Потери мощности в трансформаторе: Измерение холостого хода трансформаторов: параметры, периодичность, схемы

Содержание

Измерение холостого хода трансформаторов: параметры, периодичность, схемы

Мощность потерь силового трансформатора состоит из так называемых потерь в меди и потерь в стали. Первые связаны с протеканием тока нагрузки через проводники обмоток, имеющие определенное электрическое сопротивление. Потери же в стали обусловлены вихревыми токами, токами намагничивания, возникающими в магнитопроводе.

При проведении опыта холостого хода на одну обмотку подключается напряжение, другая остается разомкнутой. Мощность, потребляемая при этом трансформатором из сети, тратится в большей степени на намагничивание стали магнитопровода, в меньшей – на нагрев проводников обмотки, чем можно пренебречь. Поэтому этот опыт позволяет измерить мощность потерь в стали, называемыми потерями холостого хода.

Дополнительно, подключив вольтметр к оставшейся разомкнутой обмотке, можно измерить на ней напряжение, и по показаниям двух вольтметров рассчитать коэффициент трансформации. Но это измерение к самому опыту холостого хода не относится.

Опыту ХХ при вводе в эксплуатацию подвергаются:

-Все сухие трансформаторы, а также имеющие в качестве изолирующей и охлаждающей среды жидкий негорючий диэлектрик.

-Маслонаполненные трансформаторы, мощность которых более 1600 кВА.

-Трансформаторы собственных нужд электростанций, вне зависимости от их мощности.

В эксплуатации такие измерения проводятся только для трансформаторов с мощностью 1000 кВА и более, и только после капитального ремонта, связанного со сменой обмоток или ремонтом магнитопровода. По сетевым правилам возможно проведение измерений по распоряжению технического руководителя предприятия после того, как хроматографический анализ газов, растворенных в масле, дал настораживающие результаты. Но это касается только силовых трансформаторов с обмотками на напряжение 110 кВ и выше.

Порядок и схема измерения

Перед проведением опыта проводят процесс размагничивания магнитопровода испытуемого трансформатора. Для этого используется постоянный ток, пропускаемый через одну из обмоток стороны низкого напряжения. Подключение тока производится многократно, каждое последующее подключение происходит с изменением полярности и уменьшением величины. Начальное значение не должно быть меньше двойного значения ожидаемого тока холостого хода. При каждом последующем включении величина уменьшается на 30-40 %. Процесс заканчивается при токе, меньшим значения тока холостого хода.

Для проведения непосредственно опыта холостого хода на вторичную обмотку трансформатора подается номинальное напряжение, с отклонением от нормы ±5%. Вывод нейтрали, если он есть, при этом не используется. Напряжение при этом – строго синусоидальное, с номинальной частотой сети.

Для проведения измерений потребуется три лабораторных прибора, с классом точности не менее 0,5. Это амперметры, вольтметры и ваттметры. амперметры подключаются в каждую фазу последовательно. вольтметры включаются на линейное напряжение всех трех фаз. Токовые обмотки ваттметров подключаются последовательно с амперметрами. Обмотки напряжения ваттметров подключаются согласно приведенным схемам. Подается напряжение, с приборов снимаются показания.

Строго говоря, измерение производится по тем же схемам, которые использовались на заводе изготовителе для проведения опыта. Ведь полученные данные нужно будет сравнить с заводскими. Но, если источник трехфазного напряжения недоступен, можно выполнить три измерения, подавая напряжение на две фазы обмотки трансформатора, закорачивая третью, остающуюся свободной.

При этом используется только линейное напряжение, так как искажение формы кривой из-за нелинейных нагрузок в сети на него имеет минимальное влияние. По этим же схемам проводится опыт холостого хода при пониженном (малом) напряжении.

Анализ результатов измерения

При приемосдаточных испытаниях и капитальном ремонте полученные данные сравниваются с протоколом о соответствующих испытаниях, проведенных на заводе после изготовления трансформатора. Расхождение более 5 % не допускается.

Для однофазных трансформаторов в этих же случаях мощность потерь не должна отличаться от исходной величины более, чем на 10%.

В эксплуатации измеряется только ток холостого хода на основании опыта с номинальным напряжением или мощность потерь при пониженном. ПТЭЭП при этом не нормирует отклонения от нормы.

Однако, при подозрении на повреждение в трансформаторе метод измерения потерь с использованием трех последовательно проведенных опытов дает очень ценный результат. Поскольку обмотки фаз трансформатора находятся в неравных условиях, то можно не только вычислить, есть ли там дефект, но и определить дефектную фазу.

Путь магнитного потока при возбуждении выводов АВ и ВС одинаков. Поэтому и мощности потерь для опытов на этих фазах не будут отличаться. При возбуждении фаз АС путь, пройденный магнитным потоком, длиннее, поэтому мощность потерь будет на 25-50% превышать предыдущие. Сравнивая эти показатели, можно выявить, на какой фазе есть дефект.

Потери мощности в трансформаторе | ЭлМикс

Кроме значения номинальных напряжений первичной и вторичной обмотки, одной из важнейших характеристик трансформатора любого типа является максимальная электрическая мощность, которую можно получить на вторичной обмотке в номинальном режиме работы трансформатора. Состоянии, в котором он может работать длительно, без нагрева обмоток до критической температуры.

Передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется благодаря взаимодействию магнитных потоков обмоток, и этот процесс неминуемо сопровождается некоторыми потерями энергии.

Основными составляющими которых являются потери в проводах обмоток и стальном сердечнике магнитопровода. Для количественной и качественной оценки этого явления ввели понятие потерь мощности. Вместе с еще одной важной характеристикой, которую называют напряжением короткого замыкания и измеряют в процентах, показатели потерь мощности характеризуют КПД и конструктивную экономичность трансформатора.

Наша компания занимается поставками трансформаторного оборудования различного типа. На сайте, в категории Трансформаторы вы можете ознакомиться с перечнем продукции.

Значение показателя потерь мощности состоит их суммы потерь в режимах ХХ (холостой ход) и КЗ (короткое замыкание). Трансформатор работает в режиме холостого хода, когда его вторичная обмотка разомкнута, а по первичной, которая подключена к источнику питания, течет определенный ток. Вся подведенная к трансформатору мощность расходуется на перемагничивание стального сердечника, который обычно изготовлен из пакета тонких стальных пластин.

Переменный ток в соответствии со своей частотой ритмично меняет направление с «плюса» на «минус» и обратно, а в каждом цикле плавно возрастает с нуля до максимума, потом снижается до нуля, уходит в сторону отрицательного максимума и так далее. При этом происходит намагничивание и размагничивание сердечника. Эти два процесса не протекают синхронно. Из-за того, что металл как бы «сопротивляется» ритмичному переориентированию его магнитной структуры, процессы намагничивания – размагничивания сердечника несколько отстают во времени от побуждающего их к этому магнитного потока. Созданного переменным током в первичной обмотке.

Ее величество петля гистерезиса

Это запаздывание процессов в сердечнике от изменения направления и силы тока в обмотке, породившей перемагничивающий магнитный поток, приводит к тому, что в момент нулевого значения тока магнитная индукция в железе снизиться до нуля не успевает.

На картинке справа экран осцилографа отображает кривую, описывающую этот процесс — петлю гистерезиса. Вид этой кривой для разных сортов стали различен, так как определяется максимальной магнитной индукцией.

По площади, которую занимает петля на графике, можно судить об электрической мощности, которая расходуется на процессы перемагничивания. Так как при этом происходит нагрев стальных листов, из которых состоит сердечник, энергия электричества переходит в тепло. Тепловая энергия бесполезно рассеивается в окружающем пространстве. В этом и заключается механизм и физический смысл понятия потерь мощности, которая уходит на перемагничивание стального сердечника.

Но этим потери в металлических сердечниках не исчерпываются. Переменное магнитное поле наводит в металле так называемые «вихревые токи». И часть этого магнитного поля «уходит» в дополнительные потери. Чтобы уменьшить вихревые токи, магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких стальных листов, покрытых тончайшей изолирующей пленкой.

Энергии на создание вихревых токов тратится тем меньше, чем тоньше металлический лист, из которого набран сердечник, и чем выше его удельное электрическое сопротивление. Добавляя в трансформаторное железо специальные присадки, реализуют и эту возможность уменьшения потерь мощности. При создании магнитопроводов учитывают, что мощность трансформаторов напрямую зависит от площади сечения сердечника.

Задачей конструкторов и технологов является увеличение эффективной площади магнитопровода за счет уменьшения толщины изоляционной пленки между листами металла. Вычисляя значение специального коэффициента заполнения (КЗ), можно судить о том, насколько производственникам удается улучшить эту характеристику. Известны тонкие изолирующие жаростойкие покрытия, применение которых позволяет достичь значения КЗ на уровне 0.95 – 0.96. Это очень высокий показатель, который можно незначительно улучшить дополнительной прессовкой магнитопроводов.

Потери электроэнергии в трансформаторах

Потери электроэнергии в трансформаторах – один из видов технических потерь электроэнергии, обусловленных особенностями физических процессов, происходящих при передаче энергии. Передача электрической энергии от источника к конечному потребителю неизбежным образом связана с потерей части мощности и энергии в системе электроснабжения. Сюда относятся потери в линиях электропередач и потери электроэнергии в трансформаторах.

Устройство стандартного двухобмоточного трансформатора включает замкнутый сердечник (магнитопровод), представляющий собой набор пластин из трансформаторной стали, и две обмотки: к генератору (первичная) и к нагрузке (вторичная). Эффект трансформации при этом возникает из-за разного количества витков в обмотках. Потери электроэнергии в трансформаторе такой конфигурации складываются из:

 потерь на нагревание обмоток трансформатора;
 потерь на нагревание сердечника;
 потери на перемагничивание сердечника.

Величина потерь электроэнергии в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала трансформаторной стали, из которой изготовлен сердечник. Потери электроэнергии намного больше в случае, если сердечник имеет монолитную конструкцию, поэтому на практике сегодня монолитные сердечники не применяются. Для дополнительной изоляции друг от друга пластины сердечника лакируются.

Величина указанных потерь и КПД работы трансформатора определяется также величиной передаваемого напряжения и мощностью. Чем больше мощность трансформатора, тем выше КПД и ниже уровень потерь. При правильной конструкции коэффициент полезного действия трансформатора составляет 97-99%. Потери электроэнергии в трансформаторах определяются также длительностью их работы, поэтому одним из ключевых условий, обеспечивающих снижение потерь электроэнергии в трансформаторах, является отключение их при малых загрузках. Это возможно осуществить, если в ночное время, а также в выходные и праздничные дни питать работающие электроустановки, количество которых не особо велико, от одного трансформатора. Данная возможность обеспечивается наличием перемычек между подстанциями на низшем напряжении.

Еще одним немаловажным условием снижения потерь электроэнергии в трансформаторах является обеспечение рационального режима работы включенных трансформаторов. Для этих целей важно выбрать оптимальный коэффициент загрузки трансформатора, зависящий от уровня активных и реактивных составляющих потерь.

Для точного подсчета потерь электроэнергии в трансформаторе с двумя обмотками необходимы следующие данные:

 паспортные: номинальная мощность трансформатора, потери холостого хода при номинальном напряжении и потери короткого замыкания трансформатора при номинальной нагрузке;
 фактические: полное число часов работы трансформатора, число часов работы трансформатора с номинальной нагрузкой, энергия, учтенная по счетчикам.

По этим исходным данным определяются:

 средневзвешенный коэффициент мощности трансформатора;
 коэффициент нагрузки трансформатора;
 и, собственно, потери электроэнергии в трансформаторе, в киловатт-часах.

Для расчета потерь электроэнергии в трансформаторе с тремя обмотками выделяются коэффициенты нагрузки для каждой из обмоток – высшего, среднего и низшего напряжений, и общие потери электрической энергии рассчитываются как средневзвешенная величина с учетом данных показателей.

Умение правильно рассчитать потери во всех звеньях системы электроснабжения, выявить их ключевые составляющие и установить приоритетные направления по снижению потерь и экономии электроэнергии — основное условие правильной эксплуатации электрической сети, в частности, снижения потерь электроэнергии в трансформаторах.

Метки: потери электроэнергии, потери электроэнергии в трансформаторах, современная электроэнергетика, трансформатор, электросети, энергоснабжение

Интересная статья? Поделитесь ей с друзьями:

Учебно-методический материал: Практическая работа №6 Тема: «Потери мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах. Причины потерь и способы их снижения»

Практическая работа №6

Тема: «Потери мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах.

Причины потерь и способы их снижения»

Цель работы- выявить по каким причинам возникают потери мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах.

Общие сведения

ü потерь на нагревание обмоток трансформатора;
ü потерь на нагревание сердечника;
ü потери на перемагничивание сердечника.

Для точного подсчета потерь электроэнергии в трансформаторе с двумя обмотками необходимы следующие данные:

ü паспортные: номинальная мощность трансформатора, потери холостого хода при номинальном напряжении и потери короткого замыкания трансформатора при номинальной нагрузке;
ü фактические: полное число часов работы трансформатора, число часов работы трансформатора с номинальной нагрузкой, энергия, учтенная по счетчикам.

По этим исходным данным определяются:

ü средневзвешенный коэффициент мощности трансформатора;
ü коэффициент нагрузки трансформатора;
ü и, собственно, потери электроэнергии в трансформаторе, в киловатт-часах.

Задание

Что такое потери электроэнергии в трансформаторах?
Какие мероприятия проводятся по снижению потерь электрической энергии в трансформаторах?

Сделать вывод о проделанной работе.

Учебно-методический материал: Практическая работа №7 Расчет потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах

Практическая работа №7

Тема: «Расчет потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах»

Цель работы- произвести расчет потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах.

Общие сведения

1. Потери электроэнергии в трансформаторе рассчитываются по формуле:

∆Wт = ∆Wхх + (∆Wн1 х Wт/100) , кВт*час, где
∆Wxx = ∆Рxx х То х (Ui /Uном)2 — потери холостого хода силового трансформатора, кВт*час;
∆Wн1 = (∆Wн / Wт) х 100% — относительные нагрузочные потери силового трансформатора, %;
∆Wн = Кк х ∆Рср х Тр х Кф2 — нагрузочные потери силового тр-ра, кВт*час;
Кф2 = (1+2Кз)/3Кз ― квадрат коэффициента формы графика за расчетный период, у.е.;
Кз = [Wт / (Sн х Тр х cosφ)] х 10-3 — коэффициент загрузки тр-ра ( заполнения графика), у.е.;
∆Рср = 3 х I2ср х R х 10-3 — потери мощности в силовом тр-ре, кВт;
Iср=Wт /(√3 х Uср х Тр х cos φ) – средняя нагрузка за расчетный период, А;
R = (∆Ркз х U2ном /S2ном) х 10-3 — активное сопротивление силового тр-ра, Ом;
Кк ― коэффициент, учитывающий различие конфигураций графиков активной и реактивной нагрузки (справочная величина, принимается равным 0,99), у.е.

Потери электроэнергии в линии электропередачи

∆Wкл =1,1*n*p*I2*L/g*0,001*T , где
n — число фаз линии
p — удельное сопротивление материала, Ом*мм2/м
I — среднеквадратичный ток линии, А
L — длина линии, м
g — сечение провода, мм2
T — время работы за расчетный период, час
1,1 — коэфф. учитывающий сопрот конт.,скрутку жил и способ прокладки линий

Справочные удельные сопротивления меди, алюминия и стали:

р Cu	0,0189	Ом*мм2/м
р Al	0,0271	Ом*мм2/м
р Сталь	0,14	Ом*мм2/м

Задание

Рассчитать потери электроэнергии в трансформаторе:

Данные:

	ТМ 630/6/0,4	Тип трансформатора
Sнт	номинальная мощность трансформатора, МВА;	0,63
Uном	номинальное напряжение, кВ;	6
Wт	потребленная активная электроэнергия за месяц, кВт*час;	37108
∆Рхх	потери мощности холостого хода трансформатора, кВт;	1,31
∆Ркз	потери мощности короткого замыкания, кВт;	7,6
Тр	число часов работы трансформатора под нагрузкой за расчетный период, час;	720
То	время присоединения трансформатора за расчетный период к сети, час;	720
Кк	коэффициент различия конфигураций;	0,99
cosφ	среднезвешенный коэффициент мощности для трансформатора.	0,9

∆Wхх = __________ кВт*ч;

Кф2 = _______________ ;

Кз = ________________;

R = _________________ Ом;
∆Wн = ___________кВт*час;

Iср= ________________ А;

∆Рср = _______________Вт;
%потерь ∆Wн1 = _________
Итого: ∆Wт = ________ кВт*час + _________ %

Рассчитать потери электроэнергии в линии электропередачи:

Дано:

n — число фаз линии = 3
p — удельное сопротивление материала, Ом*мм2/м = 0,0271
I — среднеквадратичный ток линии, А =5,3407
L — длина линии, м =50
g — сечение провода, мм2 = 240
T — время работы за расчетный период, час-=720
1,1 — коэфф. учитывающий сопрот конт.,скрутку жил и способ прокладки линий

Потери ∆Wкл = _________ кВт*ч; %потерь ∆Wкл = _______

Сделать вывод о проделанной работе.

Пример_расчета_потерь_в_трансформаторе

7. Расчёт потерь мощности в трансформаторе

Потери мощности в трансформаторах состоят из потерь активной и реактивной мощности.

Потери активной мощности состоят из двух составляющих: потерь, идущих на нагрев обмоток трансформатора, зависящих от тока нагрузки и потерь, идущих на нагревание стали, зависящих от тока нагрузки.

Потери реактивной мощности состоят из двух составляющих: потерь, вызванных рассеянием магнитного потока в трансформаторе, зависящих от квадрата тока нагрузки и потерь, идущих на намагничивание трансформатора, независящих от тока нагрузки, которые определяются током холостого хода.

Расчёт потерь мощности в трансформаторе необходим для более точного выбора сетей высокого напряжения, а также для определения стоимости электроэнергии.

Определяем потери активной мощности в трансформаторе ΔP, кВт, по формуле

где P_кз – потери активной мощности в трансформаторе при проведении опыта короткого замыкания

Р_хх – потери активной мощности в трансформаторе при проведении опыта холостого хода, кВт.

ΔP = 7,3 · 0,6 2 +2 = 4,6 кВт.

Рассчитываем потери реактивной мощности в трансформаторе ΔQ, кВар

где Uк.з. – напряжение при опыте короткого замыкания в процентах от номинального

Iх.х. – ток при опыте холостого хода в процентах от номинального

ΔQ = 0,01 · (5,5 · 0,6 2 +3) · 630 = 31,4 кВар.

Определяем потери полной мощности в трансформаторе ΔS, кВА

ΔS = ,

ΔS = = 31,7 кВА.

Все полученные данные сводим в таблицу 4.

Таблица 4 – Потери мощности в трансформаторе

Тип трансформатора

ΔP,кВтΔQ,кВарΔS,кВАТСЗ-630/10630100,44,631,431,7

Итак, потери мощности в трансформаторе будут зависеть от коэффициента загрузки трансформатора, от его конструктивного исполнения и полной номинальной мощности. Для уменьшения потерь необходимо правильно выбрать трансформатор и оптимально загрузить его.

8. Расчёт и выбор сетей напряжением выше 1 кВ

Критерием для выбора сечения кабельных линий является минимум приведённых затрат. В практике проектирования линий массового строительства выбор сечения производится не по сопоставительным технико-экономическим расчётам в каждом конкретном случае, а по нормируемым обобщённым показателям.

Т.к. сети напряжением выше 1 кВ не входят в перечень [4, пункта 1.3.28], то выбор сетей до цеховой трансформаторной подстанции осуществляем по экономической плотности тока j_эк, .Рассчитываем максимальную активную мощность, проходящую по высоковольтному кабелю, Р_m₍₁₀₎, кВт с учётом потерь мощности в трансформаторе

Определяем максимальную реактивную мощность, проходящую по кабелю U=10 кВ с учётом потерь мощности в трансформаторе Q_m_(10), кВар, по формуле

Определяем полную мощность в сетях высокого напряжения S_m_(10), кВА

S_m₍₁₀₎= =783,6 кВА.

Рассчитываем коэффициенты активной (cosφ₍₆₎) и реактивной (tgφ₍₆₎) мощности высоковольтной линии

cosφ₍₁₀₎= = 0,94,

tgφ₍₁₀₎= = 0,37.

Рассчитываем силу тока, проходящую по линии напряжением U=10 кВ I_m₍₁₀₎, A

I_m₍₁₀₎= =22,6 А.

По справочнику [4, таблица 1.3.36] определяем экономическую плотность тока, учитывая, что число часов использования максимума нагрузки в год Т_m=3000-5000 тысяч час/год и прокладываемый кабель марки ААШв

Определяем экономически целесообразное сечение кабеля F_эк, мм 2

F_эк=,

F_эк= =16,14 мм 2 .

Принимаем к прокладке кабель ближайшего стандартного сечения 16 мм 2 , т.е. ААШв 3х16 с допустимым током I_д, А, определяемым по каталогу [4, таблица 1.3.16]

Определяем допустимую величину тока с учётом поправочных коэффициентов

где K_п – поправочный коэффициент на параллельную прокладку двух кабелей

в траншее, принимаемый по каталогу по [4, таблица 1.3.26], Kп=0,9;

K_т – поправочный коэффициент на температуру земли, принимаемый по каталогу [4, таблица 1.3.3], Kт=1, т.к. принята температура t=15 ºC.

По справочнику [7, таблица 4-79] определяем активное (r_{) и реактивное (х_{) сопротивления кабельной линии, Ом/км}}

Проверяем выбранный кабель по потере напряжения ∆U, %, которые согласно [8] не должны превышать 5%

∆U=,

∆U==0,59% .

Параметры кабеля заносим в таблицу 5.

Таблица 5 – Параметры кабеля

Марка и сечение кабеляl, кмΔU, %1022,6ААШв 3×16721,950,1130,80,59

ААШв – кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, алюминиевая оболочка, в поливинилхлоридном шланге.

Итак, кабель выбранный по экономической плотности тока обеспечивает снижение сопротивления кабеля, возможность расширения производства, а также запас по току, что ведет к снижению эксплуатационных затрат, т.к кабель нагревается значительно меньше, обеспечивая, тем самым, меньший физический износ изоляции, а как следствие меньшее число повреждений и пробоев.

Расчет потерь мощности в выбранных трансформаторах необходим для определения затрат на возмещение потерь электроэнергии.

Потери активной (кВт) и реактивной(квар) мощностей в трансформаторах определяют по формулам:

,(2.8)

,(2.9)

где и— потери холостого хода и короткого замыкания, кВт;

— ток холостого хода трансформатора, %;

u_кз — напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

N — количество трансформаторов;

— фактический коэффициент загрузки трансформаторов.

Уточняем нагрузку в сети 0,4 кВ с учетом реальных потерь в выбранных трансформаторах:

. (2.10)

Из справочных данных находим для трансформатора ТМ160/10 мощностью 160 кВА с первичным напряжением 10 кВ его параметры:

Рассчитаем потери активной мощности в трансформаторах:

Потери реактивной мощности:

Результаты расчёта потерь вносим в таблицу 2.6.

Уточним нагрузку фермы с учетом реальных потерь в выбранных трансформаторах. В нормальном режиме работы сети 0,4 кВ с исходными данными:

Расчётные мощности потребителей от трансформатора Т1

Максимальная нагрузка на трансформатор Т1

кВА.

Таблица 2.6 — Расчет потерь мощности в трансформаторах

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Электрические станции и подстанции

на тему: Выбор трансформаторов на электростанциях. Технико-экономическое сравнение структурных схем

Специальность 5В071800 — Электроэнергетика

Выполнил студент группы БЭ-10-08

№ зачетной книжки 104143

Руководитель: доцент Михалкова Е.Г.

«____» ___________________ 20___г.

Содержание

Цели и задачи работы

Объем и содержание расчетно-графической работы

2.1 Исходные данные

Выбор трансформаторов

3.1 Выбор трансформаторов для варианта 1

3.2 Выбор трансформаторов для варианта 2

Расчет годовых потерь энергии в трансформаторах

4.1 Расчет годовых поерь для варианта 1

4.2 Расчет годовых поерь для варианта 2

Технико-экономическое сравнение вариантов

Заключение

Список литературы

1 Цель и задачи работы

Целью работы является закрепление теоретических знаний и развитие у студентов самостоятельности в решении поставленных задач, приобретение практических навыков работы с технической литературой, нормативными и техническими условиями ЭВМ.

— выбор типа, количества и мощности трансформаторов;

— расчет годовых потерь энергии в трансформаторах;

— выбор принципиальной (структурной) схемы станций;

— выполнение чертежа принципиальной схемы электрических соединении ТЭЦ.

Объем и содержание расчетно-графической работы

Исходные данные

Исходные данные для выполнения этой работы взяты из РГР по дисциплине «Электроэнергетика» и представлены в таблице 1.

Таблицa 1 – Исходные данные для выполнения работы

ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ
Вид топлива	Газ
Число и мощность генераторов, МВт	2/60; 2/32
Количество и мощность линий нагрузки на генераторном напряжении, МВт	17/3
Расход на с.н., % от Руст. Ген
Номинальное напряжение РУСН, МВт
Количество линий и мощность нагрузок РУСН, МВт	2/16
Продолжительность нагрузок, зима – лето	180/185
Номинальное напряжение линий связи с системой, кВ
Количество линий и их длина, км	2/90

В соответствии с исходными данными, выберем турбогенераторы:

ТВФ-60-2 — турбогенератор с водородным охлаждением форсирования, с косвенным водородным охлаждением обмоток статора и непосредственным водородным охлаждением ротора, с системой возбуждения от машинного возбудителя постоянного тока.

ТВC-32-2 – турбогенератор с косвенным водородным охлаждением обмоток статора, с системой возбуждения от машинного возбудителя постоянного тока.

Таблица 2 – Основные технические данные турбогенераторов

Тип турбогенератора	ТВС-32	ТВФ-60-2
Частота вращения, об/мин
Номинальная мощность, МВ . А
Номинальное значение cosf	0,8	0,8
Номинальный ток статора, кА	3,67/2,2	6,88/4,125
Номинальное напряжение статора, кВ	6,3 10,5	6,3 10,5
Номинальное значение КПД, %	98,3	98,5
Сверхпереходное индуктивное сопротивление x_d , о.е.	0,151/0,159	0,195/0,146
Система возбуждения	М	М
Охлаждение обмоток статора ротора	КВР	КВР
НВР	НВР
Общая масса, т	69,2	111,2
Масса ротора. т	16,2	24,2

Для выбора числа и мощности трансформаторов и выполнения технико-экономических расчетов по определению наиболее целесообразного варианта структурной схемы необходимо построение суточных графиков нагрузки трансформатора. Эти графики строятся для каждого варианта структурной схемы для зимнего и летнего периодов. График выдачи мощности в энергосистему получают как разность генерируемой мощности и потребляемой мощности с шин станции с учётом потребления на собственные нужды:

где

При переменном графике выработки электроэнергии электростанцией расход мощности на её собственные нужды можно определить по формуле:

где Р_i(t) — мощность, отдаваемая с шин станции за время t, МВт;

Р_уст – установленная мощность станции (блока), МВт;

Рс.н.мах – максимальная мощность собственных нужд, определяемая из таблицы с учётом типа станции вида топлива.

Рисунок 1 – Вариант 1

Таблица 3 – Баланс мощностей

Определяемый параметр	Период года/часы	0-8	8-18	18-24
1 Выработка мощности Г-1, Г-2, МВт	зима лето
2 Выработка мощности Г-3, Г-4, МВт	зима лето	57,6 44,8	51,2	57,6 44,8
3 Нагрузка с.н. Г-1, Г-2, МВт	зима лето	7,56 5,88	8,4 6,72	7,56 5,88
4 Нагрузка с.н. Г-3, Г-4, МВт	зима лето	4,032 3,136	4,48 3,584	4,032 3,136
5 Нагрузка на 10 кВ, МВт	зима лето	35,7	35,7	35,7
6 Загрузка Т-1 и Т-2, МВт (суммарная)	зима лето	49,44 27,12	60,6 38,28	49,44 27,12
7 Загрузка каждого из тр-ров Т-1 и Т-2, МВт	зима лето	29,72 13,56	30,3 19,14	29,72 13,56
8 Нагрузка на 110 кВ, МВт	зима лето	25,6	22,4	25,6
9 Загрузка обмоток 10 кВ Т-3 и Т-4, МВт	зима лето	26,784 20,832	29,76 23,808	26,784 20,832
10 Загрузка обмоток 110 кВ Т-3 и Т-4, МВт	зима лето	11,92 13,21	14,3 15,59	11,92 13,21
11 Загрузка обмоток 220 кВ Т-3 и Т-4, МВт	зима лето	38,704 34,042	44,06 39,398	38,704 34,042

Рисунок 2 – Вариант 2

Таблица 4 – Баланс мощностей

Определяемый параметр	Период, года/часы	0-8	8-18	18-24
1 Выработка мощности Г-1, Г-2, МВт	зима лето
2 Выработка мощности Г-3, Г-4 МВт	зима лето	57,6 44,8	51,2	57,6 44,8
3 Нагрузка с.н. Г-1, Г-2, МВт	зима лето	7,56 5,88	8,4 6,72	7,56 5,88
4 Нагрузка с.н. Г-4-Г5, МВт	зима лето	4,032 3,136	4,48 3,584	4,032 3,136
5 Нагрузка на 10 кВ, МВт	зима лето	35,7	35,7	35,7
6 Загрузка Т-1 и Т-2, МВт (суммарная)	зима лето	49,44 27,12	60,6 38,28	49,44 27,12
7 Загрузка каждого из тр-ров Т-1 и Т-2, МВт	зима лето	29,72 13,56	30,3 19,14	29,72 13,56
8 Нагрузка на 110 кВ, МВт	зима лето	25,6	22,4	25,6
9 Переток мощности с 110 кВ каждого из трансформаторов Т-1 и Т-2 на 220 кВ	зима лето	11,92 13,21	14,3 15,59	11,92 13,21
10 Загрузка обмоток 110 кВ каждого из трансформаторов Т-1 и Т-2	зима лето	12,8	11,2	12,8

Выбор трансформаторов

Выбор трансформатора для варианта 1

Трансформаторы Т-1 и Т-2 по условию нормального режима из таблицы 3:

где = 0,8.

В режиме передачи наибольшей мощности с учетом 40% перегрузки:

Для принятой схемы баланс мощностей в нормальном режиме сохраняется.

Рассмотрим возможные аварийные режимы:

а) при отключении Т-1 в зимний максимум генераторы Г-1, Г-2 покрывают нагрузку 51 МВт на 10 кВ. Обмотки 110 кВ каждого из Т-3 и Т-4 будут загружены мощностью 32:2 = 16 МВт.

б) при отключении Г-1 зимний максимум через Т-1 для снабжения потребителей 10 кВ будет передаваться мощность:

Обмотки 10 кВ Т-3 и Т-4 будут загружены на мощность, равную 55,8 МВт.

Таким образом, максимальная мощность из всех нормальных и аварийных режимов равна 60,6 МВт

Выбираем 2 трансформатора типа ТДЦ-80000/110: трехфазный трансформатор с принудительной циркуляцией масла и воздуха, номинальной мощности 80 МВА, класс напряжения обмотки ВН 110 кВ.

Мощность трансформатора Т-3 и Т-4 определяется из условий нормального и наиболее загруженного режимов:

Приняты к установке 2 трансформатора типа ТДТН – 40000/220: трансформатор трехобмоточный, масляный с естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха, трехфазный с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощности 40 МВА, класс напряжения обмотки ВН 220 кВ

Выбор трансформатора для варианта 2

Мощность трансформаторов Т-1 и Т-2 по условию нормального режима определяется:

По условию аварийного отключения Т-1:

По условию выдачи наибольшей мощности:

Принимаем к установке 2 трансформатора типа ТДТН – 40000/110: трансформатор трехобмоточный, масляный с естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха, трехфазный с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощности 40 МВА, класс напряжения обмотки ВН 110 кВ

Мощность трансформатора Т-3 и Т-4 определяется из условий нормального и наиболее загруженного режимов:

Принимаем к установке 2 трансформатора типа ТД-80000/220: трансформатор трехобмоточный, масляный с естественной циркуляцией масла, номинальной мощности 80 МВА, класс напряжения обмотки ВН 220 кВ

Расчет годовых потерь энергии в трансформаторах

Географический район расположения станции – Центральный Казахстан: зима – 180 суток (Дз), лето – 185 (Дл), годовая эквивалентная температура — +10ºС. Удельная стоимость потерь энергии в соответствии с [4] принята 0,0115 у.е./кВ∙ч.

Расчет для варианта схемы 1

Трансформатор Т-1, Т-2 – ТДЦ-80000/110. Паспортные данные, необходимые для дальнейших расчетов. Для этого трансформатора – , ,

Годовые потери энергии в стали [4]:

Трансформатор Т-3 и Т-4 – ТДТН – 40000/220.

Для этого трансформатора – , ,

Годовые потери энергии в стали одного трансформатора:

Годовые потери энергии в меди в трехобмоточном трансформаторе определяются для каждой из обмоток НН, ВН, СН в соответствии с их загрузкой.

Расчет для варианта схемы 2

Годовые потери энергии в трансформаторах Т-1 и Т-2 типа ТДТН 40000/110. Из [3] для этих трансформаторов ,

Годовые потери в трансформаторе Т-3 и Т-4, типа ТД-80000/220. Из [3] для этого трансформатора: ,

Трансформаторы

, часть 2 — Руководство по электронике для новичков

Трансформаторы, часть 2 — Руководство по электронике для начинающих

Верх

Elliott Sound Products

Руководство по трансформаторам для начинающих — Часть 2

Указатель статей

Основной указатель

Содержание — Часть 2

Введение

Для тех смельчаков, которые пробились через первую секцию — я вам благодарен! Как вы обнаружили, трансформаторы в конце концов не просты, но они, вероятно, гораздо более универсальны, чем вы когда-либо могли себе представить.Однако они являются устройствами реального мира и, как таковые, страдают от недостатков всех реальных компонентов — они несовершенны.

В этом разделе мы уделим немного больше внимания потерям и расчетам, используемым при проектировании трансформатора, а также более подробно объясним, где разные стили сердечников должны быть предпочтительнее других. Опять же, невозможно охватить все возможности, но информация здесь поможет вам на вашем пути к полному пониманию предмета.

Первая тема может показаться очевидной, но, судя по получаемым мной электронным письмам, это не так.Трансформаторы могут иметь несколько обмоток, первичных или вторичных. Обмотки могут быть соединены друг с другом, чтобы делать различные возбуждающие и разные вещи, но с точки зрения безопасности обязательно, , чтобы первичная и вторичная обмотки были разделены.

В этой статье есть несколько ссылок на «закороченные витки». Если какие-либо два витка обмотки замыкаются друг на друга, ток ограничивается только сопротивлением постоянному току закороченного участка обмотки.Ток может быть огромным, и даже при одном закороченном витке трансформатор больше не подлежит эксплуатации и его необходимо выбросить или перемотать. Никакой экран или другой проводящий материал нельзя наматывать на обмотку и соединять, так как это создает закороченный виток, способный, возможно, выдерживать сотни ампер. Исключением является магнитный экран, который иногда используется с трансформаторами с ЭУ, но он обернут вокруг всего трансформатора ( за пределами сердечника) и не считается « витком », поскольку он не находится в окне обмотки с первичный и вторичный.

Также стоит отметить, что трансформатор ведет себя совершенно по-разному в зависимости от того, питается ли он от источника напряжения (то есть с очень низким импедансом, например, транзисторный усилитель или сеть), от источника тока или промежуточного импеданса. Более подробно об этом будет рассказано далее в этой статье.

Три вещи, о которых нужно помнить — всегда …

Поток сердечника максимален, когда трансформатор не имеет нагрузки. [Смотрите примечание]
Трансформатор, намотанный для работы на 50 Гц, может безопасно использоваться при 60 Гц (с правильным или даже немного более высоким напряжением).
Трансформатор 60 Гц потребляет чрезмерный ток намагничивания на частоте 50 Гц и может выйти из строя из-за перегрева.

Примечание. Это практичный корпус , предполагающий нормальное использование трансформатора. Теоретический «идеальный» трансформатор с нулевым сопротивлением обмотки будет
имеют постоянный магнитный поток независимо от нагрузки — при постоянном входном напряжении. Поскольку в реальном мире есть трансформаторы, поток уменьшается на
немного с нагрузкой из-за потери напряжения на первичной обмотке трансформатора.Это объясняется более подробно ниже.

Перед повторным использованием любого трансформатора — особенно если он предназначен для другого назначения, напряжения или частоты — вам необходимо убедиться, что он не будет потреблять чрезмерный ток намагничивания. В худшем случае — без нагрузки, и необходимо измерить ток и контролировать температуру достаточно долго, чтобы убедиться, что трансформатор не нагревается настолько, что его неудобно держать. Если превышение температуры холостого хода превышает 25 ° C, трансформатор использовать нельзя.Имейте в виду, что некоторые небольшие трансформаторы все время сильно нагреваются, поэтому иногда вам, возможно, придется делать оценочное суждение на основе опыта.

8. Последовательные и параллельные обмотки

Многие трансформаторы поставляются с двумя (или более) вторичными обмотками. Во многих случаях в техпаспорте будет указано, что обмотки могут быть подключены параллельно или последовательно. Например, тороидальный трансформатор может быть рассчитан на 2 x 25 В при 5 А (250 ВА). При параллельном соединении обмоток доступный ток составляет 10 А, но только для одного напряжения 25 В переменного тока.Соедините обмотки последовательно, и вы получите 50 В при токе 5 А, или соединив центральный отвод с землей, знакомое обозначение 25-0-25.

Рисунок 8.1 — Последовательные и параллельные обмотки

Есть некоторые правила, которые применяются к соединению обмоток — если вы нарушите их, вы можете сломать и свой трансформатор. Обратите внимание на точки на обмотках — это традиционный способ определения начала обмотки, чтобы можно было определить фазу.

Автотрансформаторы описаны в Разделе 19 ниже.Это особый случай последовательно соединенных обмоток, которые обычно используются для получения пониженного напряжения с максимально возможным КПД и наименьшими затратами.

Противофазная проводка не повредит трансформатор при последовательном подключении (хотя полезность нулевого выходного напряжения для одинаковых обмоток несколько ограничена). Параллельное противофазное соединение приведет к выходу трансформатора из строя, если только предохранитель не сработает, а это очень сильно. При проверке всегда используйте предохранитель, так как простая ошибка может дорого обойтись без какой-либо защиты трансформатора и домашней электропроводки!

8.Соединения серии 1

Обмотки можно соединять последовательно независимо от напряжения. Максимальный доступный ток — это номинал, указанный для обмотки с наименьшим током . Обмотки могут быть подключены для увеличения или уменьшения конечного напряжения. Например, двойные обмотки на 25 В могут быть подключены так, чтобы производить 50 В или ноль вольт — хотя последнее, как правило, бесполезно 🙂

Когда обмотки соединены по фазе, напряжения складываются, а если соединены в противофазе, они вычитаются.Следовательно, можно подключить обмотку 50 В, 1 А и обмотку 10 В, 5 А для обеспечения любого из следующих …

10V @ 5A — Обмотка 10V сама по себе
50V @ 1A — Обмотка 50V сама по себе
60 В при 1 А — Обмотки 50 В и 10 В, соединенные последовательно и по фазе
40 В при 1 А — Обмотки 50 В и 10 В, соединенные последовательно и не в фазе

Приведенный выше пример был использован исключительно для примера (такой трансформатор не пригодился бы для большинства из нас), но принцип применим для всех напряжений и токов.Последовательные соединения иногда также используются в первичных преобразователях, в основном для оборудования, предназначенного для мирового рынка. Существует несколько стандартных напряжений питания сети, и первичные обмотки подключаются в различных комбинациях последовательно и параллельно, чтобы учесть все варианты.

8.2 Параллельное соединение

Параллельное соединение обмоток трансформатора допускается только в одном случае — обмотки должны иметь одинаковое выходное напряжение и должны быть соединены по фазе.Различная токовая нагрузка не является проблемой, но редко можно найти трансформатор с двумя обмотками с одинаковым напряжением, но с разными номинальными токами.

Даже разница в 1В между напряжениями обмоток вызовет большие проблемы. Типичное сопротивление обмотки для обмотки 5 А может составлять 0,25 Ом. Если две такие обмотки соединить параллельно, имея разность напряжений 1 В, возникнет циркулирующий ток, ограниченный только сопротивлениями обмоток.В нашем примере полное сопротивление обмотки составляет 0,5 Ом, поэтому между обмотками будет протекать циркулирующий ток величиной 2 А, а это полностью потраченная впустую мощность. Трансформатор неожиданно нагревается, и максимальный доступный ток уменьшается на величину циркулирующего тока.

Если обмотки подключены в противофазе, циркулирующий ток будет, возможно, 100 А или более, пока трансформатор не расплавится или не перегорит предохранитель. Последнее обычно является предпочтительным.

В технических характеристиках производителя трансформатора будет указано, разрешена ли параллельная работа.Если вы не уверены, тщательно измерьте напряжения и избегайте параллельного подключения, если напряжения отличаются более чем на пару сотен милливольт. Всегда будет разница, и только допуски намотки производителя могут предсказать, какая она будет. В тороидальных трансформаторах обмотки часто бывают бифилярными, что означает, что две обмотки наматываются на сердечник трансформатора одновременно. Переносимость таких обмоток обычно очень хорошая и не должно вызывать проблем.

9.Пример расчета выходного трансформатора клапана

В Разделе 1 я описал очень простой выходной каскад двухтактного клапана. Теперь пришло время изучить это немного подробнее. Мы будем использовать те же напряжения, которые были получены в основном описании раздела 1 — среднеквадратичное напряжение 707 В. Следует сказать, что нижеследующее не предназначено для точного представления клапанов, поскольку потери в реальной жизни несколько выше, чем указано здесь. Это только для примера. Мы также примем (типичные) потери равными 10% и соответствующим образом отрегулируем вторичный импеданс.

Для управления громкоговорителем 8 Ом требуется ламповый усилитель. Первичный импеданс (называемый импедансом «пластина-пластина» для двухтактