Коэффициент трансформации трансформатора тока и напряжения

Трансформатор
-2
04/02/2018 13:52:14
Содержание:

Это почти то же, что и передаточное отношение двух сцепленных шестеренок. Только в шестеренках берется отношение количества зубцов в одной и другой шестеренке, а в трансформаторе коэффициент трансформации — это тоже отношение, только количества витков в первичной обмотке к количеству витков во вторичной обмотке.

В трансформаторе электроэнергия никуда не преобразуется. Изменению подвергаются только ее параметры «протекания» по проводнику, а с характером энергии — электрическая — и передаваемой мощностью — то есть, количеством энергии — ничего не происходит. Действительно, мы знаем, что трансформатор может уменьшить или увеличить напряжение, при этом ток пропорционально изменится тоже, но в сторону противоположную.

Понижающий трансформатор
Понижающий трансформатор

Трансформатор, у которого количество витков вторичной обмотки больше, чем количество витков первичной, является повышающим. А трансформатор, у которого количество витков во вторичной обмотке меньше, чем количество витков в первичной — понижающим. Поэтому такое изменение параметров и называется не преобразованием, а масштабированием, или трансформацией. 

Масштаб — это, как известно, всего одно число, несмотря на то, что трансформации подвергаются сразу два параметра — ток и напряжение.

Трансформатор — устройство, в котором нет подвижных частей, имеет конструкцию жесткую, очень консервативную. То есть, в ней обычно нет деталей, которые можно легко отсоединить и посчитать, например, количество витков в обмотке. Да и обмотки бывают намотаны одна поверх другой. Обмотку что при этом, всю перематывать?

Имеется паспорт устройства, в нем прописаны номиналы входного и выходного напряжений. Как рассчитать коэффициент трансформации?

Имеются формулы, но они немного разные для разных вариантов подключения и целей трансформирования.

Расчет коэффициента трансформации по напряжениям

При прямом подключении трансформатора к источнику задача трансформатора — подать на нагрузку напряжение, масштабированное относительно напряжения в сети питания.

Прямое подключение трансформатора
Прямое подключение трансформатора

В сетях потребления трансформатор потребителя включают параллельно ко всем другим подобным трансформаторам потребителей. Коэффициент трансформации силового трансформатора n можно вычислить по формуле

Формула
Формула

где

  • U1, U2  – входное и выходное напряжения на трансформаторе;
  • ε – ЭДС, возникающая в обмотках трансформатора на каждом витке;
  • W1, W2 – количество витков в обмотках, первичной (1) и вторичной (2);
  • I1, I2 – ток в каждой из обмоток — первичной и вторичной;
  • R1, R2 – активные сопротивления обмоток.

Обычные трансформаторы делаются так, чтобы минимизировать потери на активное сопротивление в них самих. А они пропорциональны токам в обмотках и обратно пропорциональны напряжениям. Поэтому первичные обмотки у понижающих трансформаторов делают из тонких медных эмалированных проводов, а вторичные — из довольно толстых. 

В нашей формуле, если пренебречь активными сопротивлениями обмоток, то есть R1, R2 ~ 0, то

Формула
Формула

Трансформаторы, используемые в цепях потребления для масштабирования напряжений к номиналам потребляющих приборов, обычно и называют трансформаторы напряжения.

Коэффициент трансформации трансформатора тока

Измерительные трансформаторы располагают на линии, проходящей «мимо», они являются трансформаторами тока, и напряжение на вторичной обмотке у них померить просто нереально. Поэтому пользуются другим способом определения коэффициента трансформации: «пляшут» от токов, а не от напряжений. Получается коэффициент трансформации тока

Косвенное подключение к линии
Косвенное подключение к линии

Первичная обмотка включена в линию последовательно со всеми ее остальными нагрузками, и измерение коэффициента трансформации проводят по току, протекающему во вторичной обмотке.

Формула
Формула

Эти токи также зависят от количества витков в обмотках. Однако от силы тока в обмотках и от количества витков зависит ток «холостого хода» I0, который складывается из тока намагничивания и тока, идущего на потери от разогрева трансформаторного магнитопровода:

Формула
Формула

Если эти потери невелики, то есть I0 ~ 0, то

Формула
Формула

То есть в трансформаторах тока коэффициент трансформации находят как равный обратному отношению количества витков в обмотках — во вторичной обмотке к количеству витков в первичной обмотке.

Как определить этот показатель в цепях передачи мощности

При передаче энергии в конкретную нагрузку стараются согласовать мощность нагрузки во вторичной цепи с мощностью, извлекаемой трансформатором из цепи его первичной обмотки, то есть от источника. Такого согласования можно добиться, используя балластные сопротивления во вторичных цепях, а можно для этого использовать согласующий трансформатор.

Соотношение мощностей в этом случае будет

Соотношение
Соотношение

где  S1 — мощность, потребляемая трансформатором из сети и S2 — мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку;

ΔS — потери мощности в самом трансформаторе — обычно их находят как равные 1–2% от мощности.

Пренебрегая этими малыми потерями трансформирующего устройства, получаем зависимости для мощностей

Формулы
Формулы

            где       Z1 — входное сопротивление цепи трансформатора с нагрузкой относительно первичной цепи,

                        Z2 — входное сопротивление цепи нагрузки трансформатора, подключенной к вторичной обмотке.

Так как цепи согласованы, то

Формула
Формула

Получается значение еще одного показателя, который называется коэффициентом трансформации по сопротивлению, и такой коэффициент трансформации равен отношению квадратов напряжений на первичной обмотке и на вторичной.

Как определить опытным путем?

В реальных практических случаях не всегда бывает возможно найти коэффициент трансформации чисто аналитическим путем, чему не помогает даже и использование калькуляторов. Например, трансформаторы, имеющие несколько обмоток. Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора, вообще говоря, не один, а несколько, так как трехфазный трансформатор содержит несколько вторичных обмоток, которые намотаны на одном сердечнике. Или когда мы имеем перед собой трансформатор, но не знаем точное количество витков в обмотках.   

Поэтому существуют методы опытного определения, основанные на измерении напряжений на входе трансформатора и напряжения на вторичных обмотках. Такие замеры необходимо делать на холостом ходу, причем одновременно на первичной и на вторичных обмотках. Из них и найдете искомые коэффициенты трансформации. Найденное значение послужит основой для дальнейших расчетов.  

Изображение пользователя Кононенко Владимир
Кононенко Владимир Инженер-электрик
комментарии:
Чтобы оставить отзыв, пожалуйста, авторизируйтесь используя социальные сети.
добавить комментарий:
Нажимая кнопку Отправить вы соглашаетесь с Пользовательским соглашением и Правилами размещения информации.
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора отзыва.
Сколько денег вы тратите на ремонтные работы в год?
от 10 000 до 100 000 рублей
60% (6 ответов)
от 1 000 до 10 000 рублей
40% (4 ответа)
до 1 000 рублей
0% (0 ответов)
Всего проголосовало: 10