COLLAUDO DI UN TRASFORMATORE TRIFASE

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1 Alunno: Gruppo: Classe: Data.: I. T. I. S. P. HEMSEMBERGER Bs 1997/98 MONZA COLLAUDO DI UN TRASFORMATORE TRIFASE Oggetto: Trasformatore trifase n... Sn =... VA - fn = 50 Hz V 1 n = V I 1 n =. A Collegamento. (Υ / ) V 20 =. V I 2 n =. A Collegamento. (Υ / ) Scopo: 1 Disegnare il circuito equivalente ( di fase) 2 Tracciare la curva del rendimento η = f(i 2 ). 3 Tracciare la caratterisitica esterna V 2 = f(i 2 ). PROVE PRATICHE ESEGUITE (Metodo indiretto): -) Misura di isolamento (non eseguita). -) Ricerca dei morsetti corrispondenti (non eseguita). 1) Misura del rapporto di trasformazione a vuoto. 2) Misura delle resistenze degli avvolgimenti. 3) Prova a vuoto. 4) Prova in corto circuito. ELABORAZIONE DEI DATI MISURATI 1) Determinazione dei prametri caratteristici del trasformatore. 2) Determinazione del circuito equivalente. 3) Determinazione delle caratteristiche esterne (V 2 - I 2 ; V 2 - I 2 ). 4) Determinazione della caratteristica del rendimento (η - I 2 ). Collaudo trasformatore trifase pag. 1

2 PREMESSA PROVE SULLE MACCHINE ELETTRICHE Le prove di collaudo delle macchine elettriche devono essere eseguite seguendo i criteri stabiliti dalle Norme CEI a meno che non vi siano accordi particolari tra le parti. Le Norme da seguire per le prove sulle macchine elettriche sono: a) per le macchine rotanti: Norme CEI 2.3 (fasc. 355) del 1974 e 2.6 (fasc. 418) del 1976; b) per i trasformatori: Norme CEI 14.4 (fasc. 253) del Le principali prove da eseguire sulle macchine elettriche sono: a) prova di riscaldamento; b) prova di isolamento; c) prova di funzionamento per la determinazione del rendimento (nel caso di macchine rotanti) e delle perdite (nel caso di trasformatori). Oltre a queste prove che sono obbligatorie e devono essere eseguite secondo quanto fissato dalle Norme, si eseguono normalmente altre prove di funzionamento che consentono di poter meglio studiare il comportamento ed il funzionamento delle macchine. Nel caso in esame sono state eseguite solamente le 4 prove del metodo indiretto. I risultati sono stati elaborati in modo da pervenire alla determinazione del circuito equivalente del trasformatore attraverso il quale sono state poi tracciate le curve dette caratteristiche di funzionamento, (tensione V 2, c. d. t. e rendimento in funzione del carico erogato). Le caratteristiche di funzionamento possono essere tracciate anche con prove dirette (a carico) sul trasformatore. Tali prove presentano però notevoli difficoltà (soprattutto nei trasformatori di grande potenza) dovute alla elevata precisione richiesta nelle misure delle potenze al primario e al secondario ed alla non disponibilità dei carichi necessari per simulare le varie condizioni di carico presso i laboratori di misura. Collaudo trasformatore trifase pag. 2

3 VERIFICHE DI ISOLAMENTO Scopo: Prove: Verificare l efficacia degli isolanti impiegati nella costruzione, sottoponendoli a sollecitazioni anormali e convenzionali. Misura della resistenza d isolamento; Prova di rigidità dielettrica Misura della resistenza d isolamento La misura si esegue con un megaohmmetro tra: a) avv. prim avv. prim. avv. sec. avv. sec. b) avv. prim. avv. sec.; c) avv. prim. e avv. sec. collegati assieme nucleo magnetico e parti metalliche. La tensione di prova deve essere di 500 V (per macchine in cat. I 50 < Un < 1000 V c.a.); La resistenza misurata deve essere di almeno 1000 Ω per ogni volt di tensione nominale dell avv. AT Prova d isolamento (o di rigidità dielettrica) Con tale prova si provocano delle forti sollecitazioni elettriche che permettono di rilevare eventuali difetti d isolamento. La prova si esegue con un misuratore di rigidità dielettrica tra parti attive collegate tra loro e masse. Caratteristiche della prova: Durata della prova: 1 min Tensione isolamento nominale Ui (V) Tensione di prova (V) a f = 50 Hz Ui < < Ui < < Ui < < Ui < < Ui < < Ui < La prova è superata se non si ha cedimento dell isolamento. Collaudo trasformatore trifase pag. 3

4 - RICERCA DEI MORSETTI CORRISPONDENTI Metodo di misura: METODO DELLE 2 TENSIONI V1 misura la tensione dell avvolgimento 1 V2 misura la tensione tra i 2 avvolgimenti collegati in serie N.B. In fig. 2, l avvolgimento secondario è avvolto in modo opposto rispetto a come è avvolto in fig. 1. TABELLA DEGLI STRUMENTI N STRUMENTO TIPO CARATTERISTICHE COSTRUTTOR E 1 Vriac Man. a rot V -... A Da banco 2 Voltometro 1 Multimatro digitale V, I, F, R - Cl =... FLUKE 3 Voltometro 2 Multimatro digitale V, I, F, R - Cl =... FLUKE N MAT. Collaudo trasformatore trifase pag. 4

5 NOTE In un trasformatore in genere il secondario è svincolato dal primario e la tensione secondaria può essere utilizzata disponendo in genere il carico tra i due morsetti della macchina in modo indifferente. Va tuttavia rilevato che il vettore tensione secondaria ha un suo senso ben preciso rispetto al vettore tensione primaria, senso che per il collegamento dei singoli carichi non ha alcuna importanza ma che va tenuto ben presente nel caso di: - collegamento in parallelo di più trasformatori; - alimentazione di strumenti o apparecchi di tipo elettrodinamico o a induzione. Infatti nel primo caso, per il collegamento in parallelo di più trasformatori è necessario che le tensioni secondarie siano rigorosamente in fase e quindi è necessario il collegamento diretto dei morsetti corrispondenti. Nel secondo caso, se si rovescia il verso della tensione di alimentazione di uno dei 2 circuiti degli apparecchi elettrodinamici o ad induzione, muta il segno dell azione meccanica. PROCEDIMENTO Determinazione della corrispondenza di colonna Si alimenta un solo avv. prim. e si misurano le 3 tensioni sugli avv. sec. Sull avv. corrispondente la tensione è doppia rispetto agli altri 2 in quanto il flusso magnetico e doppio nella colonna alimentata. Determinazione della corrispondenza di morsetto Si collegano tra di loro i morsetti A-a e si alimenta il circuito con una tensione V1 applicata tra i morsetti A-B (lato AT). Quindi si misura la tensione V2 tra i morsetti B-b. Se il voltometro V2 segna meno della tensione di alimentazione V1: A - a sono a polarità concorde. Se il voltometro V2 segna più della tensione di alimentazionione V1: A - a sono a polarità discorde. Collaudo trasformatore trifase pag. 5

6 1) MISURA DEL RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE A VUOTO V 1 V 2 Ko NOTE V V Ko = V 1 V 20 E 1 E 2 = N 1 N 2 95,40 31,95 2,99 V AB -V ab 95,40 31,80 3,00 V AB -V ac Ko = K 1 + K 2 + K 3 + Kn n 95,40 31,69 3,01 V AB -V bc 87,90 29,05 3,03 V AC -V ab 87,90 28,92 3,04 V AC -V ac 87,90 28,90 3,04 V AC -V bc 87,80 29,15 3,01 V BC -V ab 87,80 29,02 3,03 V BC -V ac 87,80 29,17 3,01 V BC -V bc CONDIZIONI DELLA PROVA Metodo di misura: Metodo diretto R V2 elevata in modo che il trasformatore sia prossimo al funzionam. a vuoto durante la prova. Misure eseguite alimentando sia il primario che il secondario. La misura, per motivi di sicurezza, può essere condotta a tensioni inferiori alle Vn. La rotazione delle fasi dovrebbe rilevare eventuali differenze costruttive. Collaudo trasformatore trifase pag. 6

7 2) MISURA DELLA RESISTENZA DEGLI AVVOLGIMENTI Metodo di misura: VOLT-AMPEROMETRICO. LATO AT LATO BT V I R V I R mv ma Ω mv ma Ω R AB ,13 R ab 46, ,46 R AB ,13 R ab 91, ,46 R AB ,13 R ab ,46 R AC ,3 R ac 37, ,38 R AC ,3 R ac 75, ,38 R AC ,3 R ac ,38 R BC ,33 R bc 56, ,57 R BC ,28 R bc ,52 R BC ,32 R bc ,52 R1m = 3,24 Ω R2m = 0,46 Ω Υ R1f = 1,62 Ω R2f = 0,68 Ω CONDIZIONI DELLA PROVA - Metodo più indicato: Doppio ponte di Thomson (ma complesso e apparecchi dedicati) - Misura di piccole resisteze (> di 1 Ω) in c.c. alla t.a. (20 C) - Attenzione alle resistenze dei cavetti e di contato - Rz per limitare la corrente - Voltometro a valle per trascurare gli autoconsumi - Imax < 10% di In per non riscaldare gli avvolgimenti - Rf = resistenza di fase Rm = resistenza misurata ai morsetti del trasformatore - Rf = ½ Rm (per collegamento a stella) Rf = 3/2 Rm (per collegamento a triangolo) Collaudo trasformatore trifase pag. 7

8 3) PROVA A VUOTO SCOPO Determinare: Pfe; Io, cos ϕo, Zo, Ro, Xo, Ia, Iµ TABELLA DEGLI STRUMENTI (esempio) N STRUMENTO TIPO CARATTERIST. COSTRUTT. N MAT. 1 VARIAC Toroidale 3F+N V - 16A Da banco 2 Voltometro Multim. digitale Vcc-Vca-Icc-Ica-f-Ω FLUKE III 3 Amperometro Multim. digitale Vcc-Vca-Icc-Ica-f-Ω FLUKE III 4 Wattmetro Digitale P Q - cosϕ NORMA TABELLA DATI SPERIMENTALI (esempio) LET. V I1 I2 I3 Io W1 W2 Po Cos o N V A A A A W W W / ,30 3,38 4,04 3,57 271,0-144,0 127,0 0, ,02 2,00 2,46 2,16 154,6-59,1 95,5 0, ,38 1,31 1,66 1,45 103,8-24,0 79,8 0, ,98 0,90 1,17 1,02 74,0-7,4 66,6 0, ,72 0,64 0,86 0,74 53,8 1,9 55,7 0, ,33 0,49 0,66 0,49 40,0 3,0 43,0 0, ,42 0,37 0,52 0,44 29,2 8,4 37,6 0, ,33 0,30 0,42 0,35 21,4 8,8 30,2 0, ,27 0,25 0,35 0,29 15,8 7,7 23,5 0, ,23 0,22 0,31 0,25 11,6 7,1 18,7 0,71 Po = W1 + W2 Cos ϕo = Po / S S = 3 V x Io Po = Pfe + Pcu 1 (Io) Pcu 1 (Io) = R 1 x I o 2 è trascurabile in quanto Io è circa il 10% di In Collaudo trasformatore trifase pag. 8

9 CONDIZIONI DELLA PROVA 1. Alimentazione lato Vn = V In =. A (N.B. Io 10% di In a Vn) 2. Alimentazione lato BT (si riduce la V ed aumenta la I) per avere tensioni e correnti compatibili con gli strumenti di misura e operare con tensioni meno pericolose. 3. V = variabile tra 40% 120% di Vn Almeno 10 misure 4. Voltmetriche a monte per trascurare gli autoconsumi (non rilevante con strum. dig.). 5. Le potenze misurate dal wattmetro sono modeste (attenzione ai decimali); Il cos ϕ è basso. 6. Po Pfe in quanto le Pcu durante la prova a vuoto sono trascurabili CARICO SQUILIBRATO N.B. Il trasf a vuoto si presenta come un carico squilibrato per la diversità dei 3 circuiti magnetici (il circuito magnetico dell avv. centrale più corto e quindi vede una riluttanza minore rispetto agli avvolgimenti laterali), pertanto, per misurare il cosϕ non è sufficiente ARON. In realtà la diversità tra le 3 correnti è prevalentemente in modulo e non in fase, pertanto all atto pratico, a misurare il cos ϕ con 2 wattmetri (ARON) si commette un errore trascurabile. Se il trasformatore è collegato a Υ la corrente della fase centrale è minore delle altre 2. Se il trasformatore è collegato a la corrente di linea corrispondente al nodo delle 2 fasi laterali (è una linea laterale e non la centrale) è maggiore delle altre 2. Collaudo trasformatore trifase pag. 9

10 GRAFICI Io Vo: Caratteristica di magnetizzazione (notare ginocchio di saturazione) Po Io: Funzione quadratica (parabola) in quanto Po Pfe che è funzione di V 2. Cosϕo Io: Dipende dalla curva Io Vo VALORI FINALI Pfe =.. W si ricava dal grafico Po V, alla Vn Io =.. A si ricava dal grafico Io V, alla Vn Cosϕo =.. si ricava dal grafico Cosϕo V, alla Vn Collaudo trasformatore trifase pag. 10

11 6) PROVA IN CORTO CIRCUITO SCOPO Determinare: Pcu; Ze, Re, Xe N.B. Serve TA per trafo da VA TABELLA DEGLI STRUMENTI (esempio) N STRUMENTO TIPO CARATTERIST. COSTRUTT. N MAT. 1 VARIAC Toroidale 3F+N V - 16A Da banco 2 Voltometro Multim. digitale Vcc-Vca-Icc-Ica-f-Ω FLUKE III 3 Amperometro Multim. digitale Vcc-Vca-Icc-Ica-f-Ω FLUKE III 4 Wattmetro Digitale P Q - cosϕ NORMA TABELLA DATI SPERIMENTALI (esempio) LET. I V W1 W2 Pcc Cos cc N A V W W W / 1 4,53 27,84 112,2 97,6 209,8 0,96 2 4,00 25,19 90,5 77,3 167,8 0,96 3 3,50 22,34 64,6 66,5 131,1 0,97 4 3,01 19,33 51,0 46,8 97,8 0,97 5 2,50 17,16 38,1 34,1 72,2 0,97 6 2,02 13,57 23,7 22,3 46,0 0,97 7 1,44 10,89 13,9 12,3 26,2 0,97 8 1,04 7,27 5,6 7,0 12,6 0,96 9 0,47 4,00 1,4 1,7 3,1 0,95 Pcc = W1 + W2 Cos ϕcc = Pcc / S S = 3 V x I Pcu = Pcc + Pfe(Vo) Pfe(Vo) è trascurabile in quanto Io è circa il 6% di Vn Collaudo trasformatore trifase pag. 11

12 CONDIZIONI DELLA PROVA 1. 1 Alimentazione lato Vn = V In =. A (N.B. Vcc 4-6% di Vn a In) 2. Alimentazione lato AT (si riduce la I ed aumenta la V) per avere tensioni e correnti compatibili con gli strumenti di misura e operare con correnti non elevate. 3. Attenzione alla sezione dei cavi di corto circuito. 4. I = variabile tra 20% 120% di In Almeno 10 misure 5. Prova condotta per valori decrescenti, per avere la macchina a regime termico. 6. Voltmetriche a valle per trascurare gli autoconsumi. (non rilevante con strum. dig.). 7. Le potenze misurate dal wattmetro sono modeste (attenzione ai decimali); Il cos ϕ è quasi Pcc Pcu in quanto le Pfe durante la prova in c.to-c.to sono trascurabili Pcc = Pcu + Pfe(Vcc) Pfe(Vcc) = k x Vcc 2 Vcc = (4% 6%) di Vn a In Vcc 0,05 Vn Vcc 2 0,0025 Vn Pfe(cc) = 0,25% Pfe(n) del normale funzionamento GRAFICI Vcc Pcc cosfcc 2 Pcc=f(I ) Pcc=f(I) 0 In Icc 0 In Icc 0 In Icc Curva V - I: lineare in quanto la R = cost. e la X = cost. in quanto siamo lontani dalla saturazione del ferro. Curva P - I: parabola in quanto le P sono funzione solo di I 2. Curva cos - I: orizzontale per quanto detto al punto b. Collaudo trasformatore trifase pag. 12

13 VALORI FINALI Pcu =.. W si ricava dal grafico Pcc V, alla In Vcc =.. A si ricava dal grafico Icc V, alla In Cosϕcc =.. si ricava dal grafico Cosϕcc V, alla In N. B. I valori sopra ricavati devono essere rielaborati e riportati dalla temperatura della prova t =. C, alla temperatura convenzionale di 75 C. Assumere t = 40 C come temperatura degli avvolgimenti durante la prova Valori riportati alla t = 75 C Pcu =.. W Icc =.. A Cosϕcc =.. RELAZIONE (Punti 1-4 obbligatori; 5-6 facoltativi) 1 Titolo, Oggetto, Scopo, Elenco prove eseguite (4 prove), Relazione di gruppo Schema, Tabella, Grafici (per 4 prove) (vedi EXCEL) 2 Circuito eq. Con i valori di R eq 75 C, X eq, Ra, Xµ Relazione individuale Pcc[W], Pcc%, Vcc[V], Vcc%, Cosϕcc 3 Pfe[W], Pfe%, Io[V], Io%, Cosϕo Calcolati rispettivamente a tensioni e correnti nominali ed Relazione individuale alla temperatura di 75 C 4 Verificare che Pcu = 3R 1 * I1n 2 + 3R 2 * I2n 2 sia leggermente inferiore alla Pcu = Pcc relativa alla In R 1 e R 2 resistenza di fase I 1 e I 2 correnti nominale di fase Relazione individuale Eventuali altre richieste Tabella di simulazione del calcolo del rendimento al variare 5 del carico (0 < I2n < 1,25*I2n) e cosϕ = 1 / 0,9 / 0,8 Grafico η - I2 Tabella di simulazione del calcolo della tensione al secondario al variare del carico (0 < I2n < 1,25*I2n) 6 e cosϕ = 1 / 0,9 / 0,8 Grafico V2 - I2 Relazione individuale Relazione individuale Collaudo trasformatore trifase pag. 13