ΑΣΚΗΣΗ 3 Τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος σε λειτουργία χωρίς φορτίο 1
Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε τρεις μονοφασικούς Μ/Σ για να κάνουμε ένα τριφασικό αν τοποθετήσουμε το πρωτεύων και το δευτερεύων τύλιγμα κάθε μονοφασικού σε ένα στέλεχος και με τα τρία ελεύθερα στελέχη να δημιουργήσουμε ένα κοινό στέλεχος μέσα από το οποίο θα διέρχονται τρεις μαγνητικές ροές. Αν οι τρεις τάσεις που θα εφαρμοστούν είναι συμμετρικές τότε η συνολική ροή είναι μηδέν, οπότε το μεσαίο στέλεχος δεν χρειάζεται. Στην πράξη έχει επικρατήσει η κατασκευή των τριών στελεχών στο ίδιο επίπεδο όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα: Η κατασκευή αυτή είναι ασύμμετρη γιατί το μήκος της μαγνητικής γραμμής του μεσαίου στελέχους είναι μικρότερο των άλλων δύο. 2
Συνολικά έχουμε έξι ζευγάρια άκρων που αντιστοιχούν στις τρεις φάσεις: α) τρία ζευγάρια άκρων για το τύλιγμα υψηλής τάσης και β)τρία ζευγάρια άκρων για το τύλιγμα χαμηλής τάσης. Στη πράξη τα άκρα των τυλιγμάτων Χ.Τ. και Υ.Τ. είναι μόνο τρία και αντιστοιχούν στις τρεις φάσεις. Τα υπόλοιπα είναι εσωτερικά συνδεμένα σε μορφή τριγώνου ή αστέρα. Τα τυλίγματα του Μ/Σ είναι δυνατόν να συνδεθούν με τους πιο κάτω τρόπους : 1) Σε τρίγωνο 2) Σε αστέρα 3) Σε τεθλασμένο αστέρα(zig-zag). Η συνδεσμολογία των τυλιγμάτων των τριφασικών Μ/Σ παριστάνεται διεθνώς με σύστημα τριών συμβόλων. 1 ο σύμβολο: είναι το κεφαλαίο D και Y που σημαίνει πως το τύλιγμα της υψηλής τάσης είναι αντίστοιχα συνδεμένο σε τρίγωνο ή αστέρα. 2 ο σύμβολο: είναι το μικρό γράμμα d ή y ή z που σημαίνει πως το τύλιγμα χαμηλής τάσης είναι αντίστοιχα συνδεμένο σε τρίγωνο ή αστέρα ή zig-zag. 3 o σύμβολο: είναι ένας από τους αριθμούς 0,5,6,11 και ονομάζεται χαρακτηριστικός αριθμός και είναι πολλαπλάσιο των 30 ο. Αυτός ο αριθμός επί 30 ο μας δείχνει κατά πόσες μοίρες το διάνυσμα της χαμηλής τάσης προπορεύεται ως προς το διάνυσμα της υψηλής τάσης για την ίδια φάση του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος. 3
Στην πράξη εφαρμογή έχουν οι Yy0 Dy5 Yd 5. Στην σύνδεση ΑΣΤΕΡΑ έχουμε τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Ο κόμβος του Μ/Σ χρησιμοποιείται ως ουδέτερος και έτσι έχουμε τριφασικό σύστημα με 4 αγωγούς. Έχουμε 2 τάσεις πολική και φασική. Η διατομή του αγωγού είναι μεγάλη και ο αριθμός σπειρών μικρός άρα και το μονωτικό υλικό λιγότερο. Απλούστερη σύνδεση ανά φάση για παράλληλη λειτουργία. ενώ τα μειονεκτήματα του είναι: Η δυσκολία κατασκευής των πυρήνων και ότι τα πηνία στοιχίζουν ακριβότερα. Στην σύνδεση ΤΡΙΓΩΝΟΥ έχουμε τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Οικονομικά τυλίγματα σε μεγάλα ρεύματα Χ.Τ. ενώ τα μειονεκτήματα του είναι: 4
Το τύλιγμα μιας φάσης χρειάζεται περισσότερες σπείρες από ότι στον αστέρα. Η διατομή του σύρματος είναι μικρότερη. Στην σύνδεση ΤΕΘΛΑΣΜΕΝΟΥ ΑΣΤΕΡΑ το κυριότερο πλεονέκτημα του είναι ότι επιτρέπει την μονοφασική φόρτιση στο δευτερεύων ενώ μειονέκτημα του το μεγαλύτερο κόστος. Στον τριφασικό Μ/Σ έχουμε τις απώλειες χαλκού PCU, οι οποίες μεταβάλλονται με το φορτίο του Μ/Σ, και τις απώλειες σιδήρου, οι οποίες είναι συνάρτηση της τάσης και της συχνότητας. Εκτός από αυτές υπάρχουν και πρόσθετες απώλειες PZ οι οποίες προέρχονται ή από δινορεύματα στα τμήματα του, τα οποία δεν ανήκουν στο μαγνητικό κύκλωμα, όπως είναι το περίβλημα του Μ/Σ, ή από διηλεκτρικές απώλειες που δημιουργούνται στις μονώσεις των τυλιγμάτων. την σχέση: Οι συνολικές απώλειες σε ένα τριφασικό Μ/Σ δίνονται από P P CU P FE PZ Στην πράξη θεωρούμε ότι οι πρόσθετες απώλειες έχουν δύο συνιστώσες. Η μία είναι συνάρτηση της τάσης και εμπεριέχεται στις απώλειες σιδήρου P Z1 (πείραμα στην λειτουργία χωρίς φορτίο), η δε άλλη είναι συνάρτηση του ρεύματος φορτίου και εμπεριέχεται στις απώλειες χαλκού P Z 2 (πείραμα βραχυκύκλωσης). Άρα: P P P P P P P CU Z1 FE Z 2 0N KN 5
Β. Πορεία εκτέλεσης της άσκησης: Σκοπός: Μετά την πραγματοποίηση αυτής της άσκησης ο φοιτητής θα μπορεί να: πραγματοποιεί την συνδεσμολογία για την λήψη μετρήσεων σε μετασχηματιστές σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα. μπορεί να χαράζει και να αξιολογεί τις χαρακτηριστικές, I f U P f U του Μ/Σ. 0 1 0 1 απαντά σε σύνθετες ερωτήσεις. Πορεία εκτέλεσης της εργαστηριακής άσκησης: 1. Καταγράψτε τα στοιχεία των οργάνων και συσκευών που θα χρησιμοποιηθούν κατά την διεξαγωγή της άσκησης. 2. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία για την λήψη μετρήσεων στον μετασχηματιστή (λειτουργία χωρίς φορτίο) σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα. A w V U1 U2 V1 V2 W1 W2 L1 L2 L3 3 0...400V w 6
3. Ελέγξτε την ορθότητα της συνδεσμολογίας. 4. Δώστε τάση ανοίγοντας το τροφοδοτικό και μεταβάλλεται την τάση εισόδου U 1 από 0V μέχρι την ονομαστική τιμή της τάσης του Μ/Σ. 5. Καταγράψτε στον παρακάτω πίνακα τις τιμές της ηλεκτρικής έντασης I 0, της ηλεκτρικής ισχύος P 0. U1 V I ( A ) 0 1 W W 2 W W P W W W 0 1 2 6. Μηδενίστε την τάση τροφοδοσίας και κλείστε το τροφοδοτικό. 7. Χαράξτε τις χαρακτηριστικές I f U, P f U 0 1. 0 1 7
Υπόδειγμα των χαρακτηριστικών I0,Ik,P0,Pk I0=f(U1) Pk=f(Uk) Ik=f(Uk) P0=f(U1) U1 Ερωτήσεις: 1. Γιατί στο πείραμα σε λειτουργία χωρίς φορτίο οι απώλειες χαλκού ενός Μ/Σ ισχύος θεωρούνται αμελητέες; 8
Βιβλιογραφία 1. Ηλεκτρικές Μηχανές I ( Βιβλίο Θεωρίας) Ψωμιάδης Δημήτρης 2. Εφαρμογές Ηλεκτρικών Μηχανών I Ψωμιάδης Δημήτρης 3. Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών I Ψωμιάδης Δημήτρης 4. Ηλεκτρικές Μηχανές II (Βιβλίο Θεωρίας) Ψωμιάδης Δημήτρης 5. Εφαρμογές Ηλεκτρικών Μηχανών II Ψωμιάδης Δημήτρης 6. Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών II Ψωμιάδης Δημήτρης 7. http://chaos.c4label.teithe.gr/kioskeridis/ 8. Ηλεκτρικές Μηχανές. Ασύγχρονες Σύγχρονες Μηχανές. Ν.Π. ΤΡΩΓΑΔΑ. ΤΕΙ Λάρισας. 9. Ηλεκτρικές Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος (DC). Μετασχηματιστές. Ν.Π. ΤΡΩΓΑΔΑ. ΤΕΙ Λάρισας. 10. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Chapman Stephen J. Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ 2009. 11. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ θεωρία, λειτουργία, εφαρμογές, ρυθμίσεις και έλεγχος. Hubert Charles I. Εκδόσεις ΙΩΝ 2008. 9