MERACIE TRANSFORMÁTORY (str.191) Merací transformátor je elektrický prístroj transformujúci vo vhodnom rozsahu primárny prúd alebo napätie na sekundárny prúd alebo napätie, ktoré sú vhodné na napájanie meracích alebo ochranných prístrojov s požadovanou presnosťou. Najširšie použitie majú v energetike, najmä pri meraní v obvodoch vysokého napätia a veľkých prúdov, kde prispôsobujú rozsahy meracích, prípadne ochranných prístrojov. Využitie transformátora je veľmi výhodné, pretože okrem transformácie definovanej počtom závitov merací transformátor aj oddeľuje merací prístroj (zapojený na sekundárnej strane) od primárneho obvodu, ktorý sa zapája do meracieho obvodu. Meracie transformátory prúdu a napätia teda transformujú veľké striedavé napätia a prúdy na hodnoty vhodné na priame meranie pomocou meracích prístrojov. Meracie transformátory rozdeľujeme podľa účelu merania na prúdové a napäťové. Ich činnosť sa zakladá na princípe činnosti obyčajného transformátora. Zapojením meracieho transformátora do meracieho obvodu sa však zvyšuje chyba merania. Presnosť meracích transformátorov prúdu a napätia určuje ich trieda presnosti, podobne ako pri meracích prístrojoch. Triedy presnosti stanovuje STN (triedy presnosti 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3). Číslo udáva dovolenú pomernú chybu transformácie napätia alebo prúdu pri menovitých hodnotách prúdu alebo napätia a pri menovitom zaťažení. Náhradná schéma meracieho transformátora, ktorý je zaťažený impedanciou Z 2, je na obr. 7.1. Odpory R 1 a R 2 sú ohmické odpory primárneho a sekundárneho vinutia, Lr 1, a Lr 2 predstavujú rozptylové indukčnosti obidvoch vinutí, L1 a L2 sú vlastné indukčnosti vinutí a M je vzájomná indukčnosť. Rezistor R Fe nahrádza vplyv strát v magnetickom jadre pri striedavej magnetizácii. Pre túto náhradnú schému môžeme zostrojiť fázorový diagram (obr. 7.2). Kvôli jednoduchosti je nakreslený pre pomer počtu závitov primárnej a sekundárnej cievky N1 : N2 = 1 : l. Fázor napätia U 2 predbieha fázor sekundárneho prúdu I 2 o uhol φ 2. Prúd I 2 vyvoláva úbytky napätia na rezistore R 2, na reaktancii X 2 = j ω Lr 2 ako aj na impedancii Z 2 pokiaľ táto hodnota nie je zanedbateľná vzhľadom na ostatné veličiny. Úbytok napätia R 2 I 2 je vo fáze s prúdom I 2, úbytok napätia jx 2 I 2 predbieha prúd I, o π /2. Súčet týchto napätí (R 2 I 2 + jx 2 I 2 + U 2 ) sa rovná indukovanému napätiu Ui, ktoré je za predpokladu rovnakého počtu závitov primárnej aj sekundárnej strany rovnaké na obidvoch stranách transformátora. Voči indukovanému napätiu je fázor spoločného Náhradná schéma magnetického toku posunutý dozadu o π /2. S týmto tokom je vo fáze transformátora pri zaťažení magnetizačný prúd I m, prúd I Fe, je vo fáze s napätím Ui. Prúd I 2 je tiež vyvolaný tým istým indukovaným napätím, aké je na primárnej strane, preto je celkový primárny prúd súčtom troch prúdov, teda I 1 =I m +I Fe +I 2 =I 0 +I 2, Io=I m +I Fe kde Io je celkový magnetizačný prúd, ktorý by tiekol primárnym vinutím vtedy, keby bol sekundárny prúd nulový. Z fázorového diagramu vyplýva, že prúdy I 1 a I 2 nie sú vo fáze a je medzi nimi fázový posun φi. Taktiež veľkosti prúdov I 1 a I 2 pri uvažovanom počte závitov nemôžu byť rovnaké. Merací transformátor transformuje teda primárny prúd na sekundárny s chybou prúd u a s chybou fáz y. Podobne pri transformovaní napätia nebude v zaťaženom stave svorkové primárne a sekundárne napätie rovnako veľké a napätia tiež nebudú vo fáze. Aj tu vzniká chyba napätia a chyba fázy. 1
Primárne vinutie meracieho transformátora prúdu sa zapája do série s meraným obvodom a pracuje v blízkosti stavu nakrátko. Primárny prúd I 1 býva väčší ako sekundárny prúd I 2. Meracie transformátory sa vyrábajú pre menovité hodnoty primárneho prúdu až do 10 ka. Menovitý sekundárny prúd je 1 A alebo 5 A. Prednostne sa používa hodnota 5 A, hodnota 1A sa používa v špeciálnych prípadoch, ak je merací prístroj vzdialený od meracieho transformátora kvôli zmenšeniu úbytku napätia na vedení. Merací prístroj sa zapája na sekundárnu stranu. Pre ideálny merací transformátor prúdu sa udáva prevod ako pomer počtu závitou p I =N 2 /N 1 Tento prevod však nie je v skutočnom meracom transformátore konštantný pre ľubovoľné hodnoty prúdov, preto sa prevod definuje pomerom najväčších hodnôt meracieho rozsahu p I =I 1n /I 2n (7.1) kde I 1n je menovitá hodnota primárneho prúdu (A), I 2n - menovitá hodnota sekundárneho prúdu (A). Pre počet závitov N 1 = N 2 sa sekundárny prúd nerovná primárnemu prúdu, sekundárny prúd je zmenšený o magnetizačný Obr.7.3. Zapojenie meracieho transformátora prúdu prúd, čím vzniká chyba prúdu a chyba fázy. Chyba prúdu δ I meracieho transformátora prúdu je definovaná vzťahom δ I = p I. I 2 I 1 100 (%) I 1 kde I 1 je skutočná hodnota primárneho prúdu (A), I 2 - nameraná hodnota sekundárneho prúdu (A). Aby chyba prúdu meracieho transformátora prúdu bola čo najmenšia, musí byť čo najmenšia zaťažovania impedancia Z 2 na sekundárnej strane. Vtedy totiž stačí pre danú hodnotu I 2 malé indukované napätie na sekundárnej strane a malý magnetizačný prúd. Merací transformátor prúdu má teda pracovať v blízkosti stavu nakrátko, zaťažovania impedancia pripojená na sekundárnu stranu má byť čo najmenšia. Aby sa vystačilo s čo najmenším magnetizačným prúdom na dosiahnutie potrebnej hodnoty magnetického toku, musí byť magnetický odpor jadra čo najmenší. Preto sa pre jadro volí materiál s veľkou permeabilitou a dostatočne veľkým prierezom jadra. Počas činnosti meracieho transformátora prúdu nesmie byť sekundárny obvod rozpojený, pokým je primárny obvod zapojený v meracom obvode. Pri prípadnej manipulácii v sekundárnom obvode musíte sekundárnu stranu spojiť nakrátko. Preto majú laboratórne transformátory prúdu na sekundárnej strane skratkovaciu spojku. Na sekundárnu stranu meracieho transformátora prúdu možno zapojiť aj viac meracích prístrojov, napr. ampérmeter, prúdovú cievku wattmetra, prípadne aj prúdovú cievku elektromera. Celková spotreba meracích prístrojov však nesmie prekročiť dovolené zaťaženie meracieho transformátora prúdu. Pri jeho prekročení už transformátor nepracuje v blízkosti stavu nakrátko a pri meraní prúdu vzniká veľká chyba, pretože sa mení prevod. Menovité zaťaženie transformátora sa uvádza na jeho štítku. Je dané súčinom menovitej impedancie a druhej mocniny menovitého prúdu; udáva sa vo V. A. Menovitú impedanciu Z n, ktorou sa môže zaťažiť merací transformátor prúdu tak, aby sa neprekročila dovolená chyba, vypočítame zo vzťahu P n (Ω; V. A, A) Pre meracie transformátory prúdu je dôležité nadprúdové číslo, ktoré vyjadruje, koľkokrát môže byť hodnota prúdu v primárnom vinuti väčšia ako menovitý prúd I 1n, pričom chyba prúdu dosiahne hodnotu 10 % a transformátor je zaťažený menovitým výkonom pri menovitom účinníku. Skutočná hodnota nadprúdového čísla sa môže odlišovať od udanej menovitej hodnoty o +20%. Voľba nadprúdového čísla je veľmi dôležitá z hľadiska funkcie, pre ktorú sa volí merací transformá tor prúdu. Transformátory, na ktoré sa pripájajú meracie prístroje, nemajú mať nadprúdové číslo väčšie ako 5. Pri poruche preteká primárnym vinutím veľký prúd. Ak by bol tento prúd transformovaný v tom istom pomere ako menovitý primárny prúd, meracie prístroje by sa ľahko poškodili. Transformátor s nadprúdovým číslom 5 vykazuje už pri päťnásobku menovitého prúdu chybu merania 10 %; so stúpajúcim násobkom sa chyba merania zväčšuje, čím sa sekundárny prúd obmedzuje na prijateľnú hodnotu. Meracie transformátory s nadprúdovým číslom väčším ako 5 sú vhodné pre istiace prístroje, ktoré majú presne reagovať na poruchové stavy. Sekundárny obvod meracieho transformátora prúdu sa musí vždy uzemniť. Uzemňuje sa tá svorka sekundárneho obvodu, ktorá je bližšie k zdroju energie (k prípojniciam, k prívodnému vedeniu a pod.). Svorky primárneho vinutia sa označujú veľkými písmenami K, L, svorky sekundárneho vinutia malými písmenami k, l. Ak sa používa merací transformátor prúdu iba v spojení s ampérmetrom, uplatňuje sa len chyba prúdu; v spojení s wattmetrom a elektromerom sa uplatňuje chyba prúdu aj chyba fázy. 2
