COLLAUDO DI UN TRASFORMATORE MONOFASE

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1 Alunno: Gruppo: Classe: Data.: I. T. I. S. P. HEMSEMBERGER Bs 2007/08 MONZA COLLAUDO DI UN TRASFORMATORE MONOFASE Oggetto: Trasformatore monofase n... Sn =... VA - fn = 50 Hz V 1n /V 20 =... /... V I 1n /I 2n =... /... V N.B. n, Sn, V 1n /V 20 si leggonono sulla targa del TRAFO; I 1n /I 2n devono essere calcolate con le formule di teoria. Scopo: 1 Disegnare il circuito equivalente 2 Tracciare la curva del rendimento convenzionale = f(i 2 ). 3 Tracciare la caratterisitica esterna V 2 = f(i 2 ). PROVE PRATICHE ESEGUITE (Metodo indiretto): a) Misure di temperatura. b) Misura di isolamento. c) Ricerca dei morsetti corrispondenti. 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) Dati delle prove di collaudo 2) Determinazione del circuito equivalente. 3) Determinazione delle caratteristiche esterne (V 2 - I 2 ; V 2 - I 2 ). 4) Determinazione della caratteristica del rendimento ( - I 2 ). Prova indiretta pag. 1

2 b) MISURE 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. sec.; b) avv. prim. e avv. sec. collegati assieme e 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 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. Prova indiretta pag. 2

3 c) RICERCA DEI MORSETTI CORRISPONDENTI TRASFORMATORE MONOFASE N...: S n =... VA V 1/V 20 =... V 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. Prova indiretta pag. 3

4 1 - MISURA DEL RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE A VUOTO SCHEMA DI MISURA TEORIA Ko = V1 V 20 E1 E 2 = N1 N 2 CONDIZIONI DELLA PROVA 1. Metodo diretto (semplice e sufficientemente preciso) 2. Z2 molto elevata affinché il secondario sia realmente a vuoto 3. Almeno 3 misure alimentando lato primario (AT) e 3 misure alimentando lato secondario (BT) 4. La misura, per motivi di sicurezza, può essere condotta a tensioni anche molto inferiori alle Vn (senza perdere in precisione). TABELLE SPERIMENTALI Alimentazione lat AT Alimentazione lat BT V 1 V 2 V1 V K' 0 V 1 V 2 V1 V K'' 0 Ko K K2 n 1... k n N.B. V 1 = tensione lato AT; V 2 = tensione lato BT RISULTATI DELLA PROVA Ko =.. Prova indiretta pag. 4

5 2 - MISURA DELLA RESISTENZA DEGLI AVVOLGIMENTI SCHEMA DI MISURA TEORIA Misura di resistenza di piccolo valore (dell ordine di qualche hom al massimo) Metodi più indicati: Metodo di confronto, Metodi a ponte, Doppio ponte di Thomson CONDIZIONI DELLA PROVA 1. Misura in corrente continua e a temperatura ambiente (20 C) 2. Rz = resistenza zavorra almeno 50 per limitare le correti 3. Voltmetriche a valle per limitare gli errori di autoconsumo degli strumenti 4. Almeno 3 misure per avvolgimento con correnti variabili ma inferiori al 10% della In per non riscaldare l avvolgimento (resistenza a temperatura ambiente) 5. Accorgimenti per limitare gli errori di cavetti (0,2 /m) e di contatto (0,1-0,5 ): Collegare il Voltometro direttamente sui morsetti del trasformatore e prima dei collegamenti amperometrici TABELLE SPERIMENTALI Avvolgimento primario Avvolgimento secondario VOLT. AMPER. R VOLT. AMPER. R mv ma mv ma R1m = A 20 C R2m = R1m = A 75 C R2m = Prova indiretta pag. 5

6 4 - PROVA A VUOTO SCOPO Determinare: Pfe; Io, cos o, Zo, Ro, Xo, Ia, I SCHEMA DI MISURA Alimentazione lato (AT/BT??) TEORIA 1. Io = (6% 10%) di In a quando il trasformatore è alimentato a Vn 2. Pfe = Po - Pcu1(Io) dove Pcu1(Io) = R1 x Io 2 Io = (6% 10%) di In a Vn 10% di In = 0,1 In. Al quadrato = 0,01 I 2 n e quindi Pcu1(Io) = 1% di Pcu1(In) e quindi con buona approssimazione si possono trascurare Po = Pfe 3. Le Pfe (perdite nel ferro) sono dovute al ciclo d isteresi ed alle correnti parassite e sono proporzionali all incirca a V 2. CONDIZIONI DELLA PROVA 1. Alimentazione lato BT per avere tensioni e correnti compatibili con gli strumenti di misura; l avvolgimento AT è a vuoto (aperto) 2. Voltmetriche a monte per trascurare gli autoconsumi. 3. Prova a tensione variabile tra (circa) 40% 120% di Vn almeno 10 misure 4. Il cos è basso (solitamente inferiore a 0,5) Prova indiretta pag. 6

