Verbundstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor) Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Transkript

1 erbndstdiengang Wirtschaftsingenierwesen (Bachelor) Praktikm Grndlagen der Elektrotechnik nd Elektronik ersch 4 Transformator Teilnehmer: Name orname Matr.-Nr. Datm der erschsdrchführng:

2 Transformator Grndlagen. fba nd Fnktion eines Transformators Bringt man af einen geblechten Eisenkern nach Bild zwei Wicklngen af, so erhält man eine nordnng, die man als Transformator bezeichnet. Φ N N Z Bild : fba eines Transformators (Z Belastngswiderstand) Er ermöglicht die Herabsetzng oder die Herafsetzng einer Wechselspannng. Darüber hinas wird zwischen den beiden Stromkreisen eine galvanische Trennng hergestellt. Beide reise sind also voneinander isoliert. Man bezeichnet (allgemein) diejenige Sple, die mit der Spannngsqelle (ersorgngsqelle) verbnden ist nd somit Leistng afnimmt, als Primärwicklng. n Bild ist das die linke Wicklng. Die andere Sple heißt Sekndärwicklng. Der in Bild dargestellte Widerstand Z stellt einen Belastngswiderstand (erbracher) für den Transformator dar. Die in der Sekndärwicklng des Transformators (Bild ) erzegte Spannng wird dadrch verrsacht, dass der vom primärseitigen Wechselstrom ( ) im Eisenkern verrsachte magnetische Flss Φ drch die Sekndärwicklng geführt wird. Da sich der Flss daernd ändert, indziert (erzegt) er in der Sekndärwicklng eine Spannng (eine Wechselspannng). Schließt man an die Sekndärwicklng nach Bild einen Widerstand Z an, so verrsacht die indzierte Spannng in dem betreffenden Stromkreis einen Strom ( ). Bei einem Transformator nach Bild gilt (näherngsweise) für das erhältnis der Spannngen: N. () N

3 Hierin sind N nd N die Windngszahlen der Wicklngen. Die in Gl. () angegebene Beziehng besagt, dass bei einem Transformator sich die Spannngen zeinander verhalten wie die Windngszahlen. Man bezeichnet das in Gl. () angegebene erhältnis ach als Übersetzngsverhältnis (ü) des Transformators, so dass gilt N ü. () N st ü größer als eins, so setzt ein Transformator eine angelegte Wechselspannng herab. Bei einem Übersetzngsverhältnis nterhalb von eins wird die Wechselspannng herafgesetzt. Drch eine entsprechende Wahl von ü in Gl. () kann man eine gegebene Wechselspannng im Prinzip beliebig herab- oder herafsetzen. Für einen Transformator im belasteten Zstand nach Bild gilt (näherngsweise): N. (3) N Das bedetet, dass sich die Ströme mgekehrt zeinander verhalten wie die Windngszahlen. Bei genaerer Betrachtng des Transformators ist z beachten, dass die fließenden Ströme an den Wicklngswiderständen Spannngsabfälle verrsachen. Das hat in Bild zr Folge, dass die sgangsspannng bei Belastng des Transformators drch den Widerstand Z (leicht) absinkt. Je kleiner (niederohmiger) in Bild der Widerstand Z ist, mso höher sind die Ströme nd, nd mso mehr sinkt die sgangsspannng ab. Weiterhin ist z beachten, dass die fließenden Ströme z einer Erwärmng der Wicklngen führen. Zdem verrsacht der im Eisenkern verlafende magnetische Flss eine Erwärmng des Eisenkerns. Das bedetet, dass keine verlstfreie Herab- oder Herafsetzng einer Wechselspannng möglich ist.. Bestimmng von ennlinien nd enngrößen eines Transformators. Leerlafkennlinie Wird bei einem nbelasteten Transformator nach Bild a die Primärspannng schrittweise vergrößert, nd nimmt man dabei jeweils den primärseitig fließenden Strom (Leerlafstrom) 0 af, so kann man mit diesen Werten eine ennlinie f ( 0 ) darstellen. Sie hat den in Bild b dargestellten erlaf wird als Leerlafkennlinie bezeichnet. 0 a) b) 0 Bild : a) Schaltng zr fnahme der Leerlafkennlinie, b) erlaf der Leerlafkennlinie