Meracie transformátory napätia používame na zmenu rozsahov striedavých voltmetrov. Tieto transformátory oddeľujú tiež meracie prístroje od obvodov meraného napätia. Meracie transformátory napätia sa používajú na zväčšovanie aj na zmenšovanie rozsahov. Primárne vinutie sa zapája paralelne k obvodu, ktorého napätie chceme merať. Menovité sekundárne napätie meracích transformátorov napätia je 100 V, výnimočne 110 V. Merací prístroj zapájame na sekundárnu stranu. Primárne napätie môže dosahovať až 400 kv. V ideálnom transformátore napätia je prevod daný pomerom počtu závitov p =N 1 : N 2 a je nezávislý od zaťaženia transformátora na sekundárnej strane. Na skutočnom transformátore sa prejavuje vplyv úbytkov napätí na rezistoroch a rozptylových indukčnostiach, dôsledkom čoho vzniká chyba napätia (prevodu) a chyba fázy. Chyba napätia meracieho transformátora napätia je definovaná vzťahom Δ U = p U.U 2 U 1 100 (%) U 1 kde U 1 - je skutočná hodnota primárneho napätia (V), U 2 - skutočná hodnota sekundárneho napätia (V), p v - prevod meracieho transformátora napätia p U =U 1n /U 2n kde U 1n je menovitá hodnota primárneho napätia (V), U 2n - menovitá hodnota sekundárneho napätia (V). Obr. 7.4. Zapojenie meracieho transformátora Aby chyba meracieho transformátora napätia bola čo najmenšia, musí pracovať v blízkosti stavu naprázdno, teda sekundárny prúd musí byť čo najmenší. Na sekundárne svorky sa môže pripojiť aj viac meracích prístrojov, napr. voltmeter, napäťová cievka wattmetra, prípadne aj napäťová cievka elektromeru. Celková spotreba všetkých meracích prístrojov na sekundárnej strane však nesmie prekročiť dovolené zaťaženie transformátora. Ak sa totiž prekročí dovolené zaťaženie, transformátor nepracuje v blízkosti stavu naprázdno a mení sa prevod transformátora. Tým vzniká pri meraní napätia veľká chyba. Menovité zaťaženie meracích transformátorov napätia sa uvádza na ich štítku a rovná sa druhej mocnine menovitej hodnoty sekundárneho napätia vydelenej menovitou impedanciou Z n. Menovitá impedancia Z n je impedancia, ktorou možno zaťažiť merací transformátor napätia tak, že sa neprekročí dovolená chyba P n = U 2 2n /Z n Pri práci s meracím transformátorom napätia treba zabrániť skratu na sekundárnych svorkách. Transformátor má totiž malú impedanciu vinutia a pracuje ako zdroj konštantného napätia s malým vnútorným odporom. Skratový prúd preto môže nadobudnúť veľké hodnoty, ktoré môžu poškodiť vinutie. Zapojenie meracieho transformátora napätia je na obr. 7.4. Svorky primárneho vinutia sa označujú veľkými písmenami M, N, svorky sekundárneho vinutia malými písmenami m, n. Ak meriame napätie proti uzemnenému uzlu, označujeme svorky transformátora M, O a m, o, pričom svorka O sa zapája na uzol primárneho vinutia. Ak sa používa merací transformátor napätia iba v spojení s voltmetrom, uplatňuje sa len chyba napätia, v spojení s wattmetrom a elektromerom sa uplatňuje chyba napätia aj chyba fázy. 3
Transformátor je netočivý elektrický stroj, ktorý transformuje striedavé napätie s určitou hodnotou na striedavé napätie s inou hodnotou pri nezmenenej frekvencii, pričom využíva princíp elektromagnetickej indukcie. Transformátor sa skladá z jadra a vinutí. Začiatky a konce vinutí sú vyvedené na svorky alebo priechodky. Podľa tvaru jadra poznáme plášťové a jadrové transformátory. Transformátory môžu mať čisto indukčnú väzbu alebo galvanickú väzbu (autotransformátory). Indukované napätie striedavých elektrických strojov je dané vzťahom kde f je frekvencia privádzaného napätia, N počet závitov vinutia, Φ max amplitúda magnetického toku. U i = 4,44.f. N. Φ m a x Pomer indukovaných napätí U i1 / U i2 = 4,44.f.N 1. Φ m a x / 4,44.f.N 2. Φ m a x = N 1 / N 2 = p kde N 1 - počet závitov primárneho vinutia, N 2 - počet závitov sekundárneho vinutia, p - prevod transformátora. Ak zanedbáme úbytky napätí na odporoch a reaktanciách vinutí, môžeme prevod vyjadriť pomerom p= U 1 / U 2 = N 1 / N 2 Ak sekundárnu stranu zaťažíme impedanciou Z 2, potečie ňou prúd I 2 a primárnym vinutím prúd /,. Ak zanedbáme straty transformátora, tak platí p= I 2 / I 1 Úbytky napätí na ohmických odporoch a reaktanciách vinutí nemôžeme vždy zanedbať. Na zaťaženom transformátore bude ich vplyvom napätie na sekundárnej strane vždy nižšie, ako to vyplýva z prevodu. Podobne musíme pri činnosti transformátora brať do úvahy aj straty. Ich vplyv vyjadrujeme účinnosťou, ktorá je daná pomerom výkonu a príkonu η = 100. P 2 / P 1 = 100. (P 1 - Δ P) / P 1 (%) kde P 1 - je príkon transformátora (W), P 2 - výkon transformátora (W), Δ P - straty (W). Straty vznikajú vo vinutiach (straty v medi ΔP Cu1, ΔP Cu2 ) a v železe (straty v železe ΔP Fe ). Straty vo vinutiach sú úmerné druhej mocnine prúdu, straty v železe sú úmerné druhej mocnine napätia. Celkové straty sú určené súčtom jednotlivých strát. Závislosť úbytku sekundárneho napätia a účinnosti od zaťaženia transformátora by sa mohla zistiť priamym meraním. Takéto meranie by však bolo, hlavne pri transformátoroch väčších výkonov, nehospodárne a ťažko uskutočniteľné. Treba totiž nastaviť nielen veľkosť zaťaženia, ale aj účinník. Preto sa robia tzv. newattové merania, na základe ktorých sa stanovuje priebeh úbytku napätia a účinnosti pre rôzne účinníky v závislosti od zaťaženia. Názov newattové merania pochádza z toho, že do transformátora neprivádzame celý menovitý výkon, ale len výkon potrebný na pokrytie strát. Patrí sem meranie naprázdno a meranie nakrátko. Meranie naprázdno robíme v okolí menovitého napätia transformátora, preto ho napájame zo strany nižšieho napätia. Pretože prúd je malý, straty naprázdno sa približne rovnajú stratám v železe Δ P Fe. Pri meraní nakrátko pripájame transformátor na strane vyššieho napätia, pretože meriame v okolí menovitého prúdu a ten má na strane vyššieho napätia menšiu hodnotu. Napätie nakrátko sa pri meraní rovná 0,03 až 0,1. Un. Pretože s poklesom napätia straty v železe klesajú kvadraticky, sú pri tak malých hodnotách napätia zanedbateľné malé a straty nakrátko sa približne rovnajú stratám v medi Δ P Cu. Na jednofázovom transformátore robíme tieto merania: kontrola izolačného stavu transformátora, meranie odporu vinutí, meranie napäťového prevodu, kontrola súhlasnosti vinutí na svorkách, skúška pri chode naprázdno, skúška pri chode nakrátko, kontrola účinnosti. 4
Izolačný stav transformátora kontrolujeme prístrojom Megmet, ktorého ručné dynamo dáva napätie 100, 500 alebo 1 000 V, alebo elektronickým prístrojom PU310. Meriame izolačný odpor medzi jednotlivými vinutiami, ako aj medzi jadrom a jednotlivými vinutiami. Najmenší izolačný odpor pre transformátor ohriaty na 75 C určíme podľa vzťahu R iz >= U n /1 000 + 0,1. P sn (M Ω; V, kv. A) kde U n je menovité napätie transformátora, P sn menovitý výkon transformátora. MERANIE ODPORU VINUTÍ Sieťové napájacie transformátory musia mať izolačný odpor v rozpätí od 2 do 7 M Ω. Odpor vinutia transformátora meriame voltampérovou metódou podľa obr. 7.5. Aby sme vylúčili chyby pri meraní, urobíme na každej strane niekoľko meraní a za skutočný odpor vinutia považujeme aritmetickú strednú hodnotu z nameraných hodnôt. Hodnoty prúdu regulujeme pomocou rezistora R v rozpätí 0,1 až 0,3 menovitej hodnoty prúdu pre dané vinutie, aby sa vinutie zbytočne neohrievalo. Pri odpájaní voltmetra musíme byť opatrní. Pri náhlom poklese magnetického toku transformátora na nulu sa indukuje v jeho vinutiach napätie, ktoré by mohlo poškodiť voltmeter. Z toho dôvodu pred vypnutím vypínača musia byť prívody od svoriek transformátora k voltmetru prerušené. Voltmeter preto nezapájame natrvalo, ale napätie meriame len priložením svoriek. Z nameraných hodnôt prúdu a napätia potom určíme odpor vinutia R = U / I (Ω; V,A) Obr. 7.5. Meranie odporu vinutí transformátora MERANIE NAPÄŤOVÉHO PREVODU Primárne vinutie pri meraní napäťového prevodu napájame zníženým napätím cez regulačný transformátor podľa obr. 7.6. Na sekundárnu stranu pripojíme voltmeter s veľkým vnútorným odporom, aby sekundárnym obvodom pretekal čo najmenší prúd. Napäťový prevod potom určíme zo vzťahu p= U 1 / U 2 Obr. 7.6. Meranie napäťového prevodu transformátora Pretože aj nezaťažený transformátor odoberá určitý magnetizačný prúd, ktorý ovplyvňuje prevod, musíme prevod merať za takých podmienok, keď už pri malom prírastku magnetizačného prúdu dosiahneme veľký prírastok napätia (pracovný bod transformátora leží v najstrmšej časti magnetizačnej charakteristiky). Pre bežné transformátory je vplyv magnetizačného prúdu najmenší v rozsahu 0,1 až 0,7 menovitého napätia, preto pri meraní nastavujeme hodnotu primárneho napätia v rozpätí 0,1 až 0,7 násobku menovitého napätia. 5
