nota_pengubah.doc
DESCRIPTION
nota rbtTRANSCRIPT
Bab 6 Tajuk:Pengubah
PENGUBAH / TRANSFORMER
Objektif Pelajaran : Pada akhir bab ini pelajar akan dapat :
Menyatakan fungsi pengubah Mengenal dan melakar simbol pengubah Mengenal jenis teras udara, teras besi dan serbuk besi Mengenal teras jenis kelompang ( E-I ) dan bentuk teras
tingkap ( U-I ) Mengenal jenis belitan utama dan sekunder Mengenal kaedah belitan sepusat dan belitan apit Menerangkan kendalian asas pengubah Menghitung nisbah belitan, nisbah voltan dan nisbah arus.
(Formula : V1/V2 = N1/N2 = I2/I1 ) Menyatakan kuasa masukan, kuasa keluaran dan kehilangan
pengubah Menerangkan dan menghitung kecekapan pengubah Menyatakan penggunaan pengubah kuasa
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 1
UNIT 6
Bab 6 Tajuk:Pengubah
PengenalanPengubah adalah satu alat elektrik yang statik yang digunakan untuk menaikkan ataumenurunkan voltan.Pengubah terdiri dari dua lilitan yang disambungkan melalui terasmagnet. Satu belitan disambung kepada bekalan manakala satu lagi belitan disambungkepada beban.
Binaan asas:1.Teras
diperbuat daripada kepingan keluli silikon yang berlapis dengan penebat tebal keluli antara 1mm-5mm keluli silikon digunakan kerana kehilangan histerisis rendah teras berlapis bertujuan untuk mengurangkan kehilangan kuasa akibat arus pusar
2.Belitan gegelung dibuat daripada dawai kuprum berpenebat terdiri daripada belitan primer dan belitan sekunder
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 2
N1 N2 Bekalan AU Beban
Fluks magnet
Belitan sekunderBelitan Primer
Teras
Binaan asas pengubah
Histerisis : kehilangan kuasa elekto magnet yang disebabkan oleh perubahan kutub pada teras akibat berlaku perubahan kitar voltan AU dalam masa yang singkat
Arus pusar (eddy current) : arus yang terhasil pada teras pengubah dan mengakibatkan kepanasan
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Jenis teras
a.bentuk kelompang ( E-I ) b.bentuk tingkap ( U- I )
Tujuan:kurangkan kelesapan kuasa dalam teras
Jenis Belitan
a.belitan sepusat b.belitan apit
Simbol Pengubah
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 3
Belitan primer
Belitan sekunder
Belitan sekunder
Belitan primer
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Jenis Teras Simbol
1.Teras Udara
2.Teras Besi
3.Teras besi serbuk
4.Pengubah Auto
5.Pengubah Sadap Tengah (centre tap)
6.Pengubah berbilang sadap (multi tap)
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 4
Simbol am pengubah
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Prinsip Kendalian Pengubah
E1 : d.g.e. belitan utamaE2 : d.g.e. belitan sekunderV1 : voltan primer (bekalan/masukan)V2 : voltan sekunder (keluaran ke beban)I1 : arus beliatan primerI2 : arus belitan sekunderN1 : bilangan belitan primerN2 : bilangan belitan sekunder
Kendalian asas pengubahi. belitan primer yang disambungkan ke bekalan AU (V1) akan menghasilkan fluksii. fluks magnet yang mengembang dan menguncup (mengikut frekuensi arus bekalan) akan memotong belitan primer (Hukum Faraday)iii. d.g.e. akan terhasil dalam belitan primer (E1) kesan daripada aruhan diri.iv. fluks yang terhasil akan memotong belitan sekunder melalui teras (E2) kesan dari aruhan saling. v. d.g.e teraruh ini akan disalurkan kepada punca keluaran untuk disambungkan kepada beban.Voltan ini dikenali sebagai voltan sekunder (V2)
Konsep pengubah unggul
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 5
V1 V2E1E2
N1 N2
I1I2
Bab 6 Tajuk:Pengubah
1.Secara praktikal akan berlaku kehilangan kuasa di dalam pengubah.Bagi tujuan pengiraan, dianggap pengubah tidak mengalami sebarang kehilangan kuasa atau dianggap unggul.2.Pengubah unggul adalah pengubah di mana kehilangan yang berlaku di dalamnya diabaikan dan ianya berkendali dengan kecekapan 100%.
Bagi pengubah unggul, kadar perubahan fluks adalah sama pada kedua-dua belitan primer dan sekunder,
Oleh itu : = .
D.g.e. teraruh per lilit adalah malar (tetap).Diandaikan tiada kehilangan, E1 = V1 dan E2 = V2
= atau =
Sekiranya satu beban disambungkan kepada belitan sekunder, arus I2 akan mengalir.Bagi pengubah unggul, kehilangan kuasa adalah diabaikan dan kecekapan pada 100%.Oleh itu, kuasa masukan = kuasa keluaran atau V1 I1 = V2 I2 ,
Jadi: =
Dengan menggabungkan persamaan menjadikan:
= =
Nisbah PengubahNisbah antara nilai voltan primer dengan voltan sekunder atau nisbah antara lilitan primer dengan lilitan sekunder.
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 6
Bab 6 Tajuk:Pengubah
n = atau
n = , di mana n ialah nisbah pengubah
Jika nilai n adalah lebih besar dari 1, voltan sekunder adalah lebih besar daripada voltan primer.Oleh itu pengubah ini adalah jenis pengubah langkah turun (step down transformer)
Jika n < 1 i.e. N2 < N1 : pengubah jenis langkah naik(step-up transformer)Jika n > 1 i.e. N2 > N1 : pengubah langkah turun (step-down transformer)Jika n = 1 i.e. Ns = Np : pengubah penjodoh atau pengasing (coupling transformer)
Contoh Berikut adalah bilangan belitan bagi tiga pengubah:
(a) N1 = 100, N2 = 2000(b) N1 = 3000, N2= 2000(c) N1 = 100, N2 =100
Berapakah nisbah pengubah n dan nyatakan jenis pengubah berdasarkan nisbah pengubah.
(a)
pengubah langkah naik
(b)
pengubah langkah turun
(c)
pengubah penjodoh
Contoh latihan 1
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 7
N1
(100)N2
(2000)
N1
(3000)N2
(2000)
N2
(100)N1
(100)
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Satu pengubah mempunyai 600 lilitan utama dan 400 lilitan sekunder. Jika bekalan voltan sebanyak 240V,50 Hz dikenakan ke bahagian utama, hitungkan :
(a) nisbah belitan(b) voltan sekunder
Jawapan :
(a) Nisbah belitan
n = 3 : 2
(b)voltan sekunder, V2
=
V2 = 160 Volt
Contoh latihan 2
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 8
V1=240V V2 = ?
N1=600 N2=400
Bab 6 Tajuk:Pengubah
A transformer is to be used to provide a 60 V output from a 240 V A.C supply. Calculate (a) the turns of ratio required and (b) the number of primary turns, if the secondary is wound with 500 turns.Satu pengubah direka untuk mengeluarkan voltan sebanyak 60 V AU daripada voltan bekalan 240 V AU. Kirakan :
(a) nisbah belitan yang diperlukan(b) bilangan belitan lilitan primer jika belitan sekunder dililit sebanyak 500 lilit.
Jawapan Latihan 2
V2 = 60 VV1 = 240 VN2 = 500
a) = =
jadi nisbah belitan ialah n = = atau 4 : 1
b) =
belitan primer, N1 = 2000 lilit
Latihan 3Satu pengubah 2000/200V, 20kVA mempunyai 66 lilitan belitan sekunder.Hitung:
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 9
Bab 6 Tajuk:Pengubah
(i) bilangan belitan primer(ii) arus primer dan arus sekunder semasa beban penuh
Abaikan kehilangan kuasa.
Jawapan Latihan 3
Rajah 3
Rajah 3 mewakili keadaan pengubah di atas.
(i)
(ii) (20 kVA=20,000 VA)
arus sekunder,
arus primer, I1 = 10 A
TEST YOUR UNDERSTANDING BEFORE YOU CONTINUE TO THE NEXT INPUT…!
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 10
Bab 6 Tajuk:Pengubah
8.1 A transformer has 500 primary turns and 3000 secondary turns. If the primary voltage is 240 V, determine the secondary voltage, assuming an ideal transformer.
8.2 An ideal transformer with a turns ratio of 2 : 7 is fed from 240 V supply. Determine its output voltage.
8.3 An ideal transformer has a turns ratio of 8 : 1 and the primary current is 3 A when it is supplied at 240 V. Calculate the secondary voltage and current.
8.4 An ideal transformer connected to a 240 V mains, supplies a 12 V, 150 W lamp. Calculate the transformer turns ratio and the current taken from the supply.
8.5 How many turns are required for a 36 V secondary if a 240 V primary has 600 N.8.6 True or false ? If the primary winding of a 1:2 step-up transformer has
3 N/ V, the secondary winding will have 6 N/ V.8.7 True or false ? The secondary flux of a transformer cancels part of the
primary flux.Jawapan
8.1 1440 V8.2 840 V8.3 V2 = 30 volts, I2 = 24 A8.4 turns ratio = 20, I1 = 0.625 A8.5 908.6 False8.7 True
EMF equation of a transformerSuppose the maximum value of flux to be m webers and the frequency to be f hertz. From Fig. 8.6 it is seen that the flux has to change from +m to -m in the half cycle, namely in
seconds.
Average rate of change of flux = 2 m
=4 f m webers per second
and average e.m.f induced per turn is = 4 f m volts
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 11
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Source: Electrical Electronic Technology by Edward Hughes
Figure 8.6 Waveform of flux variation.
But for a sinusoidal wave the r.m.s or effective value is 1.11 times the average value,RMS value of e.m.f induced per turn = 1.11 4 f m
Hence r.m.s value of e.m.f induced in primary is E1 = 4.44 N1 f m volts
And r.m.s value of e.m.f induced in secondary isE2 = 4.44 N2 f m volts
Example 8.4
A 250 kVA, 1100 V / 400 V, 50 Hz single-phase transformer has 80 turns on a secondary. Calculate :a) the approximate values of the primary and secondary currents.b) the approximate number of primary turns.c) the maximum values of flux.
Solution to Example 8.4a) Full – load primary current
= 250 1000 = 22.7 A 1100and full – loaded secondary current
= 250 1000 = 625 A400
b) Number of primary turns
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 12
Bab 6 Tajuk:Pengubah
= 80 11000 = 2200 400
c) From expression ,E2 = 4.44 N2 f m volts
400 = 4.44 80 50 m
m = 22.5 mWb
Example 8.5
An ideal 25 kVA transformer has 500 turns on the primary winding and 40 turns on the secondary winding. The primary is connected to 3000 V, 50 Hz supply. Calculate
(i) primary and secondary currents on full-load(ii) secondary e.m.f. and(iii) the maximum core flux
Solution to Example 8.5
(i)
(ii)
(iii)
Activity 8B
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 13
Bab 6 Tajuk:Pengubah
TEST YOUR UNDERSTANDING BEFORE YOU CONTINUE TO THE NEXT INPUT…!
8.8 A 100 kVA, 4000 V/200 V, 50 Hz single phase transformer has 100 secondary turns. Determine :(a) the primary and secondary current(b) the number of primary turns(c) the maximum value of the flux
8.9 A 4500 V/225 V, 50 Hz single phase transformer is to have an approximate e.m.f per turns of 15 V and operate with a maximum flux of 1.4 T. Calculate :(a) the number of primary and secondary turns(b) the cross sectional area of the core
8.10 A single phase 2200/250V, 50 Hz transformer has a net core area of 36cm 2 and a maximum flux density of 6 wb/m2. Calculate the number of primary and secondary turns.
Feedback to the Activity 8B
8.8 (a) I1 = 25 A, I2 = 500 A(b) N1 = 2000 turns(c) m = 9.01 mWb
8.9 (a) N1=300, N2= 15
(b) A = 0.0483 m2
8.10 N1 = 459, N2 = 52
Kehilangan dan kecekapan pengubah
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 14
Bab 6 Tajuk:Pengubah
a.arus pusar ( eddy current ) -arus yang terhasil di dalam teras apabila berlakunya perubahan fluks magnet dalam
teras -arus ini akan memanaskan teras dan menyebabkan kuasa kemagnetan berkurangan -cara atasi : teras dibina berlapis-lapis (Rujuk m.s. 134)
b.histerisis -kehilangan kekuatan magnet disebabkan oleh perubahan arah arus bekalan AU -perubahan arus yang kerap akan menyebabkan domain magnet dalam teras berubah -kehilangan kuasa berlaku kerana sebahagian tenaga diperlukan untuk menukar arah
domain tersebut. -keadaan ini dinamakan histerisis -cara atasi : teras yang baik seperti besi lembut/ferrite
c.kebocoran fluks -tidak semua fluks magnet memotong pengalir sekunder, sebahagiannya akan hilang
dalam litar kemagnetan -kehilangan amat kecil dan diabaikan dalam pengiraan -cara atasi : lilitan bertindih atau sepusat antara primer dan sekunder
Kecekapan Pengubah
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 15
Kehilangan Kuasa
Kehilangan Besi, Pi
Kehilangan Kuprum, Pc
Berlaku dalam belitan Bergantung kepada nilai
arus pada belitan utama & belitan sekunder
Pc = I 2 R
Berlaku dalam teras besi Nilai kehilangan adalah tetap
samada beban penuh atau separuh beban.
3 bentuk kehilangan: arus pusar histerisis kebocoran fluks
magnet
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Kecekapan pengubah adalah nisbah antara kuasa keluaran terhadap kuasa masukan.Kecekapan dinyatakan dalam peratus atau perpuluhan.Kecekapan ditandakan dengan simbol (eta).
Kecekapan = x 100 %
= x 100 %
= x 100 %
Kecekapan = x 100 %
dengan V2 = voltan keluaran I2 = arus sekunder Kos = f.k. pada beban Pi = kehilangan besi
Pc = kehilangan kuprum
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 16
Pengubahmasukan keluaran
PinPout
=95% -98%
kehilangan
kuprum,Pc besi, Pi
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Hasil darab I2V2 adalah kadaran kuasa pengubah atau kuasa keluaran ketara.Unitnya adalah dalam Volt-Ampere (VA) Kecekapan pengubah bergantung kepada :
Faktor kuasa Beban Kehilangan kuasa
Contoh kadaran pengubah
Contoh Pengiraan Kecekapan Pengubah:
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 17
Kadaran kuasa maksimum pengubah
Frekuensi bekalan
Voltan Masukan
Voltan Keluaran
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Contoh 1Satu pengubah 4 kVA fasa tunggal mengalami kehilangan besi 400 W dan kehilangan kuprum 600 W. Jika faktor kuasa pengubah adalah 0.8, hitungkan kecekapan pengubah tersebut.
Kecekapan = x 100 %
= x 100 %
= x 100 %
= 76.19 %
Contoh 2Satu pengubah 110 kVA, 2 000/100 V fasa tunggal mengalami kehilangan besi 750 W dan kehilangan kuprum 850 W.Faktor kuasa pengubah adalah 0.85.
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 18
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Hitungkan kecekapan pengubah itu.
Kecekapan = x 100 %
= x 100 %
= x 100 %
= 98.32 %
Contoh 3In a 50 kVA transformer, the iron loss is 500 W and full-load copper loss is 800W. Find the efficiency at full-load and half-load at 0.8 p.f. lagging.
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 19
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Sebuah pengubah 50 kVA mempunyai kehilangan besi sebanyak 500W dan kehilangan kuprum sebanyak 800W pada faktor kuasa 0.8.Hitung kecekapan pengubah tersebut:
(a) beban penuh(b) beban separuh
(a) Kecekapan pada beban penuh :
Kecekapan = x 100 %
= x 100 %
= 96.85 %
(b) Kecekapan pada separuh beban
Kecekapan 1/2 = x 100 %
= x 100 %
1/2 = 96.6 %
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 20
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Contoh soalan SPM 2000
Rajah di atas menunjukkan satu pengubah jenis langkah naik 6 kVA, 240/400V 50 Hz.
(a) Hitungkan:(i) Arus I2
(ii) Rintangan RL semasa beban penuh.(i) Jumlah belitan primer, N1 sekiranya N2 bersamaan 125 belitan.
[ 9 markah](b) Sekiranya pengubah mempunyai kehilangan besi 35 W dan kehilangan kuprum
48 W pada faktor kuasa 0.9 , hitungkan:(i) Kecekapan pengubah ketika beban penuh, η(ii) Kecekapan pengubah ketika beban separuh, η1/2
(iii) Kehilangan kuprum apabila faktor kuasa pengubah menurun ke 0.7 pada kecekapan 97%.
[ 11 markah ]
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 21
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Jawapan: (a)i Arus I2 :
( ii)Rintangan RL
= 26.6
(iii) belitan primer, N1
=
(b) i. Kecekapan beban penuh,
Kecekapan = x 100 %
= x 100 %
= x 100
= x 100
= 0.9845 x 100 %
= 98.45 %
(b) ii. Kecekapan beban separuh, 1/2
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 22
Bab 6 Tajuk:Pengubah
Kecekapan 1/2 = x 100 %
= x 100 %
= x 100 %
1/2 = 98.29 %
(ii) Kehilangan kuprum
= x 100 %
masukan =
=
= 4330 Watts
Masukan = Keluaran + kehilangan Kehilangan = 4330W – 6 kVA x 0.7 = 130 W Kehilangan kuprum Pc: = 130W – 35 W = 95 W
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 23
Bab 6 Tajuk:Pengubah
TEST YOUR UNDERSTANDING BEFORE YOU CONTINUE TO THE NEXT INPUT…!
8.11 The ideal transformer provides 20 V at 9.5 A to a pure resistance load. Determine its efficiency.
8.12 The open circuit test measures the _______________ losses of a transformer.
8.13 Why are the core losses negligible during the short-circuit test?
8.14 A transformer has a 120 V primary and 20 V secondary rate at 4A. The measured winding resistances are 0.3 and 5 for secondary and primary, respectively. Estimate the copper loss.
Feedback to Activity 8C
8.10 0.968.11 core8.12 Because the primary voltage is very low.8.13 7 W
SELF-ASSESSMENT 8
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 24
Bab 6 Tajuk:Pengubah
You are approaching success. Try all the questions in this self-assessment section and check your answers with those given in the Feedback on Self-Assessment 8 given on the next page. If you face any problems, discuss it with your lecturer. Good luck.
Question 8-1
(a) What is a transformer ?(b) Draw the circuit diagram symbol for a transformer.(c) How is a transformer rated. (d) Name two types of transformer construction.(e) A transformer has 600 primary turns connected to a 1.5 kV supply. Determine the
number of secondary turns for a 240 V output voltage, assuming no losses.(f) An ideal transformer with a turns ratio of 2 : 9 is fed from 220 V supply. Determine
its output voltage.(g) A step-down transformer having a turns ratio of 20 : 1 has a primary voltage of 4 kV
and a load of 10kW. Neglecting losses, calculate the value of the secondary current.(h) An ideal transformer has a turns ratio of 12 : 1 and is supplied at 192 V. Calculate the
secondary voltage.(i) A transformer primary winding connected across a 415 V supply has 750 turns.
Determine how many turns must be wound on the secondary side if an output of 1.66 kV is required.
(j) An ideal transformer has a turns ratio of 12 : 1 and is supplied at 180V when the primary current is 4A. Calculate the secondary voltage and current.
Question 8-2
(a) A 50kVA, 6600/250V transformer has 52 secondary turns. Find (i) the number of primary turns(ii) full-load primary and secondary currents.
(Neglect losses)
(b) The net cross-sectional area of the core of 400/3000V, 50Hz transformer is 600cm2. If the maximum flux density in the core is 1.3 wb/m2, find the number of primary and secondary turns.
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 25
Bab 6 Tajuk:Pengubah
(c) A 60 kVA, 1600 V/100 V, 50 Hz, single phase transformer has 50 secondary windings. Calculate :(i) the primary and secondary current(ii) the number of primary turns(iii) the maximum value of the flux
(d) A single phase, 50 Hz transformer has 40 primary turns and 520 secondary turns. The cross sectional area of the core is 270 cm2. When the primary winding is connected to a 300 V supply, determine :(i) the maximum value of flux density in the core(ii) the voltage induced in the secondary winding
(e) A 3.3 kV/110 V, 50 Hz, single phase transformer is to have an approximate e.m.f per turn of 22 V and operate with a maximum flux of 1.25 T. Calculate (i) the number of primary and secondary turns(ii) the cross sectional area of the core
Question 8-3
(a) A 200 kVA rated transformer has a full loaded copper loss of 1.5 kW and an iron loss of 1 kW. Detemine the transformer efficiency at full load and 0.85 power factor.
(b) A 400 kVA transformer has a primary winding resistance of 0.5 and a secondary winding resistance of 0.001. The iron loss is 2.5 kW and the primary and secondary voltage are 5 kV and 320 V respectively. If the power factor of the load is 0.85, determine the efficiency of the transformer :i. on a full loadii. on half load
(c) A single phase transformer has a voltage ratio of 6 : 1 and the h.v winding is supplied at 540 V. The secondary winding provides at full load current of 30 at a power factor of 0.8 lagging. Neglecting losses, find :i. a rating of the transformerii. the power supplied to loadiii. the primary current.
FEEDBACK TO SELF-ASSESSMENT 8
Answer of Question 8-1
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 26
Bab 6 Tajuk:Pengubah
(a) A transformer is a device which uses the phenomenon of mutual induction to change the values of alternating voltages and currents.In fact, one of the main advantages of AC transmission and distribution is the ease with which an alternating voltage can be increased or decreased by transformers.
(b)
(c) K =
(d) i. core type ii. shell type
(e) 96
(f) 990 V
(g) 50 A
(h) 16 V
(i) 3000 turns
(j) 15 V, 48 A Answer of Question 8-2
(a) (i) 1373 (ii) 7.58 A; 200 A
(b) 24; 198
(c) (i) 37.5 A, 600 A (ii) 800 (iii) 9.0 mWb
(d) (i) 1.25 T (ii) 3.90 kV
(e) (i) 150, 5 (ii) 792.8 cm2
Answer of Question 8-3
(a) 0.9855 or 98.55 %(b) i. 97.91 % ii. 97.87 %
Zahari Zain PKE SMT Langkawi 27
Np Ns