Autotransformatorul monofazat

AUTOTRANSFORMATORUL MONOFAZAT

1. SCOPUL SI OBIECTIVELE LUCRARII.

Scopul: determinarea practica, in laborator, a principalelor caracteristici de functionare ale unui autotransformator electric monofazat.

Obiectivele urmarite:

determinarea caracteristicii externe: U₂ = f(I₂), pentru U₁ = constant si cosj = constant

ridicarea caracteristicii randamentului: h = f(P₂), pentru U₁ = constant si cosj = constant

determinarea impedantei echivalente a autotransformatorului la func-tionarea in scurtcircuit.

2. MEMENTO TEORETIC.

Autotransformatorul are un miez feromagnetic si o singura infasurare pe faza, prevazuta cu una sau mai multe prize. In figura 1 este prezentata schita unui autotransformator monofazat.

Figura 1. Autotransformatorul electric monofazat.

Infasurarea “1 – 0” este infasurarea de inalta tensiune, iar infasurarea “0 – 2” este infasurarea de joasa tensiune; prin urmare, infasurarile primara si secundara ale autotransformatorului sunt cuplate electromagnetic si conectate galvanic, o parte din infasurare fiind comuna atat primarului cat si secundarului.

Autotransformatorul poate fi ridicator de tensiune, cand se alimenteaza pe partea de joasa tensiune, bornele “0 – 2”, sau coborator de tensiune, cand se alimenteaza pe partea de inalta tensiune, bornele “1 – 0”; la cealalta pereche de borne se conecteaza circuitul receptor.

Se noteaza cu:

,                  (1)

raportul tensiunilor autotransformatorului, aproximativ egal cu raportul numerelor de spire intre bornele “1 – 0”, respectiv “0 – 2”. Neglijand curentul de magnetizare, cu sensul pozitiv al curentilor ales ca in figura 1, prin aplicarea legii circuitului magnetic de-a lungul unei linii de camp magnetic util, se poate scrie, in regim armonic, ecuatia (marimile sunt reprezentate in complex simplificat):

w_a·I_i - w_j·I_s (2)

sau,

.                       (3)

S-a notat cu I_s curentul prin portiunea de infasurare comuna a autotransfor-matorului, iar cu w_a numarul de spire ale infasurarii aditionale, parcursa numai de curentul I_i, pe partea de inalta tensiune. Cum I_i + I_s = 0, rezulta:

.                                  (4)

Puterea transferata dintr-o parte in alta a autotransformatorului, in ipoteza in care se considera ca pierderile sunt neglijabile, este:

S = U_i·I_i = U_j·I_j.                   (5)

O parte din aceasta putere este transferata pe cale electromagnetica:

S_e = U_j·I_s;                           (6)

sau, tinand seama de relatiile (4) si (5):

.                     (7)

Diferenta de putere,

,            (8)

reprezinta puterea transferata direct, din primar in secundar, pe cale galvanica.

In tabelul 1 sunt prezentate rapoartele S_e/S si S_g/S, in functie de raportul de transformare al autotransformatorului, k.

Tabelul 1.

Miezul feromagnetic al autotransformatorului se dimensioneaza pentru puterea electromagnetica S_e, portiunea de infasurare aditionala pentru curentul I_i, iar portiunea de infasurare comuna pentru curentul I_s.

Autotransformatorul este avantajos pentru raporturi de transformare k I , deoarece puterea sa electromagnetica este sensibil mai mica decat puterea transferata; consumul de materiale, atat pentru realizarea miezului feromagnetic cat si pentru infasurari, este mai redus la autotransformator, in comparatie cu un transformator avand aceleasi caracteristici.

De exemplu, un autotransformator trifazat de 400 MVA, 400/231 kV, are miezul dimensionat pentru puterea electromagnetica S_e = 169 MVA, infasurarea aditionala pentru curentul I_i = 580 A, iar portiunea comuna pentru curentul I_s = 420 A.

Autotransformatorul prezinta dezavantajul de a nu realiza separarea cir-cuitelor primare si secundare, ceea ce limiteaza domeniul de aplicare numai la interconexiunea retelelor cu tensiuni care nu difera prea mult (cu nivel de izo-latie apropiat), precum si in retelele in care problema patrunderii supratensi-unilor este exclusa.

Autotransformatorul trifazat se realizeaza cu grupa de conexiuni Y₀y₀ – 0 si se prevede, in mod uzual, cu o infasurare tertiara, conectata in triunghi (figura 2).

Domeniul de aplicare a autotransformatoarelor este foarte larg; acestea se construiesc atat pentru puteri mici, fiind necesare adaptarii receptoarelor la tensiunea retelei (de exemplu, de la 110 V la 220 V), cat si pentru puteri foarte mari, fiind utilizate la interconectarea retelelor de tensiuni diferite (de exemplu, la interconectarea retelelor de 380 kV cu retele de 220 kV). Autotransfor-matorul este utilizat si in instalatiile electrice de pornire a motoarelor sincrone si asincrone.

Figura 2. Schema de conexiuni ale infasurarilor tertiare ale autotransformatorului trifazat.

3. METODOLOGIA LUCRARII.

Se efectueaza montajul din figura 3. Se alimenteaza primarul auto-transformatorului la tensiune nominala, prin inchiderea intrerupatorului K. Secundarul autotransformatorului fiind lasat in gol (K₁ si K₂ deschise), se stabileste un raport de transformare k = 1,5, unde k = U_1n/U₂₀  (tensiuni citite pe voltmetrele V₁ si V₂).

Cursorul reostatului R fiind pe pozitia corespunzatoare rezistentei maxi-me, se inchide intrerupatorul K₁ (K₂ deschis). Se incarca in mod progresiv auto-transformatorul, prin scaderea rezistentei de sarcina R, pana cand curentul din infasurarea secundara atinge valoarea I₂ = 1,2·I_2n (ampermetrul A₂). Se masoara tensiunea la bornele secundare, U₂, puterea absorbita, P₁ (wattmetrul W₁) si puterea debitata de autotransformator P₂ (wattmetrul W₂). Rezultatele masuratorilor se trec in tabelul 2. In timpul incercarii tensiunea de alimentare a autotransformatorului se mentine constanta, U₁ = U_1n.

Se cupleaza la bornele secundare ale autotransformatorului o sarcina in-ductiva, cupland in paralel cu reostatul R inductivitatea L. Se citeste cosj si se mareste sarcina autotransformatorului, pana cand I₂ = 1,2·I_2n. In timpul masu-ratorilor se va mentine cosj constant (prin modificarea valorilor lui L si R), de-asemenea valoarea tensiunii de alimentare (U₁ = U_1n) a autotransformatorului. Rezultatele masuratorilor se trec in tabelul 2.

Se stabileste pentru autotransformator un raport de transformare k = 2 si se reiau operatiile descrise anterior.

Figura 3. Schema montajului utilizat pentru studiul functionarii in sarcina a autotransformatorului.

Tabelul 2.

Se efectueaza incercarea in scurtcircuit a autotransformatorului, utili-zand montajul din figura 4. Se stabileste un raport de transformare k = 1, Tensiunea de alimentare a autotransformatorului fiind “zero”, se inchide intrerupatorul K. Se creste tensiunea de alimentare (voltmetrul V₁), pana cand curentul prin infasurarea primara atinge valoarea nominala I_1n (ampermetrul A₁). Se citeste valoarea tensiunii de scurtcircuit, U_k (voltmetrul V₁) si puterea absorbita de autotransformator P_1k (wattmetrul W₁).

Se va determina impedanta de scurtcircuit, Z_k si componentele acesteia (R_k, X_k), utilizand urmatoarele relatii de calcul:

Z_k = U_k/I_1k;  ; ; unde I_1k = I_1n.

Figura 4. Schema montajului utilizat pentru incercarea

in scurtcircuit a autotransformatorului.

Aplicatie.

Se aplica metodologia propusa in cazul unui autotransformator reglabil, avand urmatoarele date nominale:

puterea, S_n =2 kVA;

tensiunea primara, U_1n = 220 V.

Se completeaza tabelul 3, corespunzator aparatelor folosite in montajele din figurile 3 si 4, verificandu-se compatibilitatea elementelor componente ale schemelor cu valorile marimilor electrice pe care acestea trebuie sa le suporte.

Tabelul 3.

4. PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE.

Se traseaza caracteristica externa a autotransformatorului, U₂ = f(b , pen-tru U₁ = constant si cosj = constant, unde b = I₂/I_2n, pentru doua valori ale factorului de putere si ale raportului de transformare.

Se traseaza caracteristica randamentului autotransformatorului, h = f(P₂), pentru U₁ = constant si cosj = constant, pentru doua valori ale factorului de putere si ale raportului de transformare:

 [%].

PROBLEME DESCHISE.

De ce la incercarea in scurtcircuit, raportul de transformare al autotrans-formatorului trebuie sa fie diferit de “1”?

Cum se poate stabili cat la suta din puterea activa a sarcinii provine din cuplajul galvanic dintre primar si secundar?

Cum se modifica caracteristicile externe si ale randamentului in functie de raportul de transformare?

Ce se intampla daca una dintre sectiunile infasurarii autotransformatorului monofazat este intrerupta?