praha 1968. [2] Cigánek L.: Stavba elektrických strojů, SNTL, Praha 1958. [3] Hrabovcová V, Rafajdus P, Franko M, Hudák P.: Meranie a odelovanie elektrických strojov, ISBN 80-8070-229-2, Žilina 2004. [4] Kučera, J.: Model vodnej elektrárne návrh riadenia, diploová práca, Žiline 2007. [5] http://lvn.feld.cvut.cz/referen1/krasl_vlk_skala.pdf [6] http://ichal.slansky.sweb.cz/data/spinac_napajeni_pro_pc_periferie/text.pdf [7] http://pavel.lasakovi.co/znalosti/elektrotechnicky-sw/labview-uvod/ [8] http://skala.fei.tuke.sk/fei-kep/pre_studentov/elektrotechnika/trafo.pdf [9] http://sos.sk/a_info/resource/d/oc302x.pdf [10] http://www.cq.sk/odules.php?nae=news&file=article&sid=214 [11] http://www.drp.fph.uniba.sk/emm/07_kap07.pdf [12] http://www.f.tul.cz/kel/research/projects/trafostart/disertace_miroslav_novak.pdf [13] http://www.fzu.cz/departents/ultilayer/labview/obsah.htl [14] http://www.isstechn.cz/progray/elektronika/el_007.doc [15] http://www.ket.fei.tuke.sk/predety/pppet/_aterialy/labview/labview.pdf [16] http://www.ket.fei.tuke.sk/predety/pppet/_aterialy/labview/labview.pdf [17] http://www.le.co/ [18] http://www.lubino.sk/rs/3/files/aleo.pdf [19] http://www.ni.co [20] http://www.st.co/stonline/products/literature/ds/7469/bta41.pdf KVES 38

Čestné prehlásenie Prehlasuje, že so zadanú bakalársku prácu vypracoval saostatne, pod odborný vedení vedúceho bakalárskej práce prof. Ing. Valérie Hrabovcovej, PhD. a používal so len literatúru uvedenú v práci. V Žiline dňa... podpis študenta KVES 39

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta BAKALÁRSKA PRÁCA (Prílohová časť) 2008 Lukáš Kankula KVES 40

Príloha A Tabuľka naeraných hodnôt transforátora v stave naprázdno Tab.3.3 č.. U 0 [V] I 0 [A] P 0 [W] cos φ 0 [-] sin φ 0 [-] I μ [A] X μ [Ω] L μ [H] 1. 400 4,536 65,75 0,0361 0,9993 4,5330 88,24 0,281 2. 380 3,382 42,96 0,0333 0,9994 3,3801 112,42 0,358 3. 360 2,49 38,72 0,0431 0,9991 2,4877 144,71 0,461 4. 340 1,786 27,85 0,0458 0,9990 1,7841 190,57 0,607 5. 320 1,3 24,9 0,0597 0,9982 1,2977 246,59 0,785 6. 300 0,967 19,96 0,068 0,9977 0,9648 310,96 0,990 7. 280 0,761 17,51 0,081 0,9967 0,7585 369,15 1,175 8. 260 0,61 14,65 0,09 0,9959 0,6075 427,97 1,362 9. 250 0,544 15,3 0,0992 0,9951 0,5413 461,84 1,470 10. 240 0,489 14,6 0,1033 0,9947 0,4864 493,44 1,571 11. 230 0,444 13,1 0,1068 0,9943 0,4415 521,00 1,658 12. 220 0,404 12 0,1137 0,9935 0,4014 548,11 1,745 13. 210 0,368 10,7 0,119 0,9929 0,3654 574,74 1,829 14. 200 0,331 9,7 0,1354 0,9908 0,3280 609,85 1,941 15. 190 0,301 8,6 0,1431 0,9897 0,2979 637,79 2,030 16. 180 0,275 7,8 0,1518 0,9884 0,2718 662,22 2,108 17. 170 0,249 6,9 0,1608 0,9870 0,2458 691,73 2,202 18. 160 0,225 6,2 0,1724 0,9850 0,2216 721,92 2,298 19. 150 0,203 5,5 0,1842 0,9829 0,1995 751,78 2,393 20. 140 0,185 4,8 0,196 0,9806 0,1814 771,73 2,456 21. 130 0,166 4,1 0,2123 0,9772 0,1622 801,40 2,551 22. 120 0,148 3,5 0,2063 0,9785 0,1448 828,64 2,638 23. 110 0,132 3 0,2212 0,9752 0,1287 854,50 2,720 24. 100 0,118 2,5 0,2397 0,9708 0,1146 872,91 2,779 25. 90 0,106 2 0,2676 0,9635 0,1021 881,19 2,805 26. 80 0,093 1,7 0,285 0,9585 0,0891 897,43 2,857 27. 70 0,081 1,3 0,317 0,9484 0,0768 911,19 2,900 28. 60 0,068 0,9 0,2645 0,9644 0,0656 914,94 2,912 29. 50 0,056 0,7 0,2385 0,9711 0,0544 919,39 2,927 KVES 41

Príloha B Popis vstupov a výstupov eracej karty NI PCI 6221 Obr. B1 Popis pinov eracej karty PCI 6221 KVES 42

Príloha C Popis použitých blokov v LabVIEW - Boolean Button - Case Structure - Less - Greater - Increent - Multiply - Equal - Not - Or - DAQ Assistance - Tone Measureents - Wavefor Graph - Split Signals - Shift Register Convert fro Dynaic - Data - And - Build Array - Constant - Boolen Constant - Dial - Negate - Nu. Indicator Obr. C1 Popis požitých blokov v LabVIEW KVES 43

Príloha D Front panel ovládacej aplikácie v LabVIEW Obr. D1 Front panel ovládacej aplikácii v LabVIEW KVES 44

Príloha E Block diagra ovládacej aplikácie v LabVIEW Obr. E1 Block diagra ovládacej aplikácii v LabVIEW KVES 45

Príloha F Vyhotovená hardvérová časť synchronizačného zariadenia Obr. F1 Vyhotovená hardvérová časť synchronizačného zariadenia KVES 46