Мощность однофазного трансформатора: 6.1.2. Расчет основных параметров однофазного трансформатора – Однофазные трансформаторы | Учебные материалы — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Расчёт однофазного трансформатора (стр. 1 из 2)

1. Исходные данные

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1.

2. Расчёт однофазного трансформатора

2.1 Выбор исполнения трансформатора и типа магнитопровода

От 0,25 до 4 кВ∙А при 50 Гц – выбираем водозащищённое исполнение.

Так как вторичная обмотка имеет мощность 1,6кВ∙А, то тип магнитопровода-гнутый стыковой.

2.2 Определение токов

Ток вторичной обмотки:

I2н=Р2н/ U2н=1,6∙10³/133=12,03А

Ток первичной обмотки:

I1н=Р2н∙ cosφ2н / U1н∙ηн ∙ cosφ1, где Р2н=1,6 кВ∙А; cosφ2н≈1 при активной нагрузке, которая наиболее характерна для однофазных трансформаторов.

U1н=380В; ηн=0,95 – определяем по кривой зависимости кпд от мощности трансформатора.

cosφ1= I1ан/√ I1ан²+ I1рн² – то есть рассматриваем активную и реактивную составляющую тока

I1ан= Р2н∙ cosφ2н / U1н∙ηн=1,6∙10³/380∙0,95=4,4321329≈4,43А

I1рн= I0+ Р2н∙ sinφ2н / U1н∙ηн

I0 – ток холостого хода, равный 13% от I1н (определяем с помощью графика зависимости тока холостого хода от мощности) I0=4,43∙13%=0,58А

Так как cosφ2н→1, то sinφ2н→0 и второй составляющей реактивного тока можно пренебречь Р2н∙ sinφ2н / U1н∙ηн→0

I1рн= I0=0,58А

cosφ1= I1ан/√ I1ан²+ I1рн²=4,43 / √4,43²+0,58²=4,432/4,469=0,992

I1н = Р2н ∙ cosφ2н / U1н ∙ ηн ∙ cosφ1 = 1,6∙10³ / 380∙0,95∙0,992 = 4,4321329 / 0,992 = 4,467876 ≈4,47А

2.3 Выбор индукции магнитопровода

Для трансформаторов с гнутым стыковым магнитопроводом: Вгн.ст.=1,45÷1,6Тл. Выбираем В=1,5Тл

2.4 Выбор плотности тока в обмотках

Предварительно выбираем плотность тока в обмотках в пределах

δ1= δ2=1,2÷3, равную 2,1 А/мм²

2.5 Определение сечений стержня и ярма магнитопровода

Поперечное сечение стержня определяется по формуле

Sc=c∙√ U1н ∙I1н∙α/ f1∙Bc∙ δ1, где

с≈0,6 – постоянный коэффициент

U1н=380В; f1н=50Гц; I1н=4,47А; Вгн.ст.=1,5Тл; δ1=2,1 А/мм²; α=2÷5, выбираем α==3

Sc=0,6∙√380∙4,47∙3∙10²/50∙1,5∙2,1=0,6∙56,88=34,13 см²

Поперечное сечение ярмаSя= Sc=34,13 см²

Геометрические поперечные сечения с учётом коэффициента заполнения сечения сталью S’c= Sc/Кз; S’я= Sя / Кз, где Кз=0,86 при толщине листа 0,35 мм, следовательно S’я= S’c=34,13/0,86=39,68 см²

Размеры сторон геометрического поперечного сечения стержня:

ас=√ S’c/1,3=5,53 см вс=1,3∙5,53=7,18 см

Высота ярмаhя= ас =5,53 см

Рис. 1. Размеры гнутого стыкового магнитопровода

2.6 Определение числа витков обмоток

Из Формулы ЭДС трансформатора:

Е1=4,44∙ f1∙w1∙Фм ≈ U1н – Δ U%∙ U1н/200, где

f1=50Гц;

Фм = Вс∙ Sc= 1,5Тл ∙ 39,68 см² = 1,5Тл ∙ 0,003968 м² = 0,005952Вб – амплитуда магнитного потока

Падение напряжения Δ U% определяем из графика (ОВ-50Гц)

Р2н=1,6кВа, значит Δ U%=3,5

U1н – Δ U%∙ U1н/200=380–3,5∙380/200=373,35

4,44∙ f1∙Фм = 4,44∙ 50∙0,005952=1,321

Число витков первичной обмотки:

w1* = (U1н – Δ U%∙ U1н/200) / (4,44∙ f1∙Фм)=373,35/1,321=282,63

Напряжение на один виток первичной обмотки при нагрузке:

е w1=(U1н – Δ U%∙ U1н/200)/ w1=373,35/282,63=1,321В

е w2= е w1=1,321В

Число витков вторичной обмотки:

w2 = (U2н + Δ U%∙ U2н/200) / е w2=(133+3,5∙133/200)/ 1,321=102,44=103 шт.

Первичная обмотка должна иметь две дополнительные секции и соответственно два вывода для регулирования напряжения. Ступени напряжения и соответствующие им зажимы определяем по таблице 2:

Таблица 2.

Число витков на каждую ступень:

w1’=(U1’ – U1н) / е w1= (390–380)/ 1,321=7,57

w1’’= (U1’’ – U1н’) / е w1=(400–390)/ 1,321=7,57

Окончательно значение числа витков первичной обмотки: w1=282,63+7,57+7,57=297,8=298 шт.

Итак: w1=298 шт.; w2 =103 шт.

2.7 Определение сечения проводов обмоток

Схему соединения обмоток выбираем с параллельным соединением катушек, число витков каждой из них w1 и w2. В этом случае сечение меди определяют по номинальному току.

Рис. 2. Схемы соединения обмоток трансформатора.

Предварительно определяем поперечные сечения:

q1= I1н/ 2∙δ1=4,47 /2∙2,1 =1,06 мм²

q2= I2н/ 2∙δ2=12,03 /2∙2,1 =2,86 мм²

Так как q<10 мм², то выбираем круглую медь.

Итак:первая обмотка:

Поперечное сечение q1= 1,06 мм²

Круглый провод диаметром d1=1,16 мм

Двусторонняя толщина изоляции с учётом неплотной укладки 0,27+0,1=0,37 мм

Диаметр провода с изоляцией 1,16+0,37=1,53 мм

Вторая обмотка:

Поперечное сечение q2= 2,86 мм², выбираем по таблице q2= 2,78 мм²,

Круглый провод диаметром d2=1,88 мм

Двусторонняя толщина изоляции с учётом неплотной укладки 0,27+0,1=0,37 мм

Диаметр провода с изоляцией 1,88+0,37=2,25 мм

Предварительно выбирали значение плотности тока δ1= δ2= 2,1 А/мм²

Уточняем значение плотности тока в обмотках:

q1= I1н/2∙q1=4,47/2∙1,06=2,11А/мм²; q2= I2н/2∙q2=12,03/2∙2,78 =2,16 А/мм²

2.8 Укладка обмотки на стержнях

На рисунке 1: h-высота окна магнитопровода, b-ширина окна. Оптимальное отношение: k=h/b=1÷3. Выбираем k=2.

Предварительно определяем: h=√(k/100∙К0)×(q1п∙ w1+ q2п∙ w2),

где К0=0,2÷0,3. Выбираем 0,25 – коэффициент заполнения окна медью.

q1п и q2п – поперечное сечение обмоток.

q1п= q1∙2=1,06∙2=2,12 мм²; q2п= q2∙2=2,78∙2=5,56 мм²

h=√(2/100∙0,25)×(2,12∙ 298+ 5,56 ∙ 103)=√0,08 ×(631,76+ 572,68)= √96,3552=9,816 см = 98,16 мм

b = h / k=9,816/2=4,908 см=49,08 мм

Число витков обмотки в одном слое: ni = (h-∆h)/diиз

n1 = (h-∆h)/d1из = (98,16–14)/ 1,53=55,01≈55 шт.

n2 = (h-∆h)/d2из = (98,16–14)/ 2,25=37,41≈38 шт.

Число слоёв обмоток на один стержень: mi=wi/2ni

m1=w1/2n1=298/2∙55=2,71=3 слоя; m2=w2/2n2=103/2∙38=1,36=2 слоя

Расчёт укладки обмоток в окне приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Уточнение размеров окна h и b, значения коэффициента формы окна k и коэффициента заполнения окна медью К0.

Из таблицы 3 выбираем наибольший из размеров обмоток hk=hk2=85,5 мм

h= hk+∆h=85,5+14=99,5 мм=9,95 см

Размеры по ширине окна b=2bk1+2bk2+∆b=9,78 +9,4 +32=51,18 мм=5,1 см

k= h/ b = 99,5/51,18=1,94

К0=(q1п∙w1+ q2п∙w2)/h∙b=(2,12 ∙ 298 +5,56∙103)/99,5∙51,18=(631,76+572,68) / 5092,41=1204,44 / 5092,41=0,24

2.9 Проверка трансформатора на нагрев

Приближённым критерием нагрева служит линейная нагрузка.

AS= (I1н∙w1 + I2н ∙w2) / hк ∙ nc= (298∙4,47 + 103∙12,03) / 85,5∙2 = (1332,06 + 1239,09) / 171 = 2571,15 / 171 = 15,04 А/см – удовлетворяет условию проверки на нагрев 15,04 А/см<300 А/см.

2.10 Определение массы активных материалов

Для определения массы меди рассчитаем сначала среднюю длину витков обмоток.

ас=5,53 см =55,3 мм; bc=7,18 см=71,8 мм; 2δкл=2∙5,0=10 мм; 2δз=2∙2=4,0 мм;

δп=5,0 мм; 3δн=3∙1,0=3 мм; δ0=1,5 мм; bk2=4,7 мм; bk1=4,89 мм;L1ср=2∙[ас+bc+2δкл+2δз+2∙n2вп∙b2вп+n1вп∙b1вп+π∙(δп+3δн+δ0+ bk2+ bk1/2)] = 2∙[55,3+71,8+10+4+2∙10+10+3,14∙(5+3+1,5+4,7+4,89/2)]=2∙(171,1+3,14∙16,645)=2∙(171,1+52,2653)=2∙223,3653=446,73 мм=44,67 см

L2ср=2∙[ас+bc+2δкл+2δз+n2вп∙b2вп+π∙(δп+ δн+δ0+ bk2/2)] =

=2∙ [55,3+71,8+10+4+20+3,14∙(5+ 1+1,5+ 4,7/2)] = 2∙192,029 = 384,058 мм = =38,41 см

Масса меди обмоток:

Gм1 = 8,9∙ w1∙ q1∙L1ср ∙0,000001=8,9г/см³ ∙ 298∙ 0,0212 см² ∙44,673 см =2765,8г=2,766 кг

Gм2=8,9∙ w2∙ q1∙L2ср=8,9г/см³∙103∙0,0556 см²∙38,41 см=1957,7г=1,958 кг

Gм= Gм1+ Gм2=2,766+1,958=4,724 кг

Для расчета массы стали трансформаторов рассчитаем вначале среднюю длину сердечника.

Lсср=2∙(h+b+2∙ac∙Kp)=2∙(9,95 см+5,1 см +2∙5,53cм∙0,7)=2∙22,792=45,584 см

Масса стали трансформаторов с гнутым магнитопроводом

Gс=7,65г/см³∙ Sc ∙ Lсср = 7,65г/см³∙ ас ∙ вс ∙ Lсср = 7,65 г./см³ ∙ (5,53∙7,18) см² ∙ 45,584 см=13845,97г=13,846 кг

Общая масса трансформатора: G=(Gм + Gс) ∙К, где К=2-учитывает массу конструктивных элементов. G=(4,724+13,846) ∙2=37,14 кг

Соотношение массы стали и меди α=13,9/4,7=2,96 укладывается от 2÷5

2.11 Определение параметров

Активные сопротивления обмоток:

R1=ρ∙ (L1ср/ q1п)∙ w1∙KtR1=ρ∙ (L2ср/ q2п)∙ w2∙Kt,

Где ρ=1/57,00=0,017544 (Ом∙ мм²/м) – удельное сопротивление меди при 15 ºС

q1п= 2,12 мм²; q2п= =5,56 мм² – полные сечения меди обмоток

L1ср=446,73 мм – средняя длина витка первой обмотки

L2ср=384,058 мм–средняя длина витка второй обмотки

Kt=1,24 – температурный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагреве.

w1=298 шт.; w2 =103 шт.

R1=0,017544∙ (446,73/ 2,12)∙ 298∙1,24; R2=0,017544∙ (384,058/ 5,56)∙ 103∙1,24

R1=0,017544∙ 77865,88; R2=0,017544∙ 8822,282

R1=1366,068=1,366Ом;R2=154,7769=0,155Ом

Индуктивные сопротивления обмоток:

Однофазный трансформатор — устройство и принцип действия

Для того чтобы представить устройство и принцип действия однофазного трансформатора нужно посмотреть, как выглядит его схема. Если подключить первичную обмотку к источнику переменного напряжения U1, то по первичной обмотке начнет протекать ток I0 (ток холостой хода) и в ней будет возникать переменный магнитный поток усиливаемый сердечником. Этот магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке трансформатора ЭДС (электродвижущую силу самоиндукции) которая проходит сквозь ее витки.

Когда вы подключите к клеммам вторичной обмотки, какой либо потребитель электроэнергии допустим, это будет простая лапочка, то во вторичной обмотке начнет протекать ток I2 вызванный ЭДС вторичной обмотки (U2) и лампочка загорится, так как через нее начнет протекать ток вторичной обмотки I2.

Когда трансформатор получил нагрузку измениться и ток первичной обмотки I1 который будет уже равен сумме токов холостого хода и тока первичной обмотки.

В этом заключается назначение трансформатора — в преобразовании напряжения, когда напряжение первичной обмотки может существенно отличаться на выходе от напряжения вторичной обмотки.

Что бы осуществилась трансформация одного напряжения в другое, служит стальной магнитопровод, на который наматывают витки первичной и вторичной обмотки. На схеме показан понижающий трансформатор 220/36 вольт, где на первичную обмотку подают 220В, а на вторичной образуется 36В.

В процессе работы могут возникать вихревые токи, которых бесполезно расходуют мощность трансформатора. Поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собирается из тонких пластин трансформаторной стали, толщина которых может быть от 0,5 до 0,35 мм изолируемых одна от другой посредством жаростойкого лака.

Трансформаторами в электротехнике называют такие электротехнические устройства, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Рис. 1.

На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек / и //, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою //, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электрической энергии.

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку //. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. 1б.

Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые линии 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким образом катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, однофазный переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону.

Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В результате изменения тока в катушке / обе катушки / и // пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Рис. 2.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Рис.3

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение:

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Следовательно можно написать:

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Видео: КАК УСТРОЕН ТРАНСФОРМАТОР. КАК ПРОВЕРИТЬ ИСПРАВНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА

Виды конструкций однофазных трансформаторов

Конструкция однофазного трансформатора может быть выполнены стержневого типа так и броневого или тороидального.

конструкция стержневого трансформатора

Однофазный двух обмоточный трансформатор стержневого типа, представляет собой два стержня на которые располагаются обе обмотки. Объединяет эти стрежни, стальное ярмо, на котором и происходит соединение магнитных потоков двух обмоток.

Тип однофазного броневого трансформатора представляет собой один стержень (сердечник), который как бы бронируется, защищается с обеих сторон ярмом от внешних механических воздействий. Магнитный поток проходящий по ярму броневого меньше в два раз чем в стержне, поэтому ярма делают в два раза меньше, уменьшая тем самым габаритные размеры и вес.

Сборка трансформатора

Собирают магнитопроводы трансформаторов встык или в нахлест.

1- пластины Ш-образного профиля, 2 — пластины прямоугольного профиля, 3 — стержневые шпильки

Сборка внахлест пластины сердечника выполняют одна за другой укладывая их плотно в разных точках разреза полос. Монтаж и демонтаж такого трансформатора более трудоемок, но зато это позволяет сильно уменьшить магнитное сопротивление, снижает реактивные потери на вихревые токи и нагрев стали.

ленточный магнитопровод

Существуют также и ленточные магнитопроводы которые делают из холоднокатаной стали как стержневого типа так броневого типа. Магнитная проницаемость трансформаторной холоднокатаной стали больше чем у горячекатаной, но только при направлении которая совпадает с направлением проката стали. В связи с этим такие трансформаторы собирают внахлестку, уже из лент разной длины (пакеты) и затем соединяют вместе предварительно пропитывая для изоляции жаростойким лаком. Особенность такого трансформаторов, что они обязательно требуют установки изоляционной прокладки на месте стыка двух магнитопроводов или изоляцией лаком. Это предотвращает замыкания пластин, в результате чего не возникает чрезмерный нагрев сердечника трансформатора токами вихревыми. Такой нагрев может приводить к плавлению стали в одну сплошную массу.

Мощные силовые трансформаторы часто делают только стержневыми так у них проще выполнить изоляцию обмоток высшего напряжения от низшего.
Трансформаторы малой мощности, сетевые трансформаторы делаю из броневого магнитопровода. Обмотки у броневых трансформаторов располагаются на одном стержне, а не отдельно одна от другой. Как правило, первичная обмотка располагается ближе к сердечнику, а вторичная мотается поверх первой. Токи первичной и вторичной обмотки маломощного трансформатора невелики, так что усиленной изоляцией можно пренебречь.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Любой трансформатор имеет расчетные показатели в виде номинальной мощности P и его напряжение вторичной и первичной обмотки U1 и U2, а также токи I1 и I2 при номинальном токе нагрузки I наг.

Номинальная мощность трансформатора – это мощность, отдаваемая всеми его вторичными обмотками P при нормальной расчетной нагрузки. Измеряют вольтамперах и киловольтамперах.

Активная мощность — эта мощность учитывающая активные потери на нагрев, механическую энергию и т.п. выраженную в Ваттах (Вт) или КилоВаттах (кВт).
Сечение проводов обмотки рассчитывается с учетом не активной мощности, а всей полной мощности трансформатора, учитывая токи протекающие в каждой обмотке.

Для трансформаторов малой мощности не имеет значение расчета удельной поверхности охлаждения. Такие трансформаторы охлаждаются естественной циркуляцией окружающего воздуха.

Мощные силовые трансформаторы изготовляют с масляным охлаждением, с металлическими баками, наполненными трансформаторным маслом. Для усиления охлаждения мала на поверхности приваривают стальные трубы (радиаторы). Чаще всего используют пассивное охлаждение баков масляных трансформаторов.

Видео: Подключение 3-х однофазных трансформаторов в трехфазную сеть

основные характеристики и режимы работы

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

Сильная.
Средняя.
Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

e1/e2 = w1/w2.

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

По паспорту.
Практически.
Использование определенного моста (мост Шеринга).
Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

расчет параметров, назначение и режимы работы

Содержание статьи:

Действующее в электрической сети напряжение 220 Вольт в том виде, в котором оно поступает в квартиру, непригодно для работы большинства электронных устройств. Для приведения его к удобному типу для питания бытовой аппаратуры требуются специальные преобразователи, называемые трансформаторами. С их помощью удается понизить величину питающего напряжения до нужного значения, а затем выпрямить его.