Cieľom merania je experimentálna kontrola zapojenia jednofázového transformátora, ako aj určenie začiatkov a koncov vinutí. Na obr. 7.7 je zapojenie na kontrolu súhlasnosti vinutí jednofázového transformátora jednosmerným prúdom. Jedno vinutie transformáto ra zapojíme cez vypínač na jednosmerný zdroj. Deprézsky voltmeter V 1 pripojíme na svorky transformátora, ktoré sme označili napr. + a -. Pri zapnutí vypínača nastane prechodový jav, pričom magnetický tok sa mení od nuly do ustálenej hodnoty. Pretože táto zmena toku prebieha súčasne v obidvoch cievkach, indukované napätie v cievkach má ten istý smer, a teda aj výchylky na voltmetroch V 1 a V 2 sú súhlasné (smerom do stupnice alebo von zo stupnice). Obr. 7.7. Určenie súhlasnosti svoriek transformátora jednosmerným prúdom Na obr. 7.8 je zapojenie na meranie súhlasnosti svoriek transformá tora striedavým prúdom. Podstata merania je v tom, že dve svorky z dvoch strán transformátora spojíme a jednu stranu transformátora napájame. Zmeriame napätie na primárnej a sekundárnej strane a napätie medzi nespojenými svorkami dvoch strán. V zapojení podľa obr. 7.8 a bude voltmeter V ukazovať napätie U = U 1 - U 2 ak sme spojkou spojili súhlasné svorky vinutí 1 2 (konce vinutí). Voltmeter teda ukazuje rozdiel napätí, pretože napätia U 1 a U 2 na primárnej a sekundárnej strane sú prakticky vo fáze. Voltmeter V v zapojení podľa obr. 7.8b bude ukazovať napätie teda súčet napätí. U = U 1 +U 2 Obr. 7.8. Určenie súhlasnosti svoriek transformátora striedavým prúdom Ak sme teda spojili súhlasné svorky, nameriame medzi nespojenými svorkami rozdiel napätí, pri spojení nesúhlasných svoriek nameriame súčet primárneho a sekundárneho napätia. 6
Meranie naprázdno je jedným z tzv. newattových meraní, ktoré robíme preto, aby sme získali podklady pre výpočet priebehu účinnosti a úbytku napätia v závislosti od zaťaženia transformátora. Toto meranie sa má robiť v okolí menovitého napätia. Jeho cieľom je zistiť straty v železe, prúd naprázdno a účinník naprázdno. Pri priemyselných skúškach sa zisťujú tieto hodnoty jediným meraním pri nominálnom napätí, pri presnejších meraniach sa zistí priebeh uvedených veličín v závislosti o d napätia a pri nominálnom napätí sa odčítajú požadované hodnoty. Transformátor pripájame väčšinou stranou nižšieho napätia na regulačný zdroj cez ampérmeter a prúdovú cievku wattmetra. Napäťová cievka wattmetra spolu s voltmetrom sa zapájajú paralelne za prúdovú cievku wattmetra, aby sa mohla pohodlne urobiť korekcia ich vlastnej spotreby. Strana vyššieho napätia je rozpojená. Prúd naprázdno normálnych transformátorov je v rozpätí 4 až 11 % In. Merať začíname pri zníženom napätí (asi 50 % Un). Odčítame napätie, prúd a výkon, potom zvýšime napätie a meranie opakujeme. Takto postupujeme až do hodnoty 120% Un. Transformátor v stave naprázdno odoberá zo siete príkon na krytie strát v železe Δ P Fe (hysterézne straty a straty vírivými prúdmi) a strát v medi napájacieho vinutia. Straty v železe sú priamo úmerné druhej mocnine indukcie, indukcia je priamo úmerná napätiu. Teda v stave naprázdno budú pri nominálnom napätí straty v železe tiež nominálne, Joulove straty budú v porovnaní s nimi veľmi malé, pretože prúd naprázdno je veľmi malý. Preto straty naprázdno predstavujú prakticky len straty v železe. Pri presnejšom určení Obr. 7.9. Schéma zapojenia pri skúške transformátora naprázdno strát v železe odpočítame straty v medi R Cu. I 2 o od strát naprázdno a dostaneme straty v železe. Postup pri spracovaní nameraných hodnôt je nasledujúci. Meriame v zapojení podľa obr. 7.9. Meraný výkon P o ' korigujeme o vlastnú spotrebu prístrojov ΔP kor, čím dostaneme straty naprázdno ΔP o = P o - ΔP kor Pri meraní na jednofázovom transformátore platí ΔP kor = U 2. (1/R v + 1/R w ) Straty v medi naprázdno ΔP Cuo = R cu. I o 2 straty v železe ΔP Fe = ΔP o - ΔP Cuo Účinník naprázdno cos ϕ = ΔP / U. I o kde R v- odpor voltmetra R w odpor napäťovej cievky watmetra Pri tomto meraní sú svorky nenapájanej strany nakrátko spojené silnou spojkou. Aby transformátor nebol tepelne príliš namáhaný, meriame v okolí menovitého prúdu. Väčšinou napájame stranu vyššieho napätia, pretože na tejto strane je menovitý prúd menší a napätie väčšie, čím sa lepšie prispôsobíme bežným rozsahom wattmetra. Cieľom merania je zistiť straty v medi transformátora pri nominálnom prúde. Transformátor v stave nakrátko odoberá zo siete príkon na krytie strát v medi obidvoch vinutí, nepatrných strát v železe a tzv. prídavných strát. Straty v železe možno teraz úplne zanedbať, pretože pripojené napätie nakrátko, a teda aj indukcia sú malé. Magnetické toky primárnej a sekundárnej strany v stave nakrátko pôsobia skoro proti sebe a väčšina magnetického toku sa uzatvára rozptylovými cestami (vzduchom, vodičmi a konštrukčnými časťami transformátora), v ktorých vznikajú vírivé prúdy. Straty vyvolané vírivými prúdmi zahŕňame do prídavných strát. Meriame v zapojení podľa obr. 7.10. Transformátor pripojíme stranou vyššieho napätia na znížené napätie cez ampérmeter a prúdovú cievku wattmetra. Napäťovú cievku wattmetra a voltmeter zapojíme za prúdovú cievku wattmetra. V prípade väčších prúdov je dôležité, aby boli napäťové prívody prístrojov zapojené priamo k svorkám transformátora. Vylúčime tým meranie strát v prívodoch. Pomocou regulačného transformátora regulujeme prúd nakrátko I k až do hodnoty nominálneho prúdu. Meranie musí prebiehať rýchlo, pretože vinutie sa zahrieva, čím sa meranie stáva nepresným. Postup pri spracovaní nameraných hodnôt je nasledujúci. Meraný výkon P k ' korigujeme o vlastnú spotrebu prístrojov ΔP kor čím dostaneme straty nakrátko ΔP k = P k - ΔP kor kde ΔP kor = U 2 1k. (1/R v + 1/R w ) Účinník transformátora nakrátko naprázdno cos ϕ = ΔP / U 1k. I 1k Pretože straty v železe klesajú s druhou mocninou napätia, sú pri malom napätí zanedbateľné a celý príkon malom napätí predstavuje straty vo vinutí ( straty v medi) ΔP 1k = ΔP cu 7
Trojfázový indukčný motor sa skladá zo statora a rotora. Na statore je vinutie, ktoré tvoria v podstate tri cievky vzájomne posunuté po obvode vŕtania stroja. Rotor môže mať alebo rozložené vinutie vyvedené k trom krúžkom, alebo klietku. Asynchrónny motor sa v praxi vždy napája do statora, hoci zásadne ho možno napájať aj do rotora. Je totiž omnoho ľahšie prenášať najmä veľké výkony cez svorky na nehybný stator, ako cez krúžky na otáčajúci sa rotor. Keď pripojíme asynchrónny motor na trojfázovú sústavu, pretekajú jeho statorovým vinutím prúdy, ktoré vytvárajú vo vzduchovej medzere stroja otáčavé magnetické pole. Vo vodičoch rotora sa indukuje pôsobením otáčavého poľa napätie. Ak je rotorový obvod uzavretý, preteká ním prúd a vzniká točivý moment. Rotor sa roztočí v smere otáčavého poľa. Točivý moment je tým väčší, čím je väčší rozdiel medzi otáčkami otáčavého poľa a otáčkami rotora, ale len do určitej hodnoty (moment zvratu). Pri ďalšom zväčšení rozdielu otáčok točivý moment klesá. Rotor nikdy nedosiahne otáčky otáčavého poľa. Pri rovnosti otáčok by sa vo vodičoch rotora neindukovalo napätie, netiekol by prúd a nevytváral by sa točivý moment. Skutočný asynchrónny motor potrebuje vždy na prekonanie trenia urč itý točivý moment. Preto musia otáčky rotora vždy zaostávať za otáčkami otáčavého poľa. Na asynchrónnom motore urobíme tieto merania: meranie odporu vinutí, meranie asynchrónneho motora v stave naprázdno, meranie asynchrónneho motora v stave nakrátko, zaťažovanie asynchrónneho motora. Z týchto meraní získame hodnoty potrebné na nakreslenie kružnicového diagramu, z ktorého môžeme určiť prevádzkové hodnoty stroja. Kružnicový diagram platí presne pre stroje s krúžkovou kotvou, približne pre stroje s klietkovou kotvou (s kotvou nakrátko) s kruhovými vodičmi. Pre špeciálne klietky už diagram prúdov nie je kružnica, a preto ich prevádzkové vlastnosti môžeme určiť len zaťažovaním. MERANIE ODPORU VINUTÍ (str.210) Meria sa v zapojení podľa obr. Odpor vinutí meriame voltampérovou metódou. Obvod napájame z jednosmerného zdroja, pričom hodnotu prúdu nastavíme vzhľadom na menovitú hodnotu tak, aby sa vinutie nadmerne neohrievalo. Odpor vinutia určíme zo vzťahu R v =U/I Odpor jednej fázy je R f =½.R v Hodnotu R v nameriame aj na ďalších vinutiach, z nameraných hodnôt určíme strednú hodnotu R v. Odpor rotorového vinutia možno určiť iba pre stroje s vinutou kotvou, pričom napätie meriame priamo na krúžkoch pomocou dotykových hrotov. MERANIE ASYNCHRÓNNEHO MOTORA V STAVE NAPRÁZDNO (str.211) Cieľom merania je zistiť prúd naprázdno, straty v železe, mechanické straty, účiník naprázdno a sklz naprázdno. Pod stavom naprázdno sa rozumie ustálený chod asynchrónneho motora bez zaťaženia, pričom stator sa napája menovitým napätím s menovitou frekvenciou. Rotorové vinutie je spojené nakrátko. Meriame v zapojení podľa obr. 7.13. Stroj spúšťame pri zníženom napätí, aby sme znížili prúdový náraz. Merať začneme pri 110 % menovitého napätia U n, ktoré postupne znižujeme až na 30 % U n. Na prístrojoch odčítavame napätie, prúd, výkon a otáčky. Pri napätí nižšom ako 30 % U n prechádza stroj do labilného stavu - zastaví sa. Pretože otáčky sa pri meraní naprázdno menia len veľmi málo, ich hodnotu určujeme výpočtom meraním sklzu. Najpohodlnejšie sa sklz meria stroboskopickou metódou. Na hriadeľ stroja sa pripevní kotúč s nakreslenou značkou a osvetľuje sa krátkymi zábleskami stroboskopickej lampy. Značka na kotúči sa zdanlivo otáča proti smeru skutočných otáčok motora. Ak označíme počet otočení značky za t sekúnd z, sklz v percentách určíme zo p - počet pólových dvojíc, vzťahu S % = 100. z.p / t.f (%) f frekvencia napájacieho napätia (Hz). Sklz je pri meraní naprázdno veľmi malý, lebo otáčky motora sú skoro synchrónne. Pretože pri chode naprázdno je prúd v rotore veľmi malý a odpor vinutia rotora je tiež malý, zanedbávame straty vo vinutí rotora. Príkon naprázdno je ΔP o = ΔP Fe + ΔP m + ΔP mcu l (W) ΔP Fe - sú straty v železe (W), Straty vo vinutí statora sú dané vzťahom Δ P Cul = 3 I 2 lo.r lf (W;A,Ω) ΔP m -mechanické straty (W), ΔP Cu] - straty vo vinutí statora (W). Príkon ΔP o meriame pomocou wattmetrov v Áronovom zapojení ΔP o = P 1 ±P 2 - ΔP kor ( W) R lf - odpor jednej fázy Vlastná spotreba prístrojov ΔP kor = U 2 1k.(1/R v +1/R w1 +1/R w2 ) ( W ;V, Ω) P 1 a P 2 - wattmetrami ukazované hodnoty ΔP kor - vlastná spotreba prístrojov Straty v železe sa menia približne kvadraticky s napätím a mechanické straty závisia od R v je vnútorný odpor voltmetra (Ω) otáčok (pri konštantných otáčkach sú stále). Mechanické straty a straty v železe dostaneme R w - vnútorný odpor napäťovej cievky odpočítaním strát vo vinutí statora od príkonu ΔP wattmetra Ω) m + ΔP Fc = ΔP o - ΔP Cu, Účinník naprázdno je daný vzťahom cos ϕo = ΔPo / 3U 1o. I 1o I 10 =1/3.(I 1+I 2+I 3) Vypočítané hodnoty vynesieme do grafu v závislosti od napätia U. Z grafu extrapoláciou určíme mechanické straty. Pri nulovom napätí sú straty v železe nulové 8
(str.211) Jednosmerné stroje môžu pracovať ako motory alebo ako dynamá. Ako motory sa používajú najmä v pohonoch, kde je potrebné plynule a hospodárne meniť otáčky. Vo funkcii dynama sa používajú najčastejšie ako budiče synchrónnych strojov. Ak chceme jednosmerný stroj použiť ako motor, musíme budiace vinutie a vinutie kotvy napájať jednosmerným prúdom. Ak chceme, aby jednosmerný stroj pracoval ako dynamo, musíme rotor otáčať mechanickým momentom a budiace vinutie napájať jednosmerným prúdom. Podľa spôsobu napájania budiaceho vinutia poznáme štyri druhy jednosmerných strojov: a) stroje s cudzím budením budiace vinutie sa napája zo samostatného zdroja, b) derivačné stroje budiace vinutie sa pripája paralelne k vinutiu kotvy, c) sériové stroje budiace vinutie sa zapája do série s vinutím kotvy, d) kompaundné stroje časť budiaceho vinutia sa zapája paralelne a časť vinutia do série k vinutiu kotvy. Pretože rozsah meraní na jednosmerných strojoch je veľký, vyberieme z nich tieto skúšky: nastavenie kief do neutrálnej polohy, meranie charakteristiky naprázdno dynama, meranie zaťažovacej charakteristiky dynama, meranie zaťažovacej charakteristiky motora. NASTAVENIE KIEF DO NEUTRÁLNEJ POLOHY Pred začatím merania kontrolujeme polohu kief, prípadne ich nastavíme do neutrálnej polohy. Pri nesprávnej polohe kief stroj nadmerne iskrí a mení sa zaťažovacia charakteristika. Kefy sa najľahšie nastavujú na zastavenom stroji tak, že na kotvu pripojíme magnetoelektrický voltmeter a na budiace vinutie batériu, ktorú striedavo zapíname a vypíname. Keď sú kefky v neutrálnej polohe ručička na voltmetri sa nevychýli. (str.229) Obr. 7.20. Určovanie neutrálnej polohy kief jednosmerným prúdom Synchrónny stroj sa skladá z rotora, napájaného jednosmerným prúdom, a z kotvy, v ktorej sa indukuje napätie. Kotvou je s výnimkou malých strojov stator. Je totiž výhodnejšie viesť veľké prúdy cez pevné kontakty ako cez krúžky a kefy. Ako zdroj jednosmerného prúdu používame pre budiace vinutie derivačné dynamo, ktoré je na spoločnom hriadeli s rotorom synchrónneho stroja, alebo je poháňané pomocným asynchrónnym motorom. Synchrónny stroj môže pracovať ako generátor, motor alebo asynchrónny kompenzátor. V statorovom vinutí vznikne vplyvom trojfázových prúdov otáčavé magnetické pole a v rotore jednosmerné magnetické pole. Rotor sa otáča synchrónnymi otáčkami n s, teda rovnako rýchle ako otáčavé magnetické pole statora. Smer otáčania rotora a otáčania poľa statora musí byť totožný. Synchrónny stroj pracuje najčastejšie ako alternátor. Rotor napájame budiacim prúdom a súčasne mechanicky otáčame, v statorovom vinutí sa vtedy indukuje napätie. Ak sa napája statorové vinutie trojfázovým prúdom a súčasne budiace vinutie jednosmerným prúdom, vznikne na rotore točivý moment a synchrónny stroj pracuje ako motor. 9
(str.229) M e r a n i e c h a r a k t e r i s t i k y n a p r á z d n o a n a k r á t k o s y n c h r ó n n e h o s t r o j a Charakteristika naprázdno Meraním naprázdno zisťujeme závislosť statorového napätia U 0 od veľkosti budiaceho prúdu I b. U 0 = f(i b ) pri nezaťaženom stroji a konštántných otáčkach n. Meranie sa robí v generátorovom stave v zapojení podľa obr. 7.26a. Skúšaný generátor roztočíme pohonným zariadením na menovité otáčky a udržujeme ich počas merania konštantné. Budiaci obvod napájame z jednosmerného zdroja, pričom budiaci prúd meriame ampérmetrom A b a regulujeme rezistorom R b. Budiaci prúd odoberaný z cudzieho zdroja zvyšujeme postupne z nulovej hodnoty po hodnotu zodpovedajúcu asi 120 % menovitého napätia naprázdno U 1o. a)schéma zapojenia synchrónneho stroja pri meraní charakteristiky naprázdno, b)charakteristiky naprázdno Potom budiaci prúd znižujeme na nulu. Je dôležité, aby regulácia prebiehala vždy len v jednom smere, aby bol zrejmý vplyv hysterézy v magnetickom obvode stroja. Z nameraných hodnôt vypočítame strednú hodnotu a nanesieme ju do grafu (obr. 7.26b) U 1o = U 1 + U 2 + U 3 / 3 (V) Z grafu tiež vyplýva, že pri znižovaní budiaceho prúdu I b nameriame väčšie napätie ako pri jeho zvyšovaní pre rovnaké hodnoty prúdu. Rozdiel je spôsobený remanentným magnetizmom. Pri vypnutí budiaceho prúdu neklesne napätie na nulu, nameriame napätie od remanentného magnetizmu. Charakteristika nakrátko Meraním nakrátko zisťujeme závislosť statorového prúdu I 1 k od budiaceho prúdu I b pri statorových svorkách spojených nakrátko (obr. 7.27) a pri konštantných otáčkach. Podobne ako pri meraní naprázdno roztočíme skúšaný stroj na menovité otáčky. Svorky statora synchrónneho generátora spojíme cez ampérmetre nakrátko. V budiacom obvode nastavíme najskôr nulový prúd a potom postupne zvyšujeme hodnotu budiaceho prúdu I b tak, aby statorový prúd I 1k dosiahol asi 120% menovitej hodnoty. Z nameraných hodnôt zistíme strednú hodnotu prúdu I 1k = I 1 + I 2 + I 3 / 3 (A) Obr. 7.27. a zapojenie statora synchrónneho stroja pri skúške nakrátko, b charakteristiky nakrátko (7.40) 10
11