7 TABELLA SPERIMENTALE V/Vn V I Po Puc-o Pfe % V A W W W 10% 20% Cos 0 125% N.B. Calcolare le Pcu-o e verificare che sono trascurabili rispetto alle Po e quindi Po = Pfe GRAFICI N.B. I grafici devon essere interpolati Io Vo: Caratteristica di magnetizzazione (notare ginocchio di saturazione) Po Vo: Funzione quadratica (parabola) in quanto Po Pfe che è funzione di V 2. Cos o Vo: Dipende dalla curva Io Vo (R = cost, mentre Xfe varia come la curva Io-Vo) Prova indiretta pag. 7

8 RISULTATI DELLA PROVA Po =.. W Po% =.. Io =... A Io % =... Cos 0 =.. Ia =.. A I =... A Zo =. Ra =.. X = N. B. Pfe, Io, Cos o, sono stati ricavati dai grafici e non dalla tabella Pfe, Io, Cos o, Ia, I sono riferiti alla tensione nominale N.B. Pfe, Pfe%, Io% non dipendono dal lato di alimentazione; Io, Ia, I, Zo, Ro, X, si riferiscono al lato di alimentazione della prova. Prova indiretta pag. 8

9 5 - PROVA IN CORTO CIRCUITO SCOPO: Si determinano: Pcu; Ze, Re, Xe N.B. Serve TA per trafo da VA SCHEMA DI MISURA TEORIA 1. Vcc = (6% 10%) di Vn quando negli avvolgimenti circola la corrente nominale. 2. Pcu = Pcc + Pfe(Vcc) Pfe(Vcc) = K x Vcc 2 Vcc = (6% 10%) di Vn a In 10% di Vn = 0,1 Vn; al quadrato = 0,01 V 2 n e quindi Pfe(Vcc) = 1% di Pfe(Vn) e quindi con buona approssimazione Pcc = Pcu 3. Le Pcu (perdite nel rame) sono dovute all effetto Joule e alla perdite addizionali e sono proporzionali a I 2. CONDIZIONI DELLA PROVA 1. Alimentazione lato AT per avere tensioni e correnti compatibili con gli strumenti di misura; l avvolgimento BT è chiuso in corto circuito 2. Voltmetriche a valle per trascurare gli autoconsumi. 3. Prova a corrente variabile tra (circa) 40% 120% di In almeno 10 misure 4. Prova per valori decrescenti di corrente, per avere la macchina a regime termico 5. Il cos è alto e costante (solitamente superiore a 0,7) N.B. L alimentazione è a tensione ridotta rispetto alla tensione nominale, altrimenti il trasformatore va in fumo. Prova indiretta pag. 9

10 TABELLA SPERIMENTALE I/In V I Pcc Pfe-cc Pcu % V A W W W 10% 20% Cos cc 125% N.B. Calcolare le Pfe-cc e verificare che sono trascurabili rispetto alle Pcc e quindi Pcu = Pcc GRAFICI N.B. I grafici devon essere interpolati Vcc Icc: Caratteristica lineare in quanto durante la prova: Re = costante se non cambia la temperatura degli avvolgimenti; Xe = costante in quanto il ferro lavora nella zona lineare della caratteristica di magnetizzazione (lontano dalla saturazione); Pcc Icc: Funzione quadratica (parabola) in quanto Pcc Pcu che è funzione di I 2. Cos o Icc: Caratteristica lineare perché Re = cost e Xe = cost Prova indiretta pag. 10

11 RISULTATI DELLA PROVA Pcu =.. W Vcc =... V Cos cc =.. Re =.. Pcu% =.. Vcc% =... Ze =. Xe = N. B. Pcu, Vcc, Cos cc, sono stati ricavati dai grafici e non dalla tabella e sono riferiti alla corrente nominale N.B. Pcu, Pcu%, Vcc% non dipendono dal lato di alimentazione; Vcc, Ze, Re, Xe, si riferiscono al lato di alimentazione della prova. Prova indiretta pag. 11

12 5 - DETERMINAZIONE DEL CIRCUITO EQUIVALENTE PROVA A VUOTO (alimentazione lato secondario o BT) Dai grafici della prova a vuoto si ricava Po, I2o, Cos o, in corrispondenza della tensione nominale V = V2o (prova eseguita alimentando il secondario). Calcolo di Ra e X lato primario I valori di Po, Qo, Cos o misurati alla tensione V = V2o (alimentazione lato secondario), coincidono con quelli misurati alla V = V1n con alimentazione lato primario. La I2o chiaramente cambia. Po = Pfe Pfe = V1n2 Ra Ra = V1n2 Pfe Qo = Po x tag o Qo = V1n2 X X = V1n2 Qo Prova indiretta pag. 12

13 PROVA IN CORTO CIRCUITO (alimentazione lato primario o AT) Dai grafici della prova in c.to-c.to si ricava Pcc, V1cc, Cos cc, in corrispondenza di della corrente nominale I = I1n (prova eseguita alimentando il primario). Calcolo di Re e Xe lato secondario I valori di Pcc, Qcc, Cos cc misurati alla corrente I = I 1n (alimentazione lato primario), coincidono con quelli misurati alla I = I 2n con alimentazione lato secondario. La V1cc chiaramente cambia. La caratteristica Vcc-Icc è lineare pertanto in qualsiasi punto il rapporto Vcc/Icc dà la Ze vista al primario Ze = Vcc Icc che vista al secondario diventa Ze = Ze' K 2 Pcc = Pcu Pcu = Re * I1n 2 = Re * I2n 2 Re = Pcu I2n 2 Quindi si ricava la Xe vista al secondario Xe = Ze'' 2 - Re'' 2 Riporto della Re da 20 C (temperatura della prova) alla temper. convenzionale di 75 C. (K = 1,216) La Xe non varia al variare della temperatura. 234,5 + r Re 75 C = Re * K Con K = (valida solo per il 234,5 + o rame) N.B. Essendo il trasformatore di piccola potenza, sono state trascurate le perdite addizionali nel riporto a 75 C Ricalcalo di tutti i parametri alla temperatura convenzionale di 75 C. Pcu75 C = Re 75 C * I2n 2 Non dipende dal lato alimentazione Ze 75 C = Re''75 C 2 + Xe'' 2 Ze 75 C = k 2 * Ze 75 C Cos cc75 C = Re''75 C Ze 75 C Non dipende dal lato alimentazione Vcc% = Ze 75 C * I2n V20 Non dipende dal lato alimentazione Normalmente sulla targa di un trasformatore vengono riportati i seguenti valori riferiti a 75 C ed alle condizioni nominali di funzionamento: Sn V1 / V2o I1 / I2 Pcu Pfe Vcc% Prova indiretta pag. 13

14 6 - DETERMINAZIONE DELLA CADUTA DI TENSIONE E DEL RENDIMENTO a) Carico con cos = 1 V = Re 75 C * I2 = V2 * I2 V2 * I2 + Pfe + Re 75 C * I2 2 b) Carico con cos = 0,8 V = (Re 75 C * I2 * cos ) + (Xe * I2 * sen ) = V2 * I2 * cos V2 * I2 * cos + Pfe + Re 75 C * I2 2 Calcolare V20, - V e per I2 = 0, 1/4*I2n, 2/4*I2n ¾*I2n, 4/4*I2n, 5/4*I2n e tracciare i 3 grafici: V2-I2; V 2-I2; -I2 VERFICA DI CORRETTEZZA Calcolare le Pcu, note le resistenze degli avvolgimenti ricavate nella prova n 2. Pcu = R1*I1n 2 + R2*I2n 2 (alla t. ambiente di 20 C) Questo valore deve essere leggermente inferiore a quello ricavato con la prova in corto circuito (alla In) per 2 motivi: 1. Non contempla le perdite addizionali 2. Nella prova in c.to-c.to gli avvolgimenti si riscaldano e non sono più a 20 C. Prova indiretta pag. 14

15 5 CURVE CARATTERISTICHE CALCOLO DEL RENDIMENTO CONVENZIONALE E DELLA V2 ATTRAVERSO LE MISURE (VUOTO E C.TO C.TO) Fatt. Cos Cos Cos Cos Cos Cos Cos Cos Cos carico 75 C 1 0,9 0,8 1 0,9 0,8 1 0,9 0,8 a V1 I1 V2o I2 Pfe Req" Pcu P2 P2 P2 V2 V2 V2 % V A V A W W kw kw kw % % % Rendim Rendim - Corrente 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0, I [A] Cos 1 Cos 0,9 Cos 0,8 P2 = P2 Pfe Pcu Caduta di tensione (approssimata) I 2 ( R" eq Cos X " eq Sen ) V2 = V 2o V2% = V2 x100 Rendim - Corrente DV2% 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, I [A] Cos 1 Cos 0,9 Cos 0,8 Prova indiretta pag. 15