+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Определение потерь и тока холостого тока трансформатора

Потери холостого хода трансформатора Рх состоят из потерь в стали сердечника, а также в стальных элементах конструкции остова трансформатора, электрических потерь в первичной обмотке, вызванных током холостого хода, и диэлектрических потерь в изоляции. В силовых трансформаторах диэлектрические потери  и потери от тока холостого хода не учитываются. Потери в элементах конструкции трансформатора при холостом ходе невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями. Таким образом, мощность холостого хода принимается равной потерям мощности в стали магнитопровода.
Потери в стали сердечника разделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов. Для горячекатаной легированной стали первые из них составляют 70–80 %, а вторые 30–20 % от полных потерь в стали при толщине листов соответственно 0,5 и 0,35 мм. В холоднокатаной
легированной стали потери на гистерезис составляют 25–35 % и от вихревых токов 75–65 % от полных потерь в стали.
В практике расчета обычно определяют полные потери в стали, не разделяя их, и пользуются при этом экспериментально установленной зависимостью между индукцией и удельными потерями в стали. Данные экспериментального исследования стали сводятся в таблицы или изображаются  кривой удельных потерь

Р = f(B).
Методика расчёта потерь зависит от марки стали, из которой изготовлен магнитопровод.
Если сердечник изготовлен из горячекатаной стали, то методика расчёта проще, чем при изготовлении магнитопровода из холоднокатаной стали.
Так, в случае изготовления сердечника из горячекатаной стали расчёт потерь холостого хода ведётся в следующем порядке:
определяют полную массу стали, кг,
Gст = Gс + Gя ;
потери холостого хода, Вт, по выражению
Ро = Кg(PcGc+PяGя),
где Рс и Ря         –      удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма, зависящие от величины индукции Вс и Вя, марки и толщины листов стали и частоты;
Kg – коэффициент добавочных потерь, который может быть принят.

Для трансформаторов с диаметром стержня dст до 20 см Kg =1,0¸1,01; dст = 20¸30 см – Kg = 1,02¸1,05; dст = 30¸50 см – Kg = 1,05¸1,1;
dст более 50 см – Kg = 1,07¸1,15.
Индукция в стержне Вс, Тл, в ярме Вя, Тл, определяется для окончательного установленных значений Пс и Пя
Вс =  ;  Вя = Вс .
Значения Рс и Ря для различных значений индукции и марки стали могут быть взяты из табл. 1 для сталей горячей прокатки.
Активная составляющая тока, А, холостого хода
Iоа =   или в процентах Iоа =  ,
где    Ро –  потери холостого хода, Вт; S – мощность трансформатора, кВА.
Расчет реактивной намагничивающей составляющей тока холостого хода усложняется наличием  в магнитной цепи трансформатора немагнитных зазоров.

Таблица 1

Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз 
горячекатаной стали марок 1512 и 1513 и холоднокатаной стали
марок 3411, 3412 толщиной 0,35 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

В, Тл

Горячекатаная сталь

Холоднокатаная сталь

 

р, Вт/кг

р, Вт/кг

рз, Вт/м²

 

1512

1513

3411

3412

3413

3411,3412,3413

0,60

0,515

0,450

0,70

0,605

0,524

0,80

0,76

0,656

0,90

0,962

0,836

0,662

0,582

0,503

1,00

1,20

1,05

0,80

0,70

0,60

80

1,10

1,46

1,29

0,95

0,825

0,71

120

1,20

1,76

1,56

1,12

0,97

0,83

175

1,30

2,09

1,85

1,31

1,13

0,97

250

1,40

2,45

2,17

1,52

1,29

1,13

350

1,45

2,63

2,34

1,64

1,40

1,22

425

1,50

2,80

2,50

1,75

1,50

1,30

500

1,60

2,07

1,79

1,55

650

1,65

2,29

2,00

1,73

725

1,70

2,50

2,20

1,90

800

1,80

3,00

2,72

2,00

850

1,90

3,95

3,58

3,15

860

Примечание. Добавочные потери в зоне шихтованного стыка для горячекатаной стали не учитываются.

При расчете намагничивающей мощности сердечник трансформатора разбивается на три участка – стержни, ярма, зазоры –, и для каждого из этих участков подсчитывается требуемая намагничивающая мощность.
Полная намагничивающая мощность трансформатора, ВА, для сердечника из холоднокатаной стали при «косых стыках» может быть выражена следующей формулой:
Qx = gxcGc+gхяGя+nзgхзПс ,
где    gxc и gхя     –       удельные намагничивающие мощности для стержня и ярма, определяется по табл. 2, ВА/кг; nз     –       число воздушных зазоров (стыков) в сердечнике; gхз –       удельная намагничивающая мощность ВА/см

2, для воздушных зазоров, определяемая при «прямых стыках», для индукции в стержне по табл. 2; Пс    –       активное сечение стержня, см2.

 

Таблица 2
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне
шихтованного стыка qздля горячекатаной стали марок 1512 и 1513
и холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 толщиной 0,35 мм
при различных индукциях и f = 50 Гц

В, Тл

Горячекатаная сталь

Холоднокатаная сталь

q, ВА/кг

q3, ВА/м²

q, ВА/кг

q3, ВА/м²

 

1512-1513

1512-1513

3411

3412

3413

3411, 3412,3413

0,70

2,25

1 250

0,80

2,75

1 880

0,90

3,50

3 030

1,00

4,60

4 910

1,45

1,22

1,00

1 660

1,10

6,50

7 760

1,91

1,53

1,25

2 220

1,20

10,00

11 760

2,44

2,02

1,57

2 270

1,30

15,70

17 220

3,17

2,51

2,00

5 550

1,40

25,80

24 570

4,47

3,55

2,70

11 100

1,45

33,40

29 650

5,43

4,30

3,22

13 900

1,50

43,50

34 200

6,75

5,30

3,85

16 700

1,55

9,65

7,10

4,85

21 700

1,60

14,25

10,00

6,20

26 600

1,65

23,20

15,70

9,00

34 600

1,70

38,30

27,00

14,00

44 400

1,75

75,30

52,00

25,60

59 400

1,85

150,00

110,00

50,00

76 000

1,90

830,0

350,0

140 000

Примечание. Значения qз даны для шихтовки слоями в две пластины

В сердечниках с «косыми стыками» при угле наклона около 45о индукция в немагнитном зазоре для определения gхз находится как
Вз =  = 0,71Вс,
а площадь стыка Пс = 1,41Пс.
При расчете намагничивающей мощности для сердечника с «прямыми стыками», собранного из холоднокатаной стали, следует учитывать, что в тех частях сердечника, где направление вектора индукции магнитного потока не совпадает с направлением прокатки листов, магнитная проницаемость стали существенно понижается, и требуемая для создания магнитного потока намагничивающая мощность увеличивается.
В этом случае намагничивающую мощность увеличивают в К раз.
Для различных индукций величина К может быть принята:
В = 1¸1,2 Тл К = 1,8;
В = 1,2¸1,5 Тл                          К = 1,8–3,2;
В = 1,5¸1,6 Тл                          К = 3,2–4;
В = 1,6¸1,7 Тл                          К = 4,0–3,6.
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей хода, А,
Iоф = ,  в процентах  Iop = .
Полный ток холостого хода:
абсолютное значение Io = ,
в процентах Io = .
Полученное значение тока холостого хода не должно отличаться от заданного или нормы государственного стандарта более, чем на 15 %.
Коэффициент полезного действия трансформатора
) 100 % .
Для плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы современной трёхстержневой конструкции с взаимным расположением стержней и ярм, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, с прессовкой стержней, расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а ярм ярмовыми балками или балками с полубандажами, не имеющими сквозных шпилек в стержнях и ярмах, потери холостого хода могут быть рассчитаны по (1).
.  (1)
Такая магнитная система имеет четыре угла на крайних и два на средних стержнях.
Коэффициент увеличения потерь в углах может быть найден по формуле
.
Он зависит от формы стыков в углах крайних  и средних   стержней магнитной систем, коэффициенты для которых определяются по таблицам. Значения , рассчитанные для различных сочетаний формы стыков приведены в табл. 3.
Выражение åрзnзПз определяет потери в зоне стыков пластин магнитной системы с учётом числа стыков различной формы, площади зазора П3 для прямых и косых стыков, индукции по табл. 10 и частично 9.
Коэффициенты  и  определяются по табл. 5., а коэффи-циент  для различных вариантов прямых и косых углов – по табл. 6.
Коэффициент добавочных потерь  определяется по табл. 7.
Удельные потери в стали, в зависимости от величин магнитной индукции и марки стали, приведены соответственно в табл. 4.
Согласно ГОСТ 11677-85 для потерь холостого хода в готовом трансформаторе установлен допуск +15 %. Таким образом, в расчёте следует выдержать потери холостого хода в пределах нормы соответствующего государственного стандарта плюс 7,5 %.

 

Таблица 3

Коэффициент Кп.у, учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы, для стали разных марок при косом и прямом стыках для
диапазона индукций В = 0,9÷1,7 Тл при  f = 50 Гц

Стык

3412, 0,35 мм

3413, 0,35 мм

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм;
3405, 0,35 мм

3405, 0,30 мм

М6Х, 0,35
мм

М4Х,
0,28 мм

Косой

1,15

1,22

1,32

1,35

1,36

1,29

1,40

Прямой

1,60

1,78

1,96

2,02

2,08

1,87

2,02

 

Примечания: 1. При индукции В = 1,8 Тл коэффициент, полученный из таблицы, умножить при косом стыке на 0,96, при прямом на 0,93; при В = 1,9 Тл – на 0,85 и 0,67  соответственно. 2. При комбинированном стыке на среднем стержне принимать Кп.у = (К´п.у+ К˝п.у)/2.

Таблица 4
Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз
для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 по ГОСТ 21427-83
и для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х
толщиной 0,35,  0,30  и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

р, Вт/кг

рз, Вт/м²

В, Тл

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм

3405,
0,30 мм

М4Х,
0,28 мм

Одна
пластина

Две
пластины

0,20

0,028

0,025

0,023

0,018

25

30

0,40

0,093

0,090

0,085

0,069

50

70

0,60

0,190

0,185

0,130

0,145

100

125

0,80

0,320

0,300

0,280

0,245

170

215

1,00

0,475

0,450

0,425

0,370

265

345

1,20

0,675

0,635

0,610

0,535

375

515

1,22

0,697

0,659

0,631

0,555

387

536

1,24

0,719

0,683

0,652

0,575

399

557

1,26

0,741

0,707

0,673

0,595

411

578

1,28

0,763

0,731

0,694

0,615

423

589

1,30

0,785

0,755

0,715

0,635

725

620


Продолжение табл. 4

р, Вт/кг

рз, Вт/м²

В, Тл

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм

3405,
0,30 мм

М4Х,
0,28 мм

Одна
пластина

Две
пластины

1,32

0,814

0,779

0,739

0,658

448

642

1,34

0,843

0,803

0,763

0,681

461

664

1,36

0,872

0,827

0,787

0,704

474

686

1,38

0,901

0,851

0,811

0,727

497

708

1,40

0,930

0,875

0,935

0,750

500

730

1,42

0,964

0,906

0,860

0,778

514

754

1,44

0,998

0,937

0,869

0,806

526

778

1,46

1,032

0,968

0,916

0,834

542

802

1,48

1,066

0,999

0,943

0,862

556

826

1,50

1,100

1,030

0,970

0,890

570

850

1,52

1,034

1,070

1,004

0,926

585

878

1,54

1,168

1,110

1,038
1,074

0,962

600

906

1,56

1,207

1,150

1,112

1,000

615

934

1,58

1,251

1,190

1,150

1,040

630

962

1,60

1,295

1,230

1,150

1,080

645

990

1,62

1,353

1,278

1,194

1,132

661

1017

1,64

1,411

1,326

1,238

1,184

677

1044

1,66

1,472

1,380

1,288

1,244

695

1071

1,68

1,536

1,440

1,344

1,312

709

1098

1,70

1,600

1,500

1,400

1,380

725

1125

1,72

1,672

1,560

1,460

1,472

741

1155

1,74

1,744

1,620

1,520

1,564

757

1185

1,76

1,824

1,692

1,588

1,660

773

1215

1,78

1,912

1,776

1,664

1,760

789

1245

1,80

2,000

1,860

1,740

1,860

805

1275

1,82

2,090

1,950

1,815

1,950

822

1305

1,84

2,180

2,040

1,890

2,040

839

1335

1,86

2,270

2,130

1,970

2,130

856

1365

1,88

2,360

2,220

2,060

2,220

873

1395

1,90

2,450

2,300

2,150

2,400

890

1425

1,95

2,700

2,530

2,390

2,530

930

1500

2,00

3,000

2,820

2,630

2,820

970

1580

Примечания:  1. Удельные потери для стали марки 3405 толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 толщиной 0,30 мм. 2. Удельные потери для стали М6Х толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 той же толщины.
3. В двух последних графах приведены удельные потери р3, Вт/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в одну и две пластины одинаковые для всех марок.


Таблица 5

Способы прессовки стержня и ярма и коэффициенты К  и  
для учёта влияния прессовки на потери и ток холостого хода

S, кВА

Способ прессовки

Сталь
отожжена

Сталь не отожжена

стержня

ярма

До 630

Расклинивание с обмоткой

Ярмовые балки без бандажей

 

1,03

 

1,045

 

1,02

 

1,04

1000–6300

Бандажи из стеклоленты

То же

1,03

1,05

1,025

1,04

10000 и более

То же

Ярмовые балки с бандажами

1,04

1,06

1,03

1,05

Таблица 6
Значения коэффициента  для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали разных марок при В = 0,9÷1,7 Тл и f = 50 Гц

Число
углов
со стыками

Марка стали и её толщина

косыми

прямыми

3412,
0,35 мм

3413,
0,35 мм

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм
3405,
0,35 мм

3405,
0,30 мм

М6Х,
0,35
мм

М4Х,
0,28
мм

Трёхфазная магнитная система (три стержня)

6

7,48

7,94

8,58

8,75

8,85

8,38

9,10

5*

1*

8,04

8,63

9,38

9,60

9,74

9,16

10,10

4

2

8,60

9,33

10,18

10,45

10,64

9,83

11,10

6

10,40

11,57

12,74

13,13

13,52

12,15

14,30

Однофазная магнитная система (два стержня)

4

4,60

4,88

5,28

5,40

5,44

5,16

5,60

4

6,40

7,18

7,84

8,08

8,32

7,48

8,80

Примечание. * — Комбинированный стык

Таблица 7
Коэффициент добавочных потерь  в (1) для стали
марок 3404 и 3405

S, кВА

До 250

400–630

1000–6300

10000 и более

Пластины отожжены

1,12

1,13

1,15

1,20

Пластины не отожжены

1,22

1,23

1,26

1,31

Примечания: 1. Для стали марок М4Х и М6Х можно принять те же коэффициенты. 2. При прямоугольной форме поперечного сечения ярма коэффициент, полученный из таблицы, умножить на 1,07.