4 3. Übersetzngsverhältnis Zr Bestimmng des Übersetzngsverhältnisses ü eines Transformators wird dieser nach Bild 3 bei offener Sekndärwicklng primärseitig an die Nennspannng gelegt. (nmerkng: Die Nennspannng ist diejenige Spannng, für die der Transformator primärseitig asgelegt worden ist.) Gemessen wird die bei dieser Spannng am sgang liegende Spannng 0. Daras erhält man das Übersetzngsverhältnis ü. (4) 0 0 Bild 3: Schaltng zr Bestimmng des Übersetzngsverhältnisses.3 rzschlssströme Wird ein Transformator bei voller anliegender Primärspannng sekndärseitig krzgeschlossen, so fließen in der Regel nzlässig hohe Ströme. Daher ist eine solche Betriebsweise grndsätzlich nicht zlässig. Man kann diese Ströme jedoch dadrch bestimmen, dass man den Transformator nach Bild 4 sekndärseitig krzschließt nd primärseitig eine niedrige Spannng anlegt. N Bild 4: Schaltng zr Bestimmng der relativen rzschlssspannng Daz stellt man in der Regel die Primärspannng so ein, dass primärseitig der Nennstrom ( ) fließt. (nmerkng: Der Nennstrom ist diejenige Strom, für den der Transformator primärseitig asgelegt worden ist.) Die dann primärseitig anliegende Spannng ( ) nennt man rzschlssspannng. Teilt man diese drch die Nennspannng, so erhält man eine Größe, die als relative rzschlssspannng ( ) bezeichnet wird. Es gilt also. (5)

5 4 Mit Hilfe dieser Größe kann man die aftretenden rzschlssströme ( nd ) nter der orassetzng berechnen, dass primärseitig am Transformator die volle Spannng (Nennspannng) anliegt. Dabei gelten die Gleichngen, (6) N, (7) wobei nd N die Nennströme der Primär- nd der Sekndärseite des Transformators sind..4 Belastngskennlinie Wird ein Transformator nach Bild 5a mit einem Widerstand R belastet, so sinkt die Spannng wie oben schon erwähnt infolge der an den Wicklngswiderständen aftretenden Spannngsabfälle leicht ab. Wird R schrittweise verkleinert, so kann man mit den jeweils aftretenden Werten für die Sekndärspannng nd den Sekndärstrom eine ennlinie f ( ) darstellen. Sie hat den in Bild 5b dargestellten erlaf nd wird als Belastngskennlinie des Transformators bezeichnet. η R a) b) c) Bild 5: a) Schaltng zr Bestimmng der Belastngs- nd der Wirkngsgradkennlinie, b) erlaf der Belastngskennlinie, c) erlaf der Wirkngsgradkennlinie.5 Wirkngsgradkennlinie Wird in der Schaltng nach Bild 5a der Widerstand R schrittweise verkleinert, so nehmen sowohl die vom Transformator afgenommene Wirkleistng P als ach die vom Transformator abgegebene Wirkleistng P z. Der Qotient P η (8) P stellt den jeweiligen Wirkngsgrad des Transformators dar. Trägt man diesen in bhängigkeit von af, so erhält man eine ennlinie η f ( ) mit dem in Bild 5c dargestellten erlaf. Diese ennlinie heißt Wirkngsgradkennlinie.

6 5 erschsdrchführng. fnahme der Leerlafkennlinie eines Transformators Baen Sie die Schaltng nach Bild 6 af. Erhöhen Sie in der Schaltng schrittweise die Spannng von 0 af 50 nd messen Sie jeweils den zgehörigen Leerlafstrom 0 des Transformators. Tragen Sie die Messwerte direkt in ein oordinatenkrez ein, das waagerecht eine Skalierng für den Strom 0 (von 0 bis 00 m) nd senkrecht eine Skalierng für die Spannng (von 0 bis 60 ) enthält. erbinden Sie die Pnkte, so dass sich die Leerlafkennlinie f ( 0 ) des Transformators ergibt. Empfohlener Maßstab für die waagerechte chse: 0 cm ˆ 00 m nd für die senkrechte chse: 3 cm ˆ 60 (Millimeterpapier, Qerformat). ersehen Sie die Darstellng mit einer assagefähigen Überschrift. 0 0 Stelltransformator Prüfobjekt Bild 6: Schaltng zr fnahme der Leerlafkennlinie. Bestimmng des Übersetzngsverhältnisses eines Transformators Stellen Sie in der Schaltng nach Bild 6 die Primärspannng af 30 ein nd messen Sie die dabei vorhandene Sekndärspannng 0. Setzen Sie das Ergebnis nachstehend ein nd bestimmen Sie das Übersetzngsverhältnis ü des Transformators wie folgt: ü Bestimmng der relativen rzschlssspannng nd der rzschlssströme eines Transformators Baen Sie die Schaltng nach Bild 7 af. Stellen Sie in dieser Schaltng die Primärspannng af 0 ein, nd schließen Sie danach die Sekndärwicklng krz. Erhöhen Sie hiernach vorsichtig die Primärspannng soweit, bis primärseitig der Nennstrom,0 fließt.

7 6 N Stelltransformator Festtransformator Prüfobjekt Bild 7: Schaltng zr Ermittlng der relativen rzschlssspannng nd der rzschlssströme Lesen Sie hiernach die Werte für, nd N ab nd setzen Sie die Ergebnisse nachstehend ein. Berechnen Sie die relative rzschlssspannng sowie die (bei Nennspannng aftretenden) rzschlssströme nd wie folgt: 30 N 4. Ermittlng der Belastngskennlinie nd der Wirkngsgradkennlinie eines Transformators Baen Sie die Schaltng nach Bild 8 af. Stellen Sie in dieser Schaltng die Primärspannng af 30 ein. Belasten Sie den Transformator mit einem veränderbaren ohmschen Widerstand (R). Stellen Sie dabei nacheinander R so ein, dass der Strom folgende Werte annimmt: 0 ; 0,3 ; 0,5 ; ; ; 4 ; 6 ; 8 ; 0. Nach jeder eränderng von R ist die Primärspannng af 30 nachzstellen. Messen Sie jeweils folgende Größen nd tragen Sie diese in die nachstehende Wertetabelle ein: Sekndärspannng, primärseitig afgenommene Wirkleistng P. R Stelltransformator Prüfobjekt Bild 8: Schaltng zr Ermittlng der Belastngskennlinie nd der Wirkngsgradkennlinie eines Transformators

8 7 Wertetabelle 0 0,3 0, P P W P η in W P swertng a) Stellen Sie mit Hilfe der für nd vorhandenen Werte die Belastngskennlinie f ( ) ohne nterdrückng des Nllpnktes dar. Empfohlener Maßstab für die waagerechte chse: 5 cm ˆ 0 nd für die senkrechte chse: 5 cm ˆ 30 (Millimeterpapier, Qerformat). ersehen Sie die Darstellng mit einer assagefähigen Überschrift. b) Berechnen Sie as den für nd gefndenen Werten die vom Transformator abgegebene Wirkleistng mit Hilfe der Gleichng P nd tragen Sie die Ergebnisse in die obige Wertetabelle ein. Berechnen Sie danach mit Hilfe von Gl. (8) as den für P nd P gefndenen Werten den jeweiligen Wirkngsgrad η, nd tragen Sie die Ergebnisse ebenfalls in die obige Wertetabelle ein. Stellen Sie danach die Wirkngsgradkennlinie η f ( ) dar. Empfohlener Maßstab für die waagerechte chse: 5 cm ˆ 0 nd für die senkrechte chse: 0 cm ˆ (Millimeterpapier, Qerformat). ersehen Sie die Darstellng mit einer assagefähigen Überschrift.