Полная намагничивающая мощность трансформатора с плоской магнитной системой из анизатропной холоднокатаной стали может быть рассчитана по формуле
,
где ,  и  – масса стали стержней и отдельных частей ярм, определённых так же, как и при расчёте потеть холостого хода, кг;
 – удельные намагничивающие мощности, определяемые по
табл. 8 и 9, ВА/кг;  – удельная намагничивающая мощность, определяемая по табл. 8 и 9 по индукциям для косых и прямых стыков, ВА/м2; Пз – площадь зазора, м2;  – коэффициент, учитывающий резку полосы рулона на пластины,
для отожженной стали марок 3404 и 3405  = 1,18;
для неотожженной – 1,49;
для стали марок М4Х и М6Х – соответственно 1,11 и 1,25.
 – коэффициент, учитывающий влияние срезания заусениц,
для отожженных пластин  = 1;
для неотожженных пластин – 1,01;
если заусеницы не сняты, то  = 1,02 и 1,05.
 – коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах, он принимается по табл. 10;
 – коэффициент, учитывающий форму сечения ярма,
для ярма многоступенчатого сечения  =1;
при соотношении числа ступеней стержня и ярма равном трём  = 1,04;
при соотношении равном шести  = 1,06;
для прямоугольного ярма  = 1,07.
 – коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы, определяется по таблице 5.;
 –коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма, равный
1,01 при мощности трансформатора до 250 кВА;
1,02 – при мощности 400 – 1000 кВА;
1,04 — 1,05 – при мощности 1000 – 6300 кВА;
1,09 – при мощности 10000 и более.
Коэффициент  определяется по табл. 11. и 12.

Таблица 8
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q  и в зоне
шихтованного стыка для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм

3405,
0,35 мм

3405,
0,30 мм

3404

3405

0,20

0,040

0,040

0,039

0,038

40

40

0,40

0,120

0,117

0,117

0,115

80

80

0,60

0,234

0,230

0,227

0,223

140

140

0,80

0,375

0,371

0,366

0,362

280

280

1,00

0,548

0,540

0,533

0,525

1 000

900

1,20

0,752

0,742

0,732

0,722

4 000

3 700

1,22

0,782

0,768

0,758

0,748

4 680

4 160

1,24

0,811

0,793

0,783

0,773

5 360

4 620

1,26

0,841

0,819

0,809

0,799

6 040

5 080

1,28

0,870

0,844

0,834

0,824

6 720

5 540

1,30

0,900

0,870

0,860

0,850

7 400

6 000

1,32

0,932

0,904

0,892

0,880

8 200

6 640

1,34

0,964

0,938

0,924

0,910

9 000

7 280

1,36

0,996

0,972

0,956

0,940

9 800

7 920

1,38

1,028

1,006

0,988

0,970

10 600

8 560

1,40

1,060

1,040

1,020

1,000

11 400

9 200

1,42

1,114

1,089

1,065

1,041

12 440

10 120

1,44

1,168

1,139

1,110

1,082

13 480

11 040

1,46

1,222

1,188

1,156

1,123

14 520

11 960

1,48

1,276

1,238

1,210

1,161

15 560

12 880

1,50

1,330

1,289

1,246

1,205

16 600

13 800

1,52

1,408

1,360

1,311

1,263

17 960

14 760

1,54

1,486

1,431

1,376

1,321

19 320

15 720

1,56

1,575

1,511

1,447

1,383

20 700

16 800

1,58

1,675

1,600

1,524

1,449

22 100

18 000

1,60

1,775

1,688

1,602

1,526

23 500

19 200

1,62

1,958

1,850

1,748

1,645

25 100

20 480

Окончание табл. 8

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

3404,
0,35 мм

3404,
0,30 мм

3405,
0,35 мм

3405,
0,30 мм

3404

3405

1,64

2,131

2,012

1,894

1,775

26 700

21 760

1,66

2,556

2,289

2,123

1,956

28 600

23 160

1,68

3,028

2,681

2,435

2,188

30 800

24 680

1,70

3,400

3,073

2,747

2,420

33000

27000

1,72

4,480

4,013

3,547

3,080

35400

28520

1,74

5,560

4,953

4,347

3,740

37800

30840

1,76

7,180

6,364

5,551

4,736

40800

33000

1,78

9,340

8,247

7,161

6,068

44400

35000

1,80

11,500

10,130

8,770

7,400

48000

37000

1,82

20,240

17,670

15,110

12,540

52000

39800

1,84

28,980

25,210

21,450

17,680

56000

43600

1,86

37,720

32,750

27,790

22,820

60000

47400

1,88

46,460

40,290

34,130

27,960

64000

51200

1,90

55,200

47,830

40,740

33,100

68000

55000

1,95

89,600

82,900

76,900

70,800

80000

65000

2,00

250,000

215,000

180,000

145,000

110000

75000

Примечание. В двух последних графах приведена удельная намагничивающая мощность qз, ВА/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в две пластины. При шихтовке в одну пластину данные qз, полученные из таблицы, умножить на 0,82 и на 0,78 для стали марки 3405.

Таблица 9

Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне шихтованного стыка для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х толщиной 0,35 и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

М6Х, 0,35 мм

М4Х, 0,28 мм

Одна пластина

Две пластины

М6Х, М4Х

М6Х

М4Х

0,40

0,126

0,091

80

80

80

0,80

0,390

0,297

280

280

280

1,00

0,585

0,432

900

1000

1100

1,10

0,670

0,507

1900

2200

2500

1,20

0,790

0,597

3700

4000

4400

1,30

0,935

0,716

6000

7400

8400

1,40

1,120

0,872

9200

11400

13400

1,50

1,380

1,075

13800

16600

20000

1,55

1,575

1,250

16200

20000

24000

1,60

1,850

1,560

19200

23500

30000

Окончание табл. 9

 

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

 

М6Х, 0,35 мм

М4Х, 0,28 мм

Одна пластина

Две пластины

 

М6Х, М4Х

М6Х

М4Х

1,65

2,340

2,080

22400

27500

36000

1,70

3,530

3,073

26200

33000

44000

1,75

6,350

5,423

32000

39000

54000

1,80

11,500

10,130

37000

48000

64000

1,90

55,200

47,850

55000

68000

86000

1,95

89,000

82,900

65000

80000

100000

2,00

250,000

215,000

75000

94000

115000

 
Таблица 10

Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2, для холоднокатаной стали

В, Тл

Ширина пластины второго пакета а2, м

0,05

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

 

0,8–1,00
1,10 и 1,90
1,20 и 1,80
1,30 и 1,70
1,40 и 1,60
1,50

 

1,30
1,40
1,50
1,70
2,00
3,00

 

1,25
1,27
1,30
1,38
1,50
2,00

 

1,20
1,21
1,22
1,25
1,35
1,50

 

1,17
1,18
1,19
1,21
1,25
1,35

 

1,15
1,16
1,17
1,18
1,20
1,30

 

1,14
1,15
1,16
1,17
1,19
1,25

 

1,13
1,14
1,15
1,16
1,18
1,20

 

1,12
1,13
1,14
1,15
1,16
1,18

 

Таблица 11
Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы для стали
различных марок при косом и прямом стыках, для диапазона
индукции 0,20¸1,90 Тл при f = 50 Гц

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

М6Х, 0,35 мм

М4Х, 0,28 мм

Одна пластина

Две пластины

М6Х, М4Х

М6Х

М4Х

0,40

0,126

0,091

80

80

80

0,80

0,390

0,297

280

280

280

1,00

0,585

0,432

900

1000

1100

1,10

0,670

0,507

1900

2200

2500

1,20

0,790

0,597

3700

4000

4400

1,30

0,935

0,716

6000

7400

8400

Окончание табл. 11

В, Тл

q, ВА/кг

qз, ВА/м²

М6Х, 0,35 мм

М4Х, 0,28 мм

Одна пластина

Две пластины

М6Х, М4Х

М6Х

М4Х

1,40

1,120

0,872

9200

11400

13400

1,50

1,380

1,075

13800

16600

20000

1,55

1,575

1,250

16200

20000

24000

1,60

1,850

1,560

19200

23500

30000

1,65

2,340

2,080

22400

27500

36000

1,70

3,530

3,073

26200

33000

44000

1,75

6,350

5,423

32000

39000

54000

1,80

11,500

10,130

37000

48000

64000

1,90

55,200

47,850

55000

68000

86000

1,95

89,000

82,900

65000

80000

100000

2,00

250,000

215,000

75000

94000

115000

Примечание. Для стали марок 3412 или 3413 толщиной 0,35 мм при всех значениях индукции и значения  К’т, у (косой стык), полученные из таблицы для стали 3404, умножить на 0,65 или 0,80 и значения К˝т, у (прямой стык) – на 0,56 или 0,78 соответственно.

Таблица 12

Значения коэффициента  для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при f = 50 Гц

Число углов со стыками

Индукция В, Тл

косыми

прямыми

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

Трёхфазная магн. система (три стержня)

6

26,0

27,95

27,95

26,0

22,10

5*

1*

32,25

34,83

35,20

33,25

27,85

4

2

38,5

41,7

42,45

40,5

33,66

6

58,5

64,7

65,6

64,7

52,0

Однофазная магнитная система (два стержня)

4

16,0

17,2

17,2

16,0

13,6

4

36,0

39,2

40,4

39,2

32,0

Измерение тока и потерь холостого хода / Справка / Energoboard

В соответствии с требованиями ПУЭ производится одно из измерений:
а) при номинальном напряжении. Измеряется ток холостого хода. Значение тока не нормируется;

 


б) при малом напряжении. Измерение производится с приведением потерь к номинальному напряжению или без приведения (метод сравнения).
Опытом холостого хода трансформатора называется включение одной из его обмоток (обычно низкого напряжения) под номинальное напряжение. Потребляемый при этом ток называют током холостого хода Iхх (обычно выражают в % от Iном).

Таблица 2.10. Векторные диаграммы и расчетные формулы для определения группы соединения силовых трансформаторов

Группа
соединения
Угловое смещение
ЭДС, 0
Возможное соединение обмоток и векторная диаграмма линейных ЭДС Ub-B(Ux-X) Ub-C Uc-B
Номер формулы
0 0

ΥΥ; ΔΔ; ΔΖ

1 2 2
1 30

ΥΔ; ΥΔ; ΔΖ

3 3 4
11 330

ΥΔ; ΔΥ; ΥΖ

3 4 3

Примечание: Формулы табл. 2.10


где U2 > и Кл соответственно линейное напряжение на зажимах обмотки низшего напряжения и линейный коэффициент трансформации.

Потребляемую при этом активную мощность называют потерями холостого хода Рхх (кВт). Эта мощность расходуется, в основном, на перемагничивание электротехнической стали (потери на гистерезисе) и на вихревые токи. Ток и потери холостого хода являются паспортными данными силовых трансформаторов.

Потери холостого хода трансформаторов Рхх, измеренные при нормальной частоте и весьма малом возбуждении (порядка нескольких процентов от номинального напряжения трансформатора), можно пересчитать к потерям холостого хода при номинальном напряжении по формуле

 

где Р’хх= Ризм – Рпр потери, измеренные при подводимом при измерении напряжении (возбуждении) U;
Рпр и Ризм — соответственно мощность, потребляемая приборами и суммарные потери в трансформаторе и приборах.
n — показатель степени, равный для горячекатаной стали 1,8; для холоднокатаной стали — 1,9.

Заводы-изготовители производят измерения потерь холостого хода при номинальном напряжении и при малом (обычно 380 В) напряжении.

Измерение потерь холостого хода может быть произведено также при напряжении, равном 5 — 10% номинального. Отличие полученных значений потерь от заводских данных должно быть не более 10% для однофазных и не более 5% для трехфазных.

Измерение потерь холостого хода производится при напряжении и по схемам, указанным в протоколе испытания завода-изготовителя.

Если завод-изготовитель производил измерения потерь холостого хода только при номинальном напряжении трансформатора, то следует измерение потерь холостого хода произвести при напряжении 380 В и выполнить пересчет их к номинальному напряжению по формуле, указанной выше.

В дальнейшем измерение потерь холостого хода следует производить при напряжениях 380 В. У исправных трехфазных трехстержневых трансформаторов соотношение потерь, как правило, не отличается от соотношений, полученных на заводе-изготовителе, более, чем на 5%.

Для трансформаторов, имеющих переключающее устройство с токоограничивающим реактором, дополнительно производится опыт холостого хода на промежуточном положении «Мост».

Измерение потерь холостого хода при напряжении 380 В следует производить до измерения сопротивления обмоток постоянному току и прогрева трансформатора постоянным током.

При измерении потерь и тока холостого хода следует применять измерительные приборы класса точности 0,5. Для измерений могут использоваться переносные измерительные комплекты типа К-50 (К-51).

При измерении потерь и тока холостого хода при номинальном напряжении обмоток выше 0,4 кВ рекомендуется применять измерительные трансформаторы класса точности 0,2.

Потери холостого хода трехфазных трехстержневых трансформаторов измеряют при трехфазном или однофазном возбуждении.

При трехфазном возбуждении измерения производят двумя однофазными ваттметрами или одним трехфазным ваттметром (см. рис. 2.9).

Измеренные потери определяются как алгебраическая сумма потерь, измеренных каждым ваттметром. Потери в трансформаторе определяют как разность измеренных суммарных потерь и потерь в приборах (см. рис. 2.10), поскольку потери в приборах могут быть соизмеримы с потерями холостого хода.

 

 

 


Ток холостого хода трансформатора определяют как среднеарифметическое значение токов трех фаз.

При измерении потерь холостого хода при однофазном возбуждении напряжением 380 В проводят три опыта с приведением трехфазного трансформатора к однофазному путем поочередного замыкания накоротко одной из его фаз и возбуждении двух других фаз.

Первый опыт — замыкают накоротко обмотку фазы А, возбуждают фазы В и С трансформатора и измеряют потери.
Второй опыт — замыкают накоротко обмотку фазы В, возбуждают фазы А и С трансформатора и измеряют потери.

 

Соединение первичной обмотки в треугольник

Соединение первичной обмотки в звезду с выведенной нулевой точкой

Третий опыт — замыкают накоротко обмотку фазы С, возбуждают фазы А и В трансформатора и измеряют потери.

 



 

Группа соединения Y/Δ

 


Обмотки любой фазы замыкают накоротко на соответствующих выводах одной из обмоток трансформатора. Схемы однофазного возбуждения трехфазного трансформатора для измерения потерь при малом напряжении для различных групп соединений приведены на рис. 2.11.

Потери в трансформаторе при напряжении U’

 

где U’ — приложенное напряжение при замерах потерь холостого хода;
P’0АВ, Р’0ВС, Р’0АС — потери, определенные при указанных выше опытах (за вычетом потерь в приборах) при одинаковом значении подводимого напряжения.

Приведенные к номинальному напряжению потери трансформатора измеренные при некотором малом напряжении U’ определяются

где n — зависит от сорта трансформаторной стали: для горячекатаной 1,8; для холоднокатаной 1,9.

При отсутствии дефектов и одинаковых значениях подведенного напряжения, приближенные соотношения между значениями фазовых потерь будут следующими:

  • при соединении возбуждаемой обмотки в звезду (с доступной нейтралью) или треугольник потери, измеренные при подведении питания к выводам обмоток фазы «А» и «С» практически одинаковы и, как правило, не менее, чем на 25% больше потерь, измеренных при подведении питания к выводам обмотки средней фазы «В»;
  • при соединении возбуждаемой обмотки в звезду без доступной нейтрали потери, измеренные при подведении питания к выводам «АВ» и «ВС», практически одинаковы, а потери, измеренные при подведении питания к выводам «АС» на 25% больше потерь, измеренных при подведении питания к выводам «АВ» и «ВС».

Необходимо иметь ввиду, что если измеряют потери у нескольких одинаковых трансформаторов (одинаковая трансформаторная сталь и одинаковая величина подводимого напряжения), то у сравниваемых трансформаторов одинаковым значениям потерь холостого хода при номинальном напряжении (указанным заводом-изготовителем), должны соответствовать приблизительно одинаковые значения потерь при малом напряжении. Кроме того, у одинаковых трансформаторов соотношения фазовых потерь должны быть приблизительно равными.

 

Опыт холостого хода однофазного трансформатора

Для определения параметров схемы замещения однофазного трансформатора используют опыт холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называют режим работы, когда нагрузка на вторичной обмотке отсутствует, то есть Zн= ∞При этом полезная мощность трансформатора равна нулю, так как ток во вторичной обмотке отсутствует. Мощность на входе трансформатора расходуется на тепловые потери в первичной обмотке I02rи на магнитные потери в сердечнике Pm. Так как величина тепловых потерь в первичной обмотке мала, то ей часто пренебрегают. Поэтому магнитные потери называют потерями холостого хода.

Схема проведения опыта холостого хода для однофазного трансформатора. На схеме вольтметр V1 измеряет напряжение, подведенное к первичной обмотке, вольтметр V2 показывает напряжение на вторичной обмотке, амперметр A1 измеряет ток холостого хода I0, ваттметр W измеряет мощность холостого хода P0.

 

В опыте холостого хода определяют следующие параметры:

1 – Ток холостого хода I0. С помощью амперметра A1 определяют ток холостого хода и выражают его в процентном соотношении от номинального тока.

2 – Коэффициент трансформации k. С помощью вольтметра V1 в первичной обмотке устанавливают номинальное напряжение U, а с помощью вольтметра V2, определяют напряжение U20, которое равно номинальному U.  

3 – Потери в первичной обмотке P0. Потери в первичной обмотке складываются из электрических и магнитных потерь. 

4- Коэффициент мощности cosφ

5 – Параметры намагничивающей ветви схемы замещения rm xm

6 – Угол магнитных потерь δ

Таким образом, с помощью опыта холостого хода определяется большая часть параметров необходимых для расчета и построения векторной диаграммы или схемы замещения трансформатора. Остальные параметры определяются в опыте короткого замыкания.

  • Просмотров: 17257
  • Тульский завод трансформаторов

    В конечном счете, мощность трансформатора определяется его допустимым нагревом. Нагрев трансформатора вызван нагревом его магнитопровода (сердечника) и нагревом проводов обмоток. Нагрев сердечника определяется свойствами электротехнической стали (так называемыми удельными потерями, которые зависят от величины электромагнитной индукции) и не зависит от величины нагрузки, подключенной к трансформатору. Нагрев проводов обмоток определяется величиной тока, протекающего через обмотки, и удельного сопротивления материала обмоток (как правило, используются медные провода, реже — алюминиевые). Мощность нагрева обмоток пропорциональна квадрату силы тока и омическому (активному) сопротивлению обмотки. Таким образом, минимальный нагрев трансформатора будет иметь место в режиме холостого хода, когда нагрев обмоток минимален — через первичную обмотку протекает только ток холостого хода, а через вторичную обмотку ток совсем не протекает.

    Большинством производителей проектируют трансформаторы таким образом, чтобы при полной нагрузке перегрев трансформатора (то есть превышение его температуры над температурой окружающей среды) не превышал 50…70 °. Если нагрузка трансформатора превысит номинальную, то температура перегрева превысит расчетную величину. Это приведет к ускоренному старению материалов трансформатора и к уменьшению срока его службы. При дальнейшем увеличении температуры перегрева трансформатор выйдет из строя. Однако температура перегрева может быть снижена применением принудительного охлаждения трансформатора — например, с помощью воздушного охлаждения (обдув вентилятором) или водяного охлаждения (прокачка холодной воды через специальную систему охлаждения, совмещенную с магнитопроводом или обмотками трансформатора). Следовательно, применение дополнительного охлаждения позволяет увеличить мощность, которую трансформатор способен отдать в нагрузку.

    Можно также снизить нагрев применением проводов большего сечения. Однако для их размещения потребуется магнитопровод больших размеров (габаритов), и в результате получится трансформатор большей габаритной (номинальной) мощности. Поэтому увеличение номинальной мощности трансформатора сопряжено с увеличением его размеров (при сохранении температуры перегрева в допустимых пределах). Следует также заметить, что увеличение размеров трансформатора приводит к увеличению площади поверхности теплоотдачи и дает возможность рассеиванию большей тепловой мощности потерь в окружающую среду.

    Нет, не зависит. Мощность, отдаваемая в нагрузку (номинальная мощность трансформатора) определяется только током и напряжением нагрузки (или вторичной обмотки, что одно и то же). Поскольку мощность трансформатора, как было показано выше (в ответе на вопрос 1) определяется допустимым нагревом обмоток, который, в свою очередь, пропорционален квадрату тока, для работы трансформатора не имеет значения, какая доля тока является активной, а какая реактивной. Как известно, соотношение активной и реактивной составляющей тока (а также напряжения или мощности) количественно определяется косинусом ФИ (Cosφ). При выборе трансформатора имеет значение только полная мощность, которую потребляет нагрузка и которая измеряется в ВА (вольт-амперы) и не имеет значения величина Cosφ.

    В режиме холостого хода нагрев трансформатора определяется потерями мощности в стали магнитопровода. Нагрев провода катушек на холостом ходу отсутствует, поскольку ток в цепи вторичной обмотки не протекает, а через первичную обмотку протекает незначительный ток холостого хода, который практически не нагревает обмотку. В режиме холостого хода перегрев трансформатора составляет от 5 ° до 15 °, если трансформатор рассчитан правильно, а напряжение сети соответствует номинальному. Если же напряжение сети превышает номинальное, то нагрев увеличится, поскольку увеличатся потери в стали сердечника за счет увеличения величины индукции. При значительном (более 10…15 %) увеличении питающего напряжения возникнет насыщение стали магнитопровода. При этом, помимо резкого увеличения мощности потерь в сердечнике, резко увеличится также и ток холостого хода, что вызовет существенный нагрев обмоток. При длительном воздействии повышенного напряжения трансформатор выйдет из строя из-за перегрева.

    Нет, нельзя. Мощность потерь на холостом ходу равна произведению напряжения и активной составляющей тока холостого хода. Ток холостого хода равен векторной сумме активной и реактивной составляющих, и без применения специальных измерительных приборов эти токи определить невозможно. Приблизительно можно руководствоваться следующей информацией: для тороидальных трансформаторов активная составляющая тока составляет 40…60 % от величины полного тока холостого хода; для трансформаторов с магнитопроводом из пластин активная составляющая тока равна 5…20 % от общего тока холостого хода.

    Увеличение числа витков первичной обмотки трансформатора при заданном магнитопроводе и заданном питающем напряжении приведет к снижению величины индукции и, следовательно, — к уменьшению величины тока холостого хода. Однако увеличение числа витков увеличит сопротивление обмоток трансформатора, что увеличит потери мощности в обмотках. Поскольку мощность потерь в обмотках нагруженного трансформатора в несколько раз больше мощности потерь в магнитопроводе, при увеличении числа витков КПД трансформатора уменьшится.

    Иногда для подбора выходного напряжения трансформатора прибегают к уменьшению или увеличению числа витков первичной обмотки. При этом следует знать следующее. Уменьшение числа витков приведет к увеличению величины индукции в стали магнитопровода и может привести к насыщению магнитопровода, следствием чего может быть перегрев трансформатора и выход его из строя (см. также ответ на вопрос 3). Увеличение числа витков приведет к увеличению нагрева трансформатора под нагрузкой, однако при этом будет повышена устойчивость трансформатора при возможных повышениях питающего напряжения — трансформатор в этом случае не войдет в насыщение. Кроме того, увеличение числа витков уменьшает пусковой ток включения трансформатора. Однако увеличение числа витков приводит к увеличению массы и стоимости трансформатора.

    Известно, что расчетная плотность тока уменьшается с увеличением габаритной мощности трансформатора. Так для трансформаторов мощностью 5…25 ВА плотность тока может составлять 5…10 А/мм2, а для трансформаторов мощностью 4…5 кВА она не превышает 1…2 А/мм2. Плотность тока выбирается из условий обеспечения требуемой температуры перегрева и зависит от множества факторов: соотношения размеров магнитопровода, условий охлаждения трансформатора, расчетной величины индукции и др. Поэтому она может быть определена путем решения сложной системы уравнений, описывающих работу трансформатора. Величины плотности тока применительно к трансформаторам на конкретных сердечниках приведены в книге Котенева С.В., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей» (М.: Горячая линия — Телеком, 2013).

    Можно. Но при этом надо помнить, что при включении в питающую сеть наименьшего числа витков первичной обмотки (что соответствует наибольшему напряжению вторичной обмотки) трансформатор не должен входить в насыщение. Трансформатор должен быть рассчитан так, чтобы при подключении к питающей сети секции первичной обмотки с наименьшим числом витков величина индукции не превышала бы номинальную. Тогда при подключении к сети всей обмотки индукция будет иметь значение меньше номинального. При этом свойства электротехнической стали будут использоваться не в полном объеме, а трансформатор будет иметь избыточность (увеличенное число витков первичной обмотки). Вследствие этого — увеличенная масса, большая стоимость. К такому способу прибегают в тех случаях, когда сделать отводы во вторичной обмотке затруднительно по технологическим соображениям, а также для более точной подгонки выходного напряжения.

    Практически не зависит. Для заданного магнитопровода величина индукции зависит от числа витков и величины ЭДС (электродвижущей силы), действующей в обмотке. При работе трансформатора на нагрузку величина ЭДС несколько уменьшается, поскольку ток первичной обмотки вызывает падение напряжения на омическом сопротивлении этой обмотки. Величина этого падения составляет 1…5 %, примерно на такую же величину уменьшается и индукция в магнитопроводе трансформатора.

    Да, может работать. При увеличении частоты, например, в два раза величина индукции также снижается в два раза. Это следует из формулы (2.25) названной выше книги. Однако увеличение частоты магнитного потока приводит к увеличению потерь в стали магнитопровода (это следует из формулы (2.27) книги). Потери растут пропорционально степени 3/2 частоты и степени 2 (квадрату) индукции, поэтому при повышении частоты потери в магнитопроводе будут уменьшаться. Разумеется, все написанное верно при неизменном питающем напряжении. Часто возникает вопрос о возможности работы трансформаторов, рассчитанных на 50 Гц в сети с частотой 60 Гц (в ряде стран в сети именно такая частота). Из сказанного выше следует, что увеличение частоты сети с 50 Гц до 60 Гц никак не повлияет на работоспособность трансформатора.

    В тех случаях, когда мощности одного трансформатора недостаточно для питания потребителей, можно прибегнуть к параллельному или последовательному соединению обмоток трансформаторов. В зависимости от способа соединения первичной и вторичной обмоток возможны четыре различных варианта соединения трансформаторов. Варианты соединения сведены в таблицу.

    Способы соединения первичных и вторичных обмоток
    Первичные обмотки соединены: Вторичные обмотки соединены:
    Последовательно Параллельно
    Последовательно Одинаковость обмоток не требуется Допустимо. Мощность нагрузки между трансформаторами распределяется пропорционально напряжением вторичных обмоток; если вторичные обмотки одинаковы, то мощности их равны
    Параллельно Допустимо во всех случаях. Мощность нагрузки между трансформаторами распределяется пропорционально напряжениям вторичных обмоток; если вторичные обмотки одинаковы, то мощности их равны Допустимо при одинаковости первичных и вторичных обмоток

    Действительно, иногда возникает ситуация, когда необходимо запитать однофазных потребителей от стандартной промышленной трехфазной сети. Задача преобразования трех фаз в одну довольно часто встречается, например, на различных производствах с мощными однофазными станками. В частном секторе также часто возникают проблемы невозможности равномерного распределения бытовых и профессиональных потребителей по трем фазам питающей сети частного дома.

    Казалось бы, можно однофазную нагрузку подключить к любой фазе сети. Но при этом, если потребитель достаточно мощный, а нагрузка по двум остальным фазам небольшая, может возникнуть так называемый перекос фаз: уменьшение напряжения на той фазе, к которой подключена нагрузка, и увеличение напряжения на двух других фазах. Чтобы этого не происходило, следует применять специальные трансформаторы, преобразующие трехфазное напряжение в однофазное. Такие трансформаторы решают проблему перекоса фаз, а также обеспечивают гальваническую развязку потребителей от питающей сети.

    Последовательное и параллельное соединение дросселей позволяет увеличить суммарную индуктивность и суммарный рабочий ток. Формулы для вычисления индуктивности и тока приведены в таблице. В таблице приняты следующие обозначения: L1, L2 и i1, i2 — соответственно номинальные значения индуктивности и тока первого и второго дросселей; L и I — суммарные значения индуктивности и тока двух дросселей, соединенных последовательно или параллельно.

    Вид соединения Формулы для вычисления
    Индуктивности Тока
    последовательное
    L = L1 + L2 i = i1 = i2
    параллельное
    i = i1 + i2

    Пропитка трансформаторов и дросселей электротехническим лаком (Тульский завод трансформаторов использует лак марки МЛ-92) преследует несколько целей. Во-первых, пленка лака после высыхания обладает очень высокой электрической прочностью (то есть способностью без электрического пробоя выдерживать высокое напряжение) — для данного лака 40…65 кВ/мм. Во-вторых, лаковое покрытие обеспечивает определенную влагозащиту трансформатора от воздействия окружающей среды. В-третьих, пропитка лаком уменьшает подвижность витков магнитопровода и провода обмоток и несколько снижает уровень шума трансформатора или дросселя.

    На Тульском заводе трансформаторов пропитке подвергаются все дроссели и трансформаторы мощностью более 0,1 кВА.

    Как известно, в нашей стране питающая трехфазная сеть 380/220 В обязательно заземляется, то есть имеет, как говорят, гальваническую связь с землей. Поэтому в электрической бытовой розетке два провода неравнозначны: связанный с землей провод называется нулевым (или нейтральным) проводом, а второй провод называется фазным проводом. При касании фазного провода индикаторной отверткой индикатор светится, а при касании нулевого провода — нет. Если человек прикоснется рукой или другой частью тела к фазному проводу, через его тело будет протекать переменный ток. Величина этого тока будет зависеть от сопротивления тела человека и переходного сопротивления между телом и землей. Уменьшению переходного сопротивления способствует влажность обуви, пола, одежды. Человек начинает чувствовать ток величиной от 0,1…0,3 мА, а ток более 100 мА считается смертельным.

    Применение разделительного трансформатора позволяет значительно снизить риск поражения электрическим током, поскольку вторичная обмотка такого трансформатора не имеет гальванической связи с землей. Применение разделительного трансформатора необходимо также для обеспечения нормальной работы некоторых типов газовых котлов.

    Иногда в наличии оказывается трансформатор, рассчитанный на более высокое напряжение, чем напряжение питающей сети. Например, трансформатор рассчитан на напряжение 380 В, а его требуется подключить к сети 220 В, при этом напряжение вторичной обмотки оказывается достаточным для питания нагрузки. В таком случае следует иметь в виду, что трансформатор не сможет отдать в нагрузку номинальную мощность. Это связано с тем, что мощность равна произведению напряжения и тока; при уменьшении напряжения для сохранения мощности неизменной следует увеличить ток. Однако при увеличении тока через обмотки трансформатора будет увеличиваться нагрев обмоток, поскольку мощность потерь в обмотках будет возрастать пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, при питании трансформатора пониженным напряжением необходимо так рассчитать режим работы, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных величин. При этом мощность нагрузки снизится, то есть трансформатор не сможет отдать номинальную мощность.

    Два наиболее распространённых примера питания нагрузки током несинусоидальной формы: регулирование мощности в нагрузке с помощью тиристорного регулятора с фазоимпульсным управлением и зарядное устройство для автомобильного аккумулятора. В первом случае форма напряжения представляет собой резаную вертикальной линией синусоиду, поскольку тиристор открывается с задержкой относительно нуля напряжения. Во втором случае форма тока представляет собой набор узких импульсов, поскольку ток заряда течёт только в те моменты времени, когда мгновенное значение напряжения на выходе зарядного устройства превышает напряжение заряжаемого аккумулятора.

    При питании трансформатора напряжением, форма которого отличается от синусоидального, в общем случае нагрев трансформатора увеличится. Во-первых, увеличатся потери в стали магнитопровода. Это связано с тем, что в спектре несинусоидального напряжения имеются гармонические составляющие частот, кратных частоте основной гармоники 50 Гц. Как было показано в ответе на вопрос 10, увеличение частоты магнитного потока приводит к росту потерь в стали.

    Во-вторых, возрастут потери в проводах обмоток при том же среднем значении тока, что и для сигнала синусоидальной формы. Количественно это характеризуется коэффициентом формы напряжения или тока. Попросту говоря, ток синусоидальной формы способен перенести большее количество энергии, чем ток такой же величины, но несинусоидальной формы. Это следует учитывать при выборе номинальной мощности трансформатора.

    Удельное сопротивление алюминия в полтора раза больше, чем удельное сопротивление меди. Поэтому, для сохранения температуры перегрева трансформатора неизменной, сечение алюминиевого провода должно быть в полтора раза больше, чем сечение медного провода. Для укладки алюминиевого провода в общем случае необходим магнитопровод большего размера, чем для размещения медного провода. Следует также учитывать, что плотность (удельная масса) алюминия в три раза меньше аналогичного параметра меди; обмотки из алюминиевого провода при прочих равных условиях будут иметь массу примерно вдвое меньшую, чем обмотки из медного провода. Однако необходимость применения магнитопровода большего размера может привести к увеличению массы трансформатора. Кроме того, паять алюминий гораздо сложнее, чем медь, необходимо применять специальные флюсы и припои. В то же время трансформатор с обмотками из алюминиевого провода будет несколько дешевле, нежели его аналог с медными проводами.

    Исходя из возможностей намоточного оборудования, разные производители для трансформаторов одной и той же мощности могут применять магнитопроводы с разным соотношением высоты к диаметру. Это первая причина различия в размерах трансформаторов одинаковой номинальной мощности. Другая причина — разные производители могут задавать разные температуры перегрева трансформатора. Выше, в ответе на вопрос 1, было показано, что увеличение температуры перегрева трансформатора приводит к снижению его размеров и массы. Поэтому, если имеются два трансформатора одинаковой номинальной мощности, но разных размеров, можно с уверенностью утверждать: меньший трансформатор будет сильнее нагреваться во время работы.

    Если не рассматривать заведомо неверно рассчитанный и неправильно изготовленный трансформатор, то есть две главные группы причин выхода из строя трансформаторов: 1) неосторожное обращение при транспортировке и монтаже и 2) неправильная эксплуатация трансформатора. Трансформаторы боятся ударов, поскольку при ударе деформируются провода обмоток, а эмалевая изоляция повреждается; это может вызвать замыкание соседних витков обмоток, что приводит к локальным коротким замыканиям и резкому повышению температуры в местах таких замыканий. При этом величина выходного напряжения трансформатора будет отличаться от своего номинального значения. При монтаже трансформаторов следует помнить, что вся поверхность тороидального трансформатора образована витками проводов обмоток, и производить затяжку крепежных элементов (чашек) следует крайне осторожно. На Тульском заводе трансформаторов для трансформаторов мощностью 1,6 кВА и выше (а по желанию заказчика — и на меньшую мощность) применяются методы крепления, полностью исключающие механическое воздействие на витки обмоток.

    При эксплуатации трансформаторов мощность подключённой нагрузки не должна превышать номинальную мощность трансформатора. Температура окружающей среды должна быть такой, чтобы температура трансформатора не превысила 120 °С (предельная температура нагрева эмальпровода). Чем меньше температура, тем медленнее происходит старение проводов обмоток. Одной из наиболее частых причин выхода из строя трансформаторов является их длительный перегрев по причине короткого замыкания в цепи нагрузки или подключения нагрузки с мощностью, превышающей номинальную мощность трансформатора. При таком перегреве происходит осыпание эмалевой изоляции проводов обмоток, что приводит к замыканию витков, ещё большему нагреву и, в конечном итоге, к расплавлению провода обмотки. Предохранитель в таких случаях срабатывает не всегда, поскольку перегрев может происходить при незначительном, но длительном превышении номинального тока.

    Нет, нельзя. В основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции, который предусматривает изменение магнитного потока по величине и направлению. Это можно обеспечить подачей только переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора. Напряжение автомобильного аккумулятора (равно как и любого другого химического источника электроэнергии) является постоянным (по величине и направлению). Для преобразования постоянного напряжения в переменное, пригодное для подачи на трансформатор, следует применять специальные коммутаторы на механических или электронных элементах. Устройство, включающее в себя коммутатор и трансформатор и предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное, называется инвертором.

    Такой вопрос иногда возникает, и он не так банален, как может показаться на первый взгляд. Возникает он обычно потому, что первичная обмотка трансформатора напоминает обмотку дросселя. Можно ли обмотку трансформатора использовать в качестве дросселя?

    Вначале — о различиях. Главная функция трансформатора — изменять величину напряжения, подводимого к первичной обмотке. Главная функция дросселя — обеспечивать определённую (и постоянную) величину индуктивности в диапазоне токов от нуля до некоторого номинального значения. Невозможность дросселя выполнить функцию трансформатора обусловлена отсутствием в дросселе вторичной обмотки. В то же время, первичная обмотка трансформатора в некоторых условиях может выполнять функцию дросселя, но индуктивность такого «дросселя» будет существенно зависеть от величины протекающего тока. Чтобы исключить такую нежелательную зависимость, дроссели на сердечниках из трансформаторной стали обязательно имеют немагнитный зазор, который уменьшает относительную магнитную проницаемость, но позволяет обеспечить неизменность величины индуктивности во всём диапазоне рабочих токов дросселя. Кстати, существуют устройства, имеющие свойства и трансформаторов, и дросселей. Их называют трансреакторами. Реактор — одно из названий дросселя. Трансреакторы выполняются на магнитопроводах с немагнитным зазором и имеют первичную и вторичную обмотки. Подробно о трансреакторах написано в разделе «Информация».

    Как рассчитать ток холостого хода асинхронного двигателя

    Подписка на рассылку

    Электродвигатель переходит в режим холостого хода, когда с его вала снимают рабочую нагрузку. В этом случае можно определить такие важные параметры функционирования устройства, как намагничивающий ток, мощность и коэффициент потерь в элементах конструкции привода. Но главное – в режиме холостого хода можно определить исправность устройства.

    Так, электродвигатель на холостом ходу греться не должен. Но в некоторых случаях температура привода повышается – и это сигнализирует о неполадках, которые впоследствии могут проявить себя.

    Параметры холостого хода электродвигателя

    Как было сказано выше, холостой ход – это режим работы асинхронного электродвигателя, при котором на валу нет нагрузки. В этом случае устройство с точки зрения электротехники схоже с трансформатором. Но главное – оно потребляет меньше электроэнергии, что особенно важно для контроля правильности работы мотора.

    В частности, ток холостого хода асинхронного электродвигателя в зависимости от мощности и частоты вращения составляет в среднем 20-90% от номинального. Существует таблица, в которой указаны данные значения.

    Так, например, ток холостого хода электродвигателя на 5 кВт при частоте вращения в 1000 оборотов в минуту составляет 70% от номинального (см. рис. 2). При частоте вращения 3000 оборотов в минуту – всего 45% от номинального (см. рис. 3). Это важно учесть, так как если фактическая сила тока значительно расходится с расчётной, то это сигнализирует о неполадках.

    Стоит отметить, что параметры работы двигателя обычно указаны в прилагаемой к нему документации или могут быть получены посредством расчётов.

    Что делать, если греется электродвигатель на холостом ходу
    Электродвигатель на холостом ходу греться не должен. Допускается лишь незначительное увеличение температуры, обусловленное естественными причинами – появление трения в подшипниках на валу ротора и сопротивление в обмотке. А вот заметный нагрев сигнализирует в первую очередь о неполадках в устройстве.

    Чаще всего нагревается асинхронный электродвигатель на холостом ходу из-за межвиткового замыкания в обмотках. Это требует срочного ремонта. Ведь при повышении нагрузок межвитковое замыкание может привести к перегреву и выгоранию обмотки – и, как следствие, повреждению как самого ЭД, так и конструкции, в которую он установлен.

    Ещё одна возможная причина нагрева ЭД в этом режиме – эксплуатация в нештатных условиях. Например, превышение напряжения. В этом случае необходимо срочно отключить питание двигателя, так как из-за перегрева может возникнуть межвитковое замыкание в обмотках или замыкание обмотки на корпус двигателя.

    Реже нагрев ЭД наблюдается из-за затруднённого движения ротора. Стоит убедиться, что подшипники работают нормально, а между обмотками ротора и статора не попали загрязнения.

    Ток – холостой ход – асинхронный двигатель

    Ток холостого хода асинхронных двигателей достигает 20 – 40 % от номинального тока статора ( / 0 0 2 – 0 4 / IH), между тем как у трансформаторов ток / 0 составляет всего 2 5 – 10 % от / IH. Повышенное значение тока холостого хода асинхронной машины обуслоь-лено наличием воздушного зазора между статором и ротором. [1]

    Ток холостого хода асинхронных двигателей достигает 20 – 40 % от номинального тока статора ( / 0 2 – 0 4 / IH), между тем как у трансформаторов ток / 0 составляет всего 2 5 – 10 % от / IH. Повышенное значение тока холостого хода асинхронной машины обусловлено наличием воздушного зазора между статором и ротором. [2]

    Почему ток холостого хода асинхронного двигателя составляет 25 – 50 %, а у трансформатора 3 – 10 % от номинального тока. [3]

    Почему ток холостого хода асинхронного двигателя составляет 25 – 50 %, а трансформатора – 3 – 10 % от номинального тока. [4]

    Для определения активной составляющей тока холостого хода асинхронного двигателя необходимо предварительно вычислить: вес активной стали статора и магнитные потери в нем-для трехфазного асинхронного двигателя; вес стали статора и ротора и потери в них – для однофазного двигателя с беличьей клеткой и малоинерционного асинхронного двигателя с немагнитным полым ротором. [5]

    Для определения активной составляющей тока холостого хода асинхронного двигателя необходимо предварительно вычислить: массу активной стали статора и магнитные потери в нем – для трехфазного асинхронного двигателя; массу стали статора и ротора и потери в них – для однофазного двигателя с беличьей клеткой и малоинерционного асинхронного двигателя с немагнитным полым ротором. [6]

    Из-за большого магнитного сопротивления цепи с двумя воздушными зазорами ток холостого хода асинхронного двигателя значителен и является в основном реактивным током. [7]

    Сопротивления Rm и Хт намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформатора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной. [8]

    При повышении частоты и номинальном напряжении ток холостого хода и магнитный поток уменьшаются, а следовательно, снижается и вращающий момент. На рисунке 249 приведен график зависимости тока холостого хода асинхронного двигателя от частоты, который показывает, что уменьшение частоты влечет за собой резкое увеличение тока холостого хода. [10]

    Ток холостого хода двигателя и потребляемая им реактивная мощность значительно возрастают в случае работы от сети с напряжением выше номинального. Поэтому во время эксплуатации необходимо следить за напряжением цеховых сетей и не допускать отклонения его от номинального. Величина тока холостого хода асинхронного двигателя возрастает также вследствие низкого качества ремонтных работ: неправильное соединение секций обмоток, изменение при перемотке обмоточных данных по сравнению с паспортными и увеличение величины воздушного зазора. [11]

    Привет посетители сайта fazanet.ru, и в сегодняшней статье мы с вами разберём, как же сделать, этот непонятный расчёт тока электродвигателя. Каждый уважающий себя электромонтёр, робота которого связана с обслуживанием электрических, машин просто обязан это знать. Я в своё время тоже помню, что меня это очень сильно интересовало, когда меня перевили с одного цеха в другой. А конкретно именно работать электромонтёром.

    Перед этим я уже немного затрагивал темы электродвигателей, когда писал о том как запустить асинхронные двигателей, и когда писал какие бывают номиналы электродвигателей.

    Ну а теперь приступим конкретно к самому расчёту. Допустим: у вас есть трёхфазный асинхронный электродвигателей переменного тока, номинальная мощность, которого составляет 25 кВт, и вам хочется узнать какой же у него будет номинальный ток.

    Для этого существует специальная формула: Iн = 1000Pн /√3•(ηн • Uн • cosφн),

    Где Pн – это мощность электродвигателя; измеряется в кВт

    Uн – это напряжение, при котором работает электродвигатель; В

    ηн – это коэффициент полезного действия, обычно это значение 0.9

    ну и cosφн – это коэффициент мощности двигателя, обычно 0.8.

    Последние два значения обычно пишутся на заводской бирке, хотя они у всех двигателей практически одинаковые. Но все же нужно брать данные именно с заводской бирки на двигателе.

    Вот как на этой картинке все значения видны, а ток нет. Только если КПД написан 81%, то для расчёта нужно брать 0.81.

    Теперь подставим значения Iн = 1000•25/√3 • (0.9 • 380 • 0.8) = 52.81 А

    Тем, кто не помнит, сколько будет √3, напоминаю – это будет 1,732

    Вот и всё, все расчёты закончены. Всё очень легко и просто. По моему образцу вы можете легко рассчитать номинальный ток электродвигателя, вам всего лишь нужно подставить своих данных.

    Как определить ток электродвигателя на практике.

    Ещё в заключении, хотел поделиться с вами, тем как я определяю приблизительное значение тока без всяких расчётов. Если реально посмотреть, что у нас с вами получилось при расчёте, то реально вид, что номинальный ток приблизительно в два раза больше чем его мощность. Вот так я определяю ток на практике, мощность умножаю на два. Но это только приблизительное значение.

    А ток холостого хода будет обычно в два раза меньше, чем его мощность. Но про то, как определить эти значения, мы поговорим с вами в следующих статьях. Так что подписывайтесь на обновления и не забываете поделиться этой статьёй со своими друзьями в социальных сетях.

    Ток холостого хода трансформатора и метод его измерения при эксплуатации

    Ни один трансформатор не может работать без потерь мощности. Мощность, поступающая на первичную обмотку из сети, не вся доходит до потребителя. Часть ее расходуется на бесполезный нагрев деталей агрегата: обмоток, магнитопровода. Для того, чтобы оценить потери мощности, оценивают ток холостого хода трансформатора (ХХ) и напряжение в режиме короткого замыкания.

    Для измерения этих величин проводят опыт холостого хода и короткого замыкания для трансформатора. Рассмотрим подробнее, как это делается.

    Методика и теоретические основы проведения опыта

    Режим холостого хода трансформатора достигается сравнительно просто. Для этого достаточно отключить нагрузку от всех его обмоток, оставив их разомкнутыми, а затем – включить его в сеть. Для точности эксперимента желательно, чтобы напряжение в сети было равно номинальному для данного агрегата.

    Через первичную обмотку протекает ток Io, называемый током ХХ. Его величина не превышает 3-10 % от номинального. Напомним, никакой нагрузки на вторичной обмотке нет, поэтому стоит пояснить процессы, проходящие внутри, чтобы понять: откуда берется этот ток.

    Ток ХХ создает магнитный поток Фо в магнитопроводе, пересекающий витки первичной и вторичной обмоток. За счет него на первичной обмотке возникает эдс самоиндукции Е1, во вторичной появляется эдс взаимоиндукции Е2.

    Эдс самоиндукции Ена первичное напряжение U1 влияет незначительно. Если подключить к ней вольтметр, то он измерит величину U1. А эдс Е2 можно практически считать напряжением U2, поскольку ток ее нагрузки отсутствует. К примеру, напряжение холостого хода сварочного трансформатора порядка 60В, это – эдс Е2. При возникновении дуги Ерезко снижается до десятка вольт – это величина под нагрузкой U2.

    Потери полезной мощности в трансформаторе при его эксплуатации делятся на две составляющие: потери в меди и потери в стали. Под потерями в меди подразумевают мощность, рассеиваемую в качестве тепла в обмотках. При проведении опыта ХХ ток через первичную обмотку достаточно мал, и потерями в меди можно пренебречь.

    Работа трансформатора в режиме холостого хода сопровождается расходом мощности на создание замкнутого магнитного потока в его магнитопроводе. Ее и называют мощностью потерь в стали. Она уходит на нагревание пластин магнитопровода. Он собран из отдельных тонких листов специального сплава, изолированных друг от друга лаком. При сборке не используется сварка, только болтовые соединения. Это сделано для минимизации вихревых токов, возникающих из-за того, что магнитный поток переменный.

    Если изоляция между пластинами нарушается, то возникающие между ними вихревые токи нагревают магнитопровод. Это приводит к дальнейшему разрушению лакового слоя. Мощность потерь в стали при этом увеличивается, что увеличит потери холостого хода трансформатора.

    Коэффициент трансформации

    Для трансформатора существует понятие коэффициента трансформации, формула которого:

    Ктр = Е12 = W1/W2

    В итоге напряжение, которое будет на выводах вторичной обмотки, определяется соотношением количества витков обмоток. Это свойство используется для корректировки его величины на выходе.

    Для этого в конструкцию входит регулирующее устройство, ступенчато переключающее число витков первичной обмотки. Положений для регулировки у него бывает от 3 до 5, при этом выходное напряжение с каждым шагом регулирования изменяется на 5% выше или ниже номинального. Переключающее устройство называют анцапфой.

    [ads-pc-1][ads-mob-1]

    Опыт ХХ проводят на среднем положении анцапфы, соответствующем номинальному значению.

    При проведении опыта ХХ коэффициент трансформации измеряется. Для этого используются два вольтметра. Один из них подключается к первичной обмотке и измеряет U1. Второй подключается к вторичной обмотке, он измеряет эдс ХХ. Входное сопротивление вольтметра при этом должно быть достаточно большим, чтобы не влиять на измеряемую величину. Деление показаний вольтметров дает величину коэффициента трансформации.

    Трансформатор – может работать как повышающий, так и понижающий. Поэтому при проведении ремонтных работ на нем используется подача не только высокого напряжения на обмотку ВН, но и низкого на НН. Даже, если это измерительный трансформатор, имеющий небольшое вторичное напряжение, составляющее 100 В.

    Мы рассмотрели холостой ход однофазного трансформатора. Для трехфазных устройств измеряется коэффициент трансформации на всех трех фазах, для чего используются либо одновременно 6 вольтметров, включенных на линейные напряжения трехфазной системы, либо один, подключаемый к точкам измерений поочередно.

    Если номинальное напряжение питания первичной обмотки велико (6 кВ и выше), то на первичную обмотку подают 380 В. Для высоковольтных измерений невозможно применить приборы, обладающие соответствующим классом точности. К тому же процесс измерений на низком напряжении питания безопаснее.

    Коэффициент должен измеряться на всех позициях анцапфы.

    Коэффициент трансформации – показатель, свидетельствующий о том, есть ли в обмотках витковое замыкание. Разброс показаний по фазам более 2% или снижение их по сравнению с предыдущими данными дает основания полагать, что изоляция проводников обмоток где-то нарушена. Подозрение потребует подтверждения другими методами испытаний, например, измерением сопротивления. Также причиной увеличения разброса коэффициента трансформации может быть и повышенное сопротивление между контактами переключающего устройства – анцапфы. Что чаще всего и происходит, особенно если ею часто пользуются.

    Измерение тока холостого хода

    Для проверки тока холостого хода применяются амперметры прямого включения, присоединяемые последовательно с первичной обмоткой. Такое измерение тока производят при напряжении обмотки, равном номинальному.

    У эксплуатируемых или вводимых в эксплуатацию трехфазных силовых трансформаторов замеры производятся для трех фаз одновременно или поочередно. Испытанию подлежат агрегаты, мощность которых 1000 кВА и выше.

    Измерение мощности потерь в стали

    Измерение потерь в магнитопроводе производят также только у мощных агрегатов. Для этого измеряют мощность, которая потребляется первичной обмоткой на холостом ходу. Можно использовать пониженное напряжение, подключаемое к обмотке через ваттметр. Это прибор, способный напрямую измерять мощность. Использование амперметра и вольтметра (косвенный метод измерения) подразумевает затем вычисление мощности путем умножения их показаний друг на друга. Рассчитанный результат получается искаженным, так как не учитывается коэффициент мощности – косинус угла между током и напряжением. Холостой ход трансформатора приводит к появлению угла порядка 90 градусов, что весьма существенно.

    Ваттметр производит измерение уже с учетом коэффициента мощности, поэтому дорабатывать его показания нет необходимости. Измерение параметров напрямую всегда точнее, чем использование косвенного метода измерений. При наличии амперметра, вольтметра и ваттметра можно рассчитать по их показаниям коэффициент мощности трансформатора:

    Cos ϕ = P1/U1∙Io

    Производится вычисление из косинуса угла между напряжением и током. Теперь может быть построена векторная диаграмма. Расчет потерь производится по каждой фазе отдельно, для чего используется таблица.

    Для измерений обязательно использование именно той схемы, которая применялась на заводе изготовителе (если о ней что-нибудь известно). Полученные значения не нормируются, но обязательно сравниваются с данными предыдущей проверки. Эта характеристика важна: если потери год за годом повышаются, это означает, что качество изоляции стальных пластин магнитопровода трансформатора ухудшается. Процесс этот необратим, повреждение будет развиваться в процессе эксплуатации, и скоро потребуется ремонт. Лучше выполнить его в плановом порядке.

     

    Метод расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированный на использование в САПР / A calculation method of transformer exiting current for using in the automated design engineering

    Пентегов И.В. Метод расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированный на использование в САПР / И.В. Пентегов, С.В. Рымар // Техническая электродинамика. – 1996. – № 1. – С. 39-45. Статья посвящена описанию метода расчета тока холостого хода трансформатора, ориентированного на использование в автоматизированных расчетах. Предложена аппроксимация кривых намагничивания электротехнических сталей, дающая хорошее совпадение с опытными кривыми в диапазоне рабочих магнитных индукций трансформаторов (1,3…1,8 Тл). Она позволила получить аналитические выражения для определения тока намагничивания трансформатора. В приведенных формулах учтено влияние частоты магнитного потока и скин-эффекта, что делает их универсальными. Предложенный метод требует хранения значений лишь 5 параметров для каждой марки электротехнической стали и толщины листа, что позволяет избежать создания больших баз данных. Ключевые слова: трансформатор, ток холостого хода, ток намагничивания, магнитный поток, кривая намагничивания, аппроксимация, частота, магнитная индукция, скин-эффект, электротехническая сталь, аналитические вычисления, методика расчета, автоматизированное проектирование. / Pentegov I.V., Rymar S.V. A Calculation Method of Transformer Exiting Current for Using in the Automated Design Engineering. Tekhnicheskaia Еlektrodinamika – Technical Electrodynamics, 1996, no. 1, pp. 39-45. (Rus). The article describes the method of calculation of the exiting current of the transformer, based on the use of automated calculation. An approximation of the magnetization curves of electrical steel, which gives a good agreement with the experimental curves in the range of operating magnetic induction transformers (1,3… 1,8 T). It is possible to obtain analytical expressions for determining the magnetizing current of the transformer. In the above formulas take into account the effect of the frequency of the magnetic flux and the skin effect that makes them versatile. The proposed method requires the storage of the values of only 5 parameters for each grade electrical steel sheet thickness, thus avoiding the creation of large databases. Key Words: Transformers, Exiting Current, Magnetizing Current, Magnetic Flux, Magnetization Curve, Approximation, Frequency, Magnetic Induction, Skin Effect, Electrical Steel, Analytical Calculations, Calculation Method, Automated Design Engineering.

    Figures — uploaded by Sergii RymarAuthor content

    All figure content in this area was uploaded by Sergii Rymar

    Content may be subject to copyright.

    трансформаторов | Физика

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните, как работает трансформатор.
    • Рассчитайте напряжение, ток и / или количество витков с учетом других величин.

    Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжения из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление).Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный трансформатор (как на рис. 1), который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, таких как показано на рисунке 2. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее.Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

    Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более знакомым с ростом количества электронных устройств, которые работают от напряжения, отличного от обычных 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme)

    Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Местное распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

    Тип трансформатора, рассматриваемый в этом тексте (см. Рисунок 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной обмоткой и вторичной обмоткой .При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

    Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке.

    Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение В, , , , почти полностью зависит от входного напряжения В, , p и соотношения количества витков в первичной и вторичной катушках. Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает наведенное выходное напряжение В с равным

    .

    [латекс] {V} _ {\ text {s}} = — {N} _ {\ text {s}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex],

    , где N s — количество витков во вторичной катушке, а Δ Φ / Δ t — скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС ( В, , с = ЭДС с ), при условии, что сопротивление катушки невелико (разумное предположение для трансформаторов). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаковы с обеих сторон. Входное первичное напряжение В p также связано с изменением магнитного потока на

    [латекс] {V} _ {p} = — {N} _ {\ text {p}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

    Причина этого немного более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению магнитного потока, вызванному входным напряжением В p , отсюда знак минус (это пример самоиндукции , тема, которая будет исследована в некоторых подробнее в следующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, правило петли Кирхгофа говорит нам, что наведенная ЭДС точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

    [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

    Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках.Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменный выход, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор — это трансформатор, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной.На практике это почти верно — КПД трансформатора часто превышает 99%. Уравнивание входной и выходной мощности,

    P p = I p V p = I s V s = P s .

    Перестановка терминов дает

    [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p}}} {{ I} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].

    В сочетании с [латексом] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}} } {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex], мы находим, что

    [латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{ N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex]

    — это соотношение между выходным и входным токами трансформатора.Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

    Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора

    Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 петель и потребляет ток 10,00 А. а) Какое количество петель во вторичной обмотке? (b) Найдите текущий выходной сигнал вторичной обмотки.

    Стратегия и решение для (а)

    Решаем [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N s , номер петель во вторичной обмотке и введите известные значения.{4} \ end {array} \\ [/ latex].

    Обсуждение для (а)

    Для создания такого большого напряжения требуется большое количество контуров во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это справедливо для трансформаторов с неоновой вывеской и трансформаторов, подающих высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.

    Стратегия и решение для (b)

    Аналогичным образом мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N } _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для [латекса] {I} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для I с и ввода известных значений.{4}} = 12,0 \ text {mA} \ end {array} \\ [/ latex].

    Обсуждение для (б)

    Как и ожидалось, текущий выход значительно меньше входного. В некоторых зрелищных демонстрациях используются очень большие напряжения для получения длинных дуг, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь составляет P p = I p V p = (10,00 A) (120 В) = 1.20 кВт. Это равно выходной мощности P p = I s V s = (12,0 мА) (100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.

    Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если нет изменений в первичном напряжении, значит, во вторичной обмотке нет напряжения. Одна из возможностей — подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка вырабатывает напряжение, подобное показанному на рисунке 4. На самом деле это не практичная альтернатива, и переменный ток обычно используется везде, где необходимо увеличивать или уменьшать напряжения.

    Рис. 4. Трансформаторы не работают с входом чистого постоянного напряжения, но если он включается и выключается, как показано на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как показано на нижнем графике. Это не тот синусоидальный переменный ток, который нужен большинству устройств переменного тока.

    Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора

    Зарядное устройство, предназначенное для последовательного подключения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12.5 В постоянного тока) должен иметь выход 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с первичной обмоткой на 200 контуров и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной катушке? (б) Если ток зарядки составляет 16,0 А, каков ток на входе?

    Стратегия и решение для (а)

    Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество петель. Решение [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N s и ввод известных значений дает

    [латекс] \ begin {array} {lll} {N} _ {\ text {s}} & = & {N} _ {\ text {p}} \ frac {{V} _ {\ text {s} }} {{V} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (\ text {200} \ right) \ frac {15.0 \ text {V}} {120 \ text {V}} = 25 \ end {array} \\ [/ latex]

    Стратегия и решение для (b)

    Текущие входные данные могут быть получены путем решения [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ текст {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для I p и ввод известных значений. Это дает

    [латекс] \ begin {array} {lll} {I} _ {\ text {p}} & = & {I} _ {\ text {s}} \ frac {{N} _ {\ text {s} }} {{N} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (16.0 \ text {A} \ right) \ frac {25} {200} = 2.00 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

    Обсуждение

    Количество петель во вторичной обмотке невелико, как и ожидалось для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток дает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для управления большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых контуров во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Заметим еще раз, что это решение основано на предположении о 100% КПД — или выходная мощность равна входной мощности ( P p = P s ), что является разумным для хороших трансформаторов.В этом случае первичная и вторичная мощность составляют 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки согласованности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые батареи необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный ток. Это делается с помощью так называемого выпрямителя, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают только односторонний ток.

    Трансформаторы

    находят множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в разделе «Электробезопасность: системы и устройства».

    Исследования PhET: Генератор

    Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этих явлений, исследуя магниты и узнавая, как с их помощью загорается лампочка.

    Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

    Сводка раздела

    • Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
    • Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

      [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex],

      , где V p и V s — это напряжения на первичной и вторичной обмотках, имеющих N p и N s витков.

    • Токи I p и I s в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением [латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ текст {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].
    • Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

    Концептуальные вопросы

    1. Объясните, что вызывает физические вибрации трансформаторов при частоте, в два раза превышающей используемую мощность переменного тока.

    Задачи и упражнения

    1. Подключаемый трансформатор, показанный на рисунке 4, подает 9,00 В в систему видеоигр. (a) Сколько витков во вторичной обмотке, если ее входное напряжение составляет 120 В, а первичная обмотка имеет 400 витков? (б) Какой у него входной ток, когда его выход 1,30 А?

    2. Американская путешественница в Новой Зеландии несет трансформатор для преобразования стандартных 240 В в Новой Зеландии в 120 В, чтобы она могла использовать в поездке небольшие электроприборы.а) Каково соотношение витков первичной и вторичной обмоток ее трансформатора? (б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландец, путешествующий по Соединенным Штатам, мог использовать этот же трансформатор для питания своих устройств на 240 В от 120 В?

    3. В кассетном магнитофоне используется подключаемый трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. (а) Каков текущий ввод? б) Какая потребляемая мощность? (c) Является ли такое количество мощности приемлемым для небольшого прибора?

    4.(а) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная — 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток требуется для получения выходного сигнала 4,00 А? (c) Какая потребляемая мощность?

    5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим 100% эффективность. (b) Если фактический КПД меньше 100%, потребуется ли входной ток больше или меньше? Объяснять.

    6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную катушку с несколькими точками, в которых может быть снято напряжение, давая на выходе 5,60, 12,0 и 480 В. (a) Входное напряжение составляет 240 В на первичную катушку с 280 витками. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходного напряжения? (b) Если максимальный входной ток составляет 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

    7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ.Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение до 335 кВ. Вторичная обмотка этого трансформатора заменяется, так что его выходная мощность может составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности на модернизированных линиях электропередачи. (а) Каково соотношение оборотов в новой вторичной системе по сравнению со старой? (b) Каково отношение нового текущего выхода к старому выходу (при 335 кВ) при той же мощности? (c) Если модернизированные линии передачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новых линиях к старым?

    8.Если выходная мощность в предыдущей задаче составляет 1000 МВт, а сопротивление линии составляет 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?

    9. Необоснованные результаты Электроэнергия на 335 кВ переменного тока от линии электропередачи подается в первичную обмотку трансформатора. Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки составляет N s / N p = 1000. (a) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

    10. Создайте свою проблему Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух этапов. Первый — это трансформатор, который выдает намного большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение последней ступени на основе входного напряжения первой ступени и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки).Также рассчитайте максимальный выходной ток последней ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

    Глоссарий

    трансформатор:
    Устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции
    уравнение трансформатора:
    уравнение, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках; [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]
    повышающий трансформатор:
    трансформатор, повышающий напряжение
    понижающий трансформатор:
    трансформатор, понижающий напряжение

    Избранные решения проблем и упражнения

    1.(а) 30.0 (б) 9.75 × 10 −2 A

    3. (а) 20,0 мА (б) 2,40 Вт (в) Да, такая мощность вполне разумна для небольшого прибора.

    5. (a) 0,063 A (b) Требуется больший входной ток.

    7. (а) 2,2 (б) 0,45 (в) 0,20, или 20,0%

    9. (a) 335 МВ (b) слишком высокое, намного выше напряжения пробоя воздуха на разумных расстояниях (c) входное напряжение слишком высокое

    Как рассчитать / найти номинал трансформатора в кВА

    Рассчитать и найти номинал однофазных и трехфазных трансформаторов в кВА

    Мы знаем, что трансформатор всегда рассчитывается в кВА.Ниже приведены две простые формулы для определения рейтинга однофазного и трехфазного трансформаторов .

    Найдите номинал однофазного трансформатора

    Номинал однофазного трансформатора:

    P = V x I.

    Номинал однофазного трансформатора в кВА

    кВА = (В x I) / 1000

    Рейтинг трехфазного трансформатора

    Рейтинг трехфазного трансформатора:

    P = √3. V x I

    Мощность трехфазного трансформатора в кВА

    кВА = (√3.V x I) / 1000

    Но подождите, здесь возникает вопрос … Посмотрите на общие паспортные данные трансформатора 100 кВА.

    Вы что-то заметили ???? В любом случае, мне все равно, что вы ответите;) но позвольте мне попытаться объяснить.

    Вот рейтинг трансформатора — 100 кВА .

    Но первичное или высокое напряжение (ВН) составляет 11000 В = 11 кВ.

    И первичный ток на стороне высокого напряжения составляет 5,25 ампер.

    Также вторичные напряжения или низкие напряжения (L.В) составляет 415 Вольт

    И вторичный ток (ток на стороне низкого напряжения) составляет 139,1 Ампера.

    Проще говоря,

    Мощность трансформатора в кВА = 100 кВА

    Первичное напряжение = 11000 = 11 кВ

    Первичный ток = 5,25 А

    Вторичное напряжение = 415 В

    Вторичный ток = 139,1 Ампера.

    Теперь рассчитайте номинал трансформатора согласно

    P = V x I (первичное напряжение x первичный ток)

    P = 11000V x 5.25 A = 57 750 ВА = 57,75 кВА

    Или P = V x I (вторичное напряжение x вторичный ток)

    P = 415 В x 139,1 A = 57 726 ВА = 57,72 кВА

    Еще раз мы заметили, что номинал трансформатора (на паспортной табличке) составляет 100 кВА , но согласно расчету… это около 57 кВА

    Разница происходит из-за незнания того, что мы использовали однофазную формулу вместо трехфазной.

    Теперь попробуйте по этой формуле

    P = √3 x V x I

    P = √3 Vx I (первичное напряжение x первичный ток)

    P = √3 x 11000V x 5.25 A = 1,732 x 11000 В x 5,25 A = 100 025 ВА = 100 кВА

    Или P = √3 x V x I (вторичные напряжения x вторичный ток)

    P = √3 x 415 В x 139,1 A = 1,732 x 415 В x 139,1 A = 99,985 ВА = 99,98 кВА

    Рассмотрим в следующем (следующем) следующем примере.

    Напряжение (от линии к линии) = 208 В .

    Ток (линейный ток) = 139 A

    Текущие характеристики трехфазного трансформатора

    P = √3 x V x I

    P = √3 x 208 x 139A = 1.732 x 208 x 139

    P = 50077 VA = 50kVA

    Примечание: этот пост был сделан по запросу нашего поклонника страницы Анила Виджая.

    Калькулятор расчета номинальных значений, тока и напряжения однофазного трансформатора

    Вычислитель однофазного трансформатора

    :

    Введите номинал однофазного трансформатора или напряжение или ток, нажмите кнопку вычисления, чтобы получить рестуль. Просто введите два значения, чтобы вычислить другое.

    Однофазные трансформаторы — это трансформаторы небольшого размера, которые используются только для целей тестирования.В основном он используется для приложений с низким энергопотреблением, таких как испытательное оборудование, контрольное оборудование, защитные типы оборудования и т. Д.

    Однако вы не знаете, как выбрать однофазный трансформатор для вашего приложения, я прав?

    Расчет номинальных значений однофазного трансформатора ВА, кВА и МВА

    Наш вычислитель однофазных трансформаторов предназначен для расчета номинальной мощности в кВА, первичного и вторичного напряжения трансформатора, а также вторичного и первичного тока.

    Однофазный трансформатор, номинальная мощность кВА = первичное / вторичное напряжение x первичный / вторичный ток

    Примечание: Если вы хотите рассчитать первичный номинал, вы должны взять только первичное напряжение и первичный ток. То же самое применимо и для вторичной стороны.

    Напряжение, измеряемое только между линией и нейтралью.

    Следовательно, формулу однофазного расчета можно переписать как,

    S (VA) = V (L-N) x I (A)

    Таким же образом будет номинальная мощность трансформатора в кВА,

    Номинальное значение в киловольтах, ампер S (кВА) = В (L-N) x I (A) x 1000

    Для рейтинга MVA:

    S (МВА) в мегавольт — ампер = S (L-N) x I (A) x 1000000

    Расчет напряжения однофазного трансформатора:

    Для расчета напряжения на основе номинальных значений ВА, номинальных значений кВА и номинальных значений МВА,

    Однофазное напряжение равно номинальному значению S, разделенному на ток в амперах.Формула напряжения может быть записана следующим образом:

    от VA,

    В (L-N) = S (ВА) / I (A)

    от кВА,

    В (L-N) = S (кВА) x 1000 / I (A)

    от MVA,

    В (L-N) = S (MVA) x 1000000 / I (A)

    Однофазный трансформатор Расчет тока:

    Ток в амперах равен номинальному значению, деленному на напряжение в вольтах.Текущая формула может быть записана следующим образом:

    от VA,

    I (A) = S (ВА) / V (L-N)

    от кВА,

    I (A) = S (кВА) x 1000 / V (L-N)

    от MVA,

    I (A) = S (MVA) x 1000000 / V (L-N)

    Калькулятор пускового тока трансформатора

    с формулой

    Калькулятор пускового тока:

    Введите входное напряжение в вольтах, сопротивление обмотки постоянному току, затем нажмите кнопку расчета, чтобы получить пусковой ток в амперах.

    Что такое пусковой ток:

    Пусковой ток — это не что иное, как максимальный ток, протекающий в момент запуска электрооборудования. Ток протекает всего несколько секунд. Пусковой ток вызывает быстрое нагревание оборудования, повреждение катушек, повреждение изоляции и, в худшем случае, выход оборудования из строя.

    Пусковой ток вращающегося оборудования будет выше, чем у статического оборудования. Пример. Для одинаковой мощности двигателя требуется более высокий ток, чем у трансформаторов.

    Расчет пускового тока:

    Приблизительно пусковой ток I (пик) равен отношению двукратного корня максимального приложенного напряжения к сопротивлению обмотки постоянного тока. Этот расчет дает вам приблизительное значение пускового тока для понимания.

    I (пик) = 1,414 В м / R (Ом) А

    Чтобы получить точное значение пускового тока, используйте приведенную ниже формулу:

    В м — максимальное приложенное напряжение в вольтах; L — индуктивность воздушного сердечника трансформатора по Хендри; R — полное сопротивление трансформатора постоянному току в Ом; B N — нормальная номинальная магнитная индукция сердечника трансформатора в Веберах на квадратный метр; B R — остаточная магнитная индукция сердечника трансформатора в Веберах на квадратный метр; B S — плотность потока насыщения материала сердечника в Веберах на квадратный метр.

    Пример:

    Трансформатор 100 кВА, 440 В имеет сопротивление обмотки постоянного тока 0,45 Ом. Рассчитайте пусковой ток трансформатора.

    Примените нашу формулу,

    I (пик) = 1,414 x 440 / 0,45

    Пусковой ток в амперах = 1382 ампера

    При этом ток полной нагрузки трансформатора

    I (A) = кВА * 1000 / Напряжение

    Ток полной нагрузки в амперах = 1000 * 100/440 = 227 ампер

    Следовательно, пусковой ток в 6 раз больше тока полной нагрузки.


    Артикул:

    Расчет и применение трансформаторов

    — Европейский институт пассивных компонентов

    Как показано на схеме замещения трансформатора, трансформаторы обладают множеством паразитных свойств, которые могут отрицательно влиять на сигнал. Поэтому в этой главе объясняется, почему и где применяются трансформаторы. В дополнительном разделе рассматриваются требования к трансформаторам сигналов. В заключение главы описаны некоторые стандартные трансформаторы, имеющиеся в продаже.

    3.1 Функции и области применения трансформаторов

    Благодаря своей функциональности трансформаторы могут использоваться для различных задач:

    • Изоляция: трансформаторы состоят из нескольких обмоток. В зависимости от дополнительной изоляции различные потенциалы могут быть разделены или изолированы друг от друга
    • Преобразование напряжения: преобразование напряжения пропорционально коэффициенту вращения
    • Преобразование тока: токи преобразуются обратно пропорционально соотношению витков (см. Главу I / 1.9)
    • Согласование импеданса: импедансы преобразуются как квадрат отношения витков

    Это дает основания для различных применений трансформаторов:

    • Источники напряжения (питания): здесь основными функциями трансформатора являются преобразование напряжения и изоляция.
    • Преобразователи тока: здесь основная функция — преобразование больших токов в малые измеримые токи
    • Импульсные трансформаторы, например приводные трансформаторы для транзисторов: основная функция — изоляция; иногда для управления транзистором
    • также требуются более высокие напряжения.
    • Преобразователи данных: здесь также основная функция — изоляция.Кроме того, иногда приходится согласовывать разные импедансы или увеличивать напряжения.

    3.2 Требования к трансформаторам данных и сигналов Трансформаторы

    используются в линиях передачи данных в основном для развязки и согласования импеданса. В этом случае сигнал не должен измениться. Из главы I / 1.9 мы знаем, что ток намагничивания не передается на вторичную обмотку. По этой причине трансформатор должен иметь максимально возможную главную индуктивность.

    Профили сигналов обычно представляют собой прямоугольные импульсы, т. Е. Содержат большое количество гармоник. Для трансформатора это означает, что его трансформирующие свойства должны быть как можно более постоянными вплоть до высоких частот. Взглянув на эквивалентную схему трансформатора (глава I / 2.3, стр. 81 и далее), становится очевидным, что индуктивности рассеяния вносят вклад в дополнительное частотно-зависимое затухание сигнала. Следовательно, индуктивность рассеяния должна быть как можно ниже. Поэтому в сигнальных трансформаторах обычно используются кольцевые сердечники с высокой проницаемостью.Обмотки как минимум бифилярные; намотать скрученными проводами еще лучше. Поскольку передаваемая мощность довольно мала, DCR имеет второстепенное значение.

    Прямые параметры, такие как индуктивность рассеяния, межобмоточная емкость и т. Д., Обычно не указываются в технических характеристиках сигнальных трансформаторов, а скорее указываются соответствующие параметры, такие как вносимые потери, возвратные потери и т. Д.

    Наиболее важные параметры определены следующим образом:

    • Вносимые потери IL: Измерение потерь, вызванных трансформатором

    U o = выходное напряжение; U i = входное напряжение

    • Обратные потери RL: Измерение энергии, отраженной обратно от трансформатора из-за несовершенного согласования импеданса

    Z S = полное сопротивление источника; Z L = сопротивление нагрузки

    • Подавление синфазного сигнала: мера подавления помех постоянного тока

    • Общее гармоническое искажение: соотношение между полной энергией гармоник и энергией основной гармоники

    • Полоса пропускания: диапазон частот, в котором вносимые потери менее 3 дБ

    3.3 Влияние трансформатора на возвратные потери Обратные потери

    Обратные потери — это выражение в децибелах (дБ) мощности, отраженной в линии передачи от несогласованной нагрузки, в зависимости от мощности передаваемого падающего сигнала. Отраженный сигнал нарушает полезный сигнал и, если он достаточно серьезный, вызовет ошибки передачи данных в линиях данных или ухудшение качества звука в речевых цепях.

    Уравнение для расчета возвратных потерь на основе характеристического комплексного полного сопротивления линии Z O и действительной комплексной нагрузки Z L показано ниже:

    Разложив уравнение обратных потерь на сопротивление и реактивное сопротивление, мы получим следующую формулу:

    Поскольку обратные потери являются функцией полного сопротивления линии и нагрузки, характеристическое сопротивление трансформатора, индуктора или дросселя будет влиять на обратные потери.Простая развертка импеданса магнитного компонента показывает, что импеданс изменяется по частоте, следовательно, обратные потери меняются по частоте. Мы обсудим влияние трансформатора на возвратные потери позже. Теперь давайте исследуем связь возвратных потерь с другими распространенными терминами отражения.

    Коэффициент отражения

    В то время как возвратные потери обычно используются для обозначения отражений линий в магнитной промышленности; Более распространенным термином в электронной промышленности для обозначения отражений является комплексный коэффициент отражения, гамма, который обозначается либо латинским символом G, либо, чаще, эквивалентным греческим символом Γ (гамма).Комплексный коэффициент отражения Γ имеет часть величины, называемую ρ (rho), и часть угла фазы Φ (Phi). Те из вас, кто знаком с диаграммой Смита, знают, что радиус круга, охватывающего диаграмму Смита, равен единице.

    Коэффициент отражения, гамма, определяется как отношение сигнала отраженного напряжения к сигналу падающего напряжения. Уравнение для гаммы:

    Имейте в виду, что так же, как импеданс — это комплексное число, так и гамма, и она может быть выражена либо в полярном формате с помощью rho и Phi, либо в прямоугольном формате:

    Обратные потери, выраженные в единицах гаммы, показаны в уравнении ниже:

    Коэффициент стоячей волны

    Отражения на линии передачи, вызванные рассогласованием импеданса, проявляются в огибающей комбинированных форм падающей и отраженной волн.Коэффициент стоячей волны, КСВ, представляет собой отношение максимального значения результирующей огибающей РЧ E MAX к минимальному значению E MIN .

    Рис. 2.63: Коэффициент стоячей волны

    Коэффициент стоячей волны, выраженный через коэффициент отражения, показан ниже:

    Потеря передачи

    Последнее выражение отражения сигнала, которое мы обсудим, — это потери передачи. Потери при передаче — это просто отношение мощности, передаваемой нагрузке, к мощности падающего сигнала.Потери при передаче в сети без потерь, выраженные через коэффициент отражения, показаны ниже:

    Не забывайте, что величина гаммы (| Γ |) равна rho (ρ), и любую форму можно найти в публикациях и документах, касающихся отражений.

    Связанные термины

    Просматривая формулу комплексного коэффициента отражения, мы видим, что чем ближе импеданс нагрузки Z L к характеристическому импедансу ZO линии, тем ближе к нулю коэффициент отражения.По мере увеличения несоответствия между двумя импедансами коэффициент отражения увеличивается до максимальной величины, равной единице.

    В таблице ниже показано, как изменяющийся комплексный коэффициент отражения соотносится с КСВ, обратными потерями и потерями при передаче. Как можно видеть, идеальное совпадение приводит к КСВ, равному 1, и бесконечным обратным потерям. Точно так же обрыв или короткое замыкание в нагрузке приведет к бесконечному КСВ и возвратным потерям 0 дБ.

    Табл. 2.32: Связь между коэффициентом отражения и коэффициентом стоячей волны

    На графике Смита взаимосвязь становится еще более очевидной, поскольку постоянные значения всех четырех параметров показаны на графике в виде кружков.

    Рис. 2.64: Диаграмма Смита

    Максимальная передаваемая мощность

    Максимальная передача мощности достигается от источника к нагрузке, когда полное сопротивление источника равно комплексно сопряженному сопротивлению нагрузки. Это не только максимизирует мощность, но и минимизирует энергию отражения назад к источнику.

    Рис. 2.65: Комплексный источник и загрузка

    Обратные потери при согласованной нагрузке

    Давайте возьмем пример согласованной строки и загрузки.Предположим, что Z O = 100 Ом в приложении ADSL, и что оно ограничено чисто резистивной нагрузкой 100 Ом.

    Рис. 2.66: Возвратные убытки

    где:

    Z O = 100 + 0j Ом; Z L = 100 + 0j Ом

    Поскольку нагрузка и источник являются чисто резистивными, обратные потери будут одинаковыми на любой частоте. Подстановка и вычисление показывают, что RL = ∞.

    Обратные потери при несогласованной нагрузке

    Давайте возьмем тот же пример идеального трансформатора, но с немного несоответствующей нагрузкой.Предположим, что Z O = 100 + 0j Ом, как и раньше, но теперь мы рассчитаем возвратные потери для ряда чисто резистивных сопротивлений нагрузки, чтобы показать, как на возвратные потери влияет рассогласование. Снова используется резистивная нагрузка, так что обратные потери не зависят от частоты.

    Табл. 2.33: Возвратные потери при несовпадении

    Результаты показывают, что обратные потери являются функцией несоответствия и независимо от направления несоответствия. Если мы посмотрим на случай слегка несовпадающей линии в зависимости от нагрузки, мы увидим, что она не зависит от частоты, если линия и нагрузка чисто резистивный.Также обратите внимание, что если бы совпадение было идеальным, возвратные потери были бы бесконечными.

    Рис. 2.67: Возвратные убытки

    Обратные потери с почти идеальным трансформатором

    Теперь давайте возьмем тот же пример согласованной линии и нагрузки, но добавим трансформатор 1: 1, который идеально подходит, за исключением того, что индуктивность первичной обмотки составляет L P = 600 мкГн. Мы снова предполагаем, что полное сопротивление линии равно 100 Ом, как и полное сопротивление нагрузки.

    Когда у нас был идеальный трансформатор с полностью резистивным импедансом как линии, так и нагрузки, наши возвратные потери не изменялись по частоте и были одинаковыми на любой частоте.Однако теперь индуктивность будет изменяться по частоте, в результате чего эффективная нагрузка будет изменяться по частоте. Расчет обратных потерь также становится более сложным из-за сложного сопротивления нагрузки.

    Вместо того, чтобы выполнять все сложные вычисления импеданса, я покажу шаги, необходимые для расчета обратных потерь.

    Шаг 1 : Используя расчеты преобразования импеданса, преобразуйте импеданс на той же стороне идеального трансформатора, что и индуктивность первичной обмотки.В этом случае идеальным трансформатором является трансформатор 1: 1, и нагрузка не изменяется.

    Рис. 2.68: Обратные потери трансформатора

    Шаг 2 : Объедините X L текущую Z L = R L + 0j с результирующим Z L ’, который является комплексным.

    Рис. 2.69: Обратные потери с импедансом ZL ‘

    Шаг 3 : Рассчитайте обратные потери, используя результирующую нагрузку и исходное сопротивление резистивной линии.

    Результаты : Глядя на результаты по частоте, мы видим, что индуктивность на нижнем конце несоответствует из-за индуктивности, замыкающей нагрузку. Чем ниже индуктивность первичной обмотки, тем больше будет шунтироваться нагрузка. Глядя на графики, мы видим, что возвратные потери из-за первичной индуктивности будут вести себя так же, как фильтр, поскольку у него есть изгиб, который будет изменяться в зависимости от индуктивности, а наклон после изгиба составляет 20 дБ за декаду.

    Табл.2.34: Обратные потери при 600 мкГн L pri на идеальном трансформаторе

    Рис. 2.70: Обратные потери при 600 мкГн L pri

    Обратные потери с добавленной индуктивностью рассеяния

    Рис. 2.71: Обратные потери с индуктивностью рассеяния

    Теперь добавим индуктивность рассеяния 1 мкГн к тому же трансформатору при тех же условиях нагрузки. Эффективная нагрузка рассчитывается таким же образом, как ZL ’- реактивное сопротивление первичной обмотки параллельно импедансу нагрузки после преобразования.ZL ’’ — это ZL ’с добавленным к нему последовательным реактивным сопротивлением индуктивности рассеяния.

    Рис. 2.72: Обратные потери с индуктивностью рассеяния и Z L

    Используя ту же формулу возвратных потерь, мы можем затем рассчитать наши возвратные потери на различных частотах. Из представленных на графике результатов видно, что на возвратные потери на высоких частотах влияет индуктивность рассеяния

    .

    Табл. 2.35: Обратные потери при 600 мкГн L pri при индуктивности рассеяния 1 мкГн

    Фиг.2.73: Обратные потери при 600 мкГн L при и индуктивности рассеяния 1 мкГн

    Для большинства трансформаторов индуктивность первичной обмотки и индуктивность рассеяния будут иметь наибольшее влияние на возвратные потери, при условии, что выбранное соотношение витков эффективно согласовывает сопротивление нагрузки с полным сопротивлением линии.

    Обратные потери с неидеальным трансформатором

    С помощью модели линейного трансформатора, которая обычно используется при проектировании низкочастотных трансформаторов, мы можем рассчитать теоретические возвратные потери на основе анализа сосредоточенных параметров.За исключением межобмоточной емкости, мы можем уменьшить модель линейного трансформатора до импеданса нагрузки, комбинируя элементы параллельно или последовательно. Имейте в виду, что сопротивление вторичной обмотки постоянному току и Z L должны быть преобразованы путем деления на n2 при поднесении к линейной стороне модели.

    Рис. 2.74: Обратные потери реальных трансформаторов

    Межобмоточная емкость не может быть смоделирована так просто, потому что она не находится ни на стороне линии, ни на стороне нагрузки модели и не может быть преобразована в эквивалентную нагрузку.На низких частотах межобмоточная емкость действует как разрыв трансформатора, и обычно ею можно пренебречь. Фактически, большинство программ моделирования трансформаторов игнорируют межобмоточную емкость, поскольку индуктивность рассеяния и индуктивность первичной обмотки являются доминирующими элементами. Однако в некоторых конструкциях, где межобмоточная емкость довольно велика, а рабочие частоты высоки, она может стать очень важным фактором. Достаточно сказать, что если в модель необходимо включить межобмоточную емкость, было бы разумно использовать более сложную программу анализа, такую ​​как LTspice.

    Давайте теперь взглянем на модель линейного трансформатора для теоретического трансформатора ADSL, показанного ниже, с нагрузкой, которая немного отличается от идеальных 25 Ом для идеального согласования. Мы возьмем это и смоделируем влияние различных элементов, смотря на это параметр за параметром.

    Рис. 2.75: Обратные потери трансформатора ADSL

    Эффект обратных потерь DCR

    Эффект обратных потерь сопротивления постоянному току в приведенном ниже примере выделяет два наблюдения.Во-первых, даже несмотря на то, что сопротивление вторичной обмотки на 1,5 Ом ниже по сравнению с сопротивлением первичной обмотки 3,0 Ом, влияние на возвратные потери намного больше. Причина этого в том, что вторичная обмотка 1,5 Ом при отражении от первичной обмотки трансформатора воспринимается как 6,0 Ом.

    Также обратите внимание, что на меньшее число возвратных потерь лишь незначительно влияют другие элементы, которые имеют значительно лучшие возвратные потери в одиночку. Обратные потери, связанные только с сопротивлением вторичной обмотки, составляют примерно 30 дБ, в то время как обратные потери из-за сопротивления первичной обмотки составляют примерно 37 дБ.В совокупности чистый эффект — это возвратные потери 27 дБ.

    Рис. 2.76: Возвратные убытки

    Эффект обратных потерь индуктивности рассеяния и распределенной емкости

    Также интересно сравнить влияние на возвратные потери индуктивности рассеяния и параметров распределительной емкости трансформатора. Из приведенного ниже примера видно, что эффекты, обусловленные исключительно индуктивностью рассеяния, показывают уменьшающиеся возвратные потери со скоростью 20 дБ за декаду.Теперь, глядя на распределенную емкость, мы видим, что она вызывает затухание высоких частот с той же скоростью, что и колено, на более высокой частоте.

    Сравнение становится интересным, когда мы рассматриваем комбинированный аффект. В совокупности чистым результатом является улучшение возвратных убытков. Почему это? Если вы помните в нашем предыдущем обсуждении, обратные потери являются функцией рассогласования независимо от того, в каком направлении находится рассогласование. В этом примере рассогласование происходит в противоположных направлениях, поэтому добавление эффекта распределенной емкости фактически улучшает общие возвратные потери.

    Если подумать об этом с аналитической точки зрения, что происходит в эквивалентной схеме? Отраженная нагрузка увеличивается на реактивное сопротивление из-за индуктивности рассеяния, вызывая рассогласование. Однако реактивное сопротивление распределенной емкости параллельно за счет уменьшения рассогласования до оптимальной отраженной нагрузки 100 Ом.

    Рис. 2.77: Обратные потери с индуктивностью рассеяния

    Эффект обратных потерь межобмоточной емкости

    Как упоминалось ранее, влияние межобмоточной емкости очень сложно рассчитать с помощью простых преобразований эквивалентного импеданса.Проблема в том, что межобмоточная емкость разделяется обеими обмотками и не явно находится на одной стороне идеального трансформатора или другой. Таким образом, влияние на модель схемы не так однозначно и требует более сложных методов моделирования. Пример ниже был смоделирован с помощью PSPICE, а не с помощью простых вычислений.

    Однако обычно межобмоточная емкость очень мало влияет на обратные потери по сравнению с индуктивностью рассеяния, и ею можно пренебречь.Однако следует сделать предупреждение, поскольку в случаях, когда индуктивность рассеяния очень мала, а межобмоточная емкость очень высока, межобмоточная емкость может стать фактором, с которым нужно считаться.

    Рис. 2.78: Обратные потери и межобмоточная емкость

    Эффект обратных потерь из-за потерь в резистивном сердечнике и индуктивности

    В этом примере мы сравниваем возвратные потери из-за индуктивности первичной обмотки, а также с резистивными потерями в сердечнике, предполагая, что коэффициент потерь в сердечнике R cAlpha равен 0.44. Как видно из обратных потерь из-за комбинированного эффекта, резистивные потери в сердечнике имеют очень минимальное влияние. В приложениях с очень низкими частотами, таких как аудио, резистивные потери в сердечнике могут иметь значение.

    Рис. 2.79: Обратные потери и потери в сердечнике / L-значение

    Влияние возвратных потерь всех параметров

    Наконец, глядя на влияние всех параметров вместе взятых, мы можем определить, какие факторы являются существенными в типичном применении трансформатора.Как видно из результатов ниже, индуктивность рассеяния и индуктивность первичной обмотки являются движущими факторами. В то время как другие паразитные параметры действительно играют роль в формировании реакции на возвратные потери, они играют относительно незначительную роль в типичной конструкции трансформатора.

    Рис. 2.80: Обратные потери со всеми параметрами

    Более пристальный взгляд на доминирующие параметры

    В заключение мы более подробно рассмотрим основные параметры трансформатора.На верхнем графике показаны возвратные потери различных моделей в сравнении с идеальным трансформатором с немного несовпадающей нагрузкой. Затем нижний график просто увеличивает масштаб неидеальных трансформаторов.

    Практический совет:

    Эти графики подчеркивают тот факт, что первичная индуктивность и индуктивность рассеяния являются параметрами, которые обычно определяют возвратные потери, и что в большинстве приложений есть основания игнорировать межобмоточную емкость.

    Фиг.2.81: Обратные потери и влияние доминирующих параметров L первичный / L утечка


    ABC CLR: Глава L Индукторы

    Применения для трансформаторов

    Контент, лицензированный EPCI: Würth Elektronik eiSos, Trilogy of Magnetics, распечатки справочника можно заказать здесь.


    Содержание этой страницы находится под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International License.

    Повышающие и понижающие трансформаторы

    | Трансформеры

    До сих пор мы наблюдали моделирование трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, что давало примерно равные уровни напряжения и тока в обеих цепях.Однако равенство напряжения и тока между первичной и вторичной сторонами трансформатора не является нормой для всех трансформаторов.

    Если индуктивности двух обмоток не равны, происходит кое-что интересное:

    трансформатор
     v1 1 0 ac 10 грех
     rbogus1 1 2 1e-12
     rbogus2 5 0 9e12
     l1 2 0 10000
     l2 3 5 100
     к l1 l2 0,999
     vi1 3 4 ac 0
     rload 4 5 1k
     .ac lin 1 60 60
     .print ac v (2,0) i (v1)
     .print ac v (3,5) i (vi1)
     .конец
     
    частота v (2) i (v1)
    6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Первичная обмотка
    
    частота v (3,5) i (vi1)
    6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Вторичная обмотка
     

    Обратите внимание, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт по сравнению с 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз больше (0,9962 мА по сравнению с 0,09975 мА).

    У нас есть устройство, которое понижает напряжение на в десять раз, а ток на вверх на в десять раз:

    Коэффициент трансформации 10: 1 дает отношение первичного напряжения к вторичному напряжению 10: 1 и соотношение первичного тока к вторичному току 1:10.

    Что такое повышающие и понижающие трансформаторы?

    Это действительно очень полезное устройство. С его помощью мы можем легко умножить или разделить напряжение и ток в цепях переменного тока. Действительно, трансформатор сделал передачу электроэнергии на большие расстояния реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для уменьшения потерь мощности сопротивления проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками.

    На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) уровни напряжения снижаются трансформаторами для более безопасной работы и менее дорогостоящего оборудования.

    Трансформатор, который увеличивает напряжение от первичной к вторичной (больше витков вторичной обмотки, чем витков первичной обмотки), называется повышающим трансформатором .

    И наоборот, трансформатор, предназначенный для работы с точностью до наоборот, называется понижающим трансформатором .

    Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

    Поперечное сечение трансформатора, показывающее первичную и вторичную обмотки, имеет высоту несколько дюймов (приблизительно 10 см).

    Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое число витков первичной обмотки и низкое число витков вторичной обмотки. В качестве понижающего блока этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную мощность.

    Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить такой большой ток, может быть изготовлена ​​из провода меньшего сечения.

    Обратимость работы трансформатора

    Если вам интересно, возможно использовать любой из этих типов трансформаторов в обратном направлении (питание вторичной обмотки от источника переменного тока и обеспечение питания нагрузки первичной обмоткой) для выполнения противоположной функции: может функционировать повышающий как понижение и виза-верса.

    Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для определенных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор должен использоваться «в обратном направлении», как это, должны использоваться в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, чтобы не оказаться неэффективным (или чтобы не повредило чрезмерным напряжением или током!).

    Таблички с конструкцией трансформатора
    Трансформаторы

    часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие — к вторичной. В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, используется одно из условных обозначений «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения низковольтной обмотки.

    Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода с маркировкой «H 1 », «H 2 », «X 1 » и «X 2 ».Обычно это важно для нумерации проводов (H 1 по сравнению с H 2 и т. Д.), Которую мы рассмотрим немного позже в этой главе.

    Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

    Тот факт, что напряжение и ток «скачкообразно изменяются» в противоположных направлениях (одно вверх, другое вниз), имеет смысл, если вспомнить, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и понять, что трансформаторы не могут производить мощность , а только преобразовывают ее. .

    Любое устройство, которое могло бы выдавать больше энергии, чем потребляло, нарушило бы закон сохранения энергии в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована. Как и в случае с первым рассмотренным нами примером трансформатора, эффективность передачи энергии от первичной к вторичной стороне устройства очень хорошая.

    Практическое значение этого становится более очевидным, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения / тока могло быть достигнуто только за счет использования двигателей / генераторных установок.

    Чертеж двигателя / генераторной установки показывает основной принцип: (рисунок ниже)

    =

    Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

    В такой машине двигатель механически соединен с генератором, который предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока при скорости вращения двигателя.

    Хотя и двигатели, и генераторы являются довольно эффективными устройствами, использование обоих таким образом усугубляет их неэффективность, так что общий КПД находится в диапазоне 90% или меньше.Кроме того, поскольку для двигателей / генераторных установок, очевидно, требуются движущиеся части, механический износ и балансировка являются факторами, влияющими как на срок службы, так и на производительность.

    С другой стороны, трансформаторы

    способны преобразовывать уровни переменного напряжения и тока с очень высоким КПД без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

    Справедливости ради следует отметить, что моторные / генераторные установки не обязательно заменялись трансформаторами для всех приложений .

    Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки по преобразованию переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот.

    Электродвигатели / генераторные установки могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механических факторов.

    Электродвигатели / генераторные установки также обладают уникальным свойством аккумулирования кинетической энергии: то есть, если подача питания на двигатель по какой-либо причине на мгновение прерывается, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора на короткое время. продолжительность, таким образом изолируя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «сбоев» в основной энергосистеме.

    Анализ работы повышающего и понижающего трансформатора

    Присмотревшись к числам в анализе SPICE, мы должны увидеть соответствие между коэффициентом трансформации трансформатора и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная катушка индуктивности (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная катушка индуктивности (10000 Гн против 100 Гн), и что измеренный коэффициент понижения напряжения был 10: 1.

    Обмотка с большей индуктивностью будет иметь более высокое напряжение и меньший ток, чем другая.

    Поскольку две катушки индуктивности намотаны вокруг одного и того же материала сердечника в трансформаторе (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на индуктивность двух катушек, равны, за исключением количества витков в каждой катушке.

    Если мы еще раз посмотрим на нашу формулу индуктивности, мы увидим, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков катушки:

    Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности в последней примерной схеме трансформатора SPICE — с отношениями индуктивности 100: 1 — должны иметь отношение витков катушки 10: 1, поскольку 10 в квадрате равняется 100.

    Это получается то же соотношение, которое мы обнаружили между первичными и вторичными напряжениями и токами (10: 1), поэтому мы можем сказать, как правило, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками. .

    Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

    Повышающий / понижающий эффект отношения витков катушки в трансформаторе аналогичен соотношению зубьев шестерни в механических зубчатых передачах, преобразуя значения скорости и крутящего момента примерно таким же образом:

    Редуктор крутящего момента снижает крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.

    Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения энергии могут быть гигантскими по сравнению с показанными ранее силовыми трансформаторами, причем некоторые блоки имеют высоту дома. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов:

    Подстанция трансформаторная.

    ОБЗОР:

    • Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток.

    • Трансформатор, предназначенный для увеличения напряжения от первичной до вторичной, называется повышающим трансформатором . Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной на вторичную обмотку, называется понижающим трансформатором .
    • Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения его первичной индуктивности к вторичной индуктивности (L).

    СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

    Остерегайтесь упрощенных расчетов тока короткого замыкания

    Расчет тока короткого замыкания является важной частью головоломки электрического проектирования / инженерии для электрических распределительных систем в коммерческих и промышленных установках.Расчет тока повреждения определяет максимальный доступный ток, который будет доступен в данном узле или месте в системе. После расчета токов короткого замыкания вы можете выбрать оборудование для защиты от сверхтоков, автоматические выключатели и предохранители с номинальным током замыкания, равным или большим этих значений (NEC 110.9). Если автоматический выключатель или плавкий предохранитель не рассчитан на максимальный доступный ток повреждения, который он может видеть, он может работать неправильно, а его внутренние части могут плавиться вместе, или устройство может взорваться под деструктивным воздействием состояния неисправности, что может вызвать серьезные травмы и / или материальный ущерб.

    Расчет тока повреждения основан на законе Ома (V = I × R). Чтобы определить максимальный ток, доступный в любой заданной точке распределительной системы, уравнение перестраивается для определения тока (I = V ÷ R). В условиях короткого замыкания сопротивление (R) становится очень маленьким и по существу основывается на общем сопротивлении в системе распределения электроэнергии от производного источника питания до точки повреждения.

    Как отмечалось выше, основные расчеты тока замыкания между двумя точками производятся с использованием закона Ома.Характеристики системы, такие как напряжение, длина проводника, постоянные проводника, доступные значения короткого замыкания в начале цепи и процентное сопротивление трансформатора, используются для определения тока короткого замыкания в различных точках системы.

    Эти расчеты усложняются, если учесть, что сопротивление (R) фактически следует заменить значением импеданса (Z). Импеданс рассчитывается по формуле Z = √ (R 2 + X 2 ). Например, вместо использования процентного импеданса для трансформаторов используются проценты Z, проценты X и проценты R, которые преобразуются в значения X и R на единицу.И вместо того, чтобы использовать определенную константу для проводников, импеданс проводников в электрической системе также разбивается на компоненты импеданса X и R.

    Отношение реактивного сопротивления к сопротивлению, или X / R, определяет пиковый асимметричный ток короткого замыкания. Полный асимметричный ток является мерой общей составляющей постоянного тока и симметричной составляющей. Составляющая постоянного тока приводит к асимметричности тока короткого замыкания. Асимметричный компонент затухает со временем и приведет к тому, что первый цикл тока короткого замыкания будет больше по величине, чем установившийся ток короткого замыкания.

    Кроме того, спад составляющей постоянного тока зависит от отношения X / R в цепи между источником и повреждением. Если неисправность включает в себя все реактивные компоненты, тогда значение сопротивления отношения X / R равно нулю, и постоянная составляющая никогда не затухнет. Если реактивная составляющая импеданса равна нулю, то составляющая постоянного тока немедленно затухает. В реальном мире полное сопротивление не является ни резистивным, ни реактивным. Это комбинация того и другого.

    Как видите, вычислить асимметричный ток может быть очень сложно.Для точных расчетов необходимо знать скорость изменения всех реактивных компонентов в системе. Однако множители, основанные на фактических расчетных отношениях X / R, были разработаны, чтобы несколько упростить этот процесс. Они используются вместе с расчетом симметричного тока короткого замыкания для получения асимметричного тока короткого замыкания, который включает компонент смещения постоянного тока.

    Проблема становится еще более запутанной из-за того факта, что все низковольтные защитные устройства испытываются при заранее определенных отношениях X / R ( Таблица ).Если рассчитанное отношение X / R в любой данной точке в системе распределения электроэнергии превышает испытанное отношение X / R устройства защиты от перегрузки по току, то вы должны снизить эффективный номинал редуктора.

    Это может быть очень серьезной проблемой, если при расчете тока повреждения не учитывается отношение X / R или пиковый асимметричный ток повреждения. Состояние неисправности с высокой реактивной составляющей может потенциально потребовать снижения номинальной мощности передачи до значения ниже симметричного значения тока повреждения, рассчитанного на передаче.Замена установленной шестерни, размер которой был недостаточен из-за отсутствия асимметричных расчетов, определенно может испортить вам день.

    Кроме того, асинхронные двигатели могут вносить ток короткого замыкания обратно в систему во время неисправности. Двигатель может действовать как генератор и вносить «обратную ЭДС» за счет инерции нагрузки и ротора, приводящего двигатель в действие после возникновения неисправности. Поскольку магнитный поток создается за счет индукции статора, а не обмоток возбуждения, вклад двигателя быстро снижается и сохраняется только в течение нескольких циклов.Общий вклад двигателя зависит от многих факторов, включая мощность двигателя, напряжение, реактивное сопротивление систем в точке повреждения и реактивное сопротивление двигателя.

    Следующий пример иллюстрирует потенциальную проблему установки недооцененного электрического оборудования, если соотношение X / R и вклад двигателя не учитываются в первоначальном проекте.

    Пример критериев проектирования:

    • Мощность сетевого трансформатора: 2,500 кВА
    • Сетевой трансформатор,% импеданс: 4.775%
    • Рабочие провода: 10 комплектов меди 600 MCM
    • Доступный ток короткого замыкания на вторичной обмотке сетевого трансформатора: 63000 А
    • Коэффициент X / R на вторичной обмотке сетевого трансформатора: 11
    • Вклад двигателя: 400 л.с.
    • Допустимая нагрузка проводники: 4,000A
    • Проверено сервисным оборудованием Передаточное отношение X / R: 4,9

    В распределительном устройстве рассчитывается ток короткого замыкания 62,321A. Это значение основано на силовом трансформаторе мощностью 2500 кВА с импедансом 4,775% и минимальным импедансом от служебных проводов (11 футов из 10 комплектов меди 600 MCM).

    Простая форма этого расчета, основанная на теории бесконечной шины, указана ниже:

    2,500 кВА ÷ (√3 × 480 В) ÷ 0,04775 = 62 975, или 63 000 AIC на вторичной обмотке сетевого трансформатора

    Однако AIC дополнительно снижается до 62 321 А в зависимости от импеданса служебных проводников. Это предполагает отсутствие влияния двигателей в системе или асимметричного компонента.

    Если распределительное устройство рассчитано только на основе этой информации (т.е. без X / R или вклада двигателя), распределительное устройство можно было легко указать как 65000AIC.

    В этом примере мы смотрим на общий вклад двигателя в 400 л.с. и отношение X / R 11 на вторичной обмотке сетевого трансформатора. Отношение X / R в распределительном устройстве рассчитывается как 10,37 на основе отношения X / R на служебном трансформаторе, предоставляемом энергосистемой, и вклада сопротивления от рабочих проводов и реактивного сопротивления двигателей в системе.Электрооборудование было протестировано и рассчитано на коэффициент X / R 4,9. Расчет этого значения X / R может быть выполнен с использованием сложного программного обеспечения, электронных таблиц или путем длинных рукописных расчетов на единицу. Однако эта работа выходит за рамки данной статьи.

    Электродвигатель добавляет в общей сложности около 2406 А тока короткого замыкания в течение первого полупериода. Вклад двигателя основан на характеристиках отдельных двигателей, но его можно оценить, взяв общую мощность в лошадиных силах, умножив ее на 5, а затем преобразовав это число в амперы.

    Высокое передаточное отношение X / R требует снижения мощности передачи в 1,139 раза. 1.139 — это множитель, равный асимметричному току при рассчитанном соотношении X / R, деленному на асимметричный ток при испытанном соотношении X / R.

    Кроме того, следующая формула может использоваться для расчета коэффициента умножения на основе рассчитанного отношения X / R и тестового отношения X / R для данного устройства защиты от перегрузки по току:

    В этом случае общий доступный ток короткого замыкания, включая вклад двигателя, составит 64 727 А.

    62,321 А (симметричный ток короткого замыкания) + 2,406 А (вклад двигателя) = 64,727 А

    Шестерня, исходя из асимметричного снижения номинальных характеристик, будет иметь номинальный ток 57 068 А.

    65,000 А (номинал редуктора) ÷ 1,139 (коэффициент снижения X / R) = 57,068 А

    Предполагая, что упрощенная форма расчета тока короткого замыкания первоначально использовалась для определения размера и установки главного распределительного щита, распределительное устройство будет иметь номинальный ток короткого замыкания ниже, чем максимально доступный ток короткого замыкания, и поэтому его придется заменить.

    Более сложные проблемы могут возникнуть, если используются параллельные устройства с замкнутым переходом (сеть и генератор), системы ИБП с параллельным резервированием с замкнутым переходным байпасом или системы заземления с высоким сопротивлением. Во многих случаях вам следует полагаться на квалифицированного специалиста и использовать современное программное обеспечение, чтобы убедиться, что электрическое оборудование правильно рассчитано для обеспечения защиты персонала и имущества.

    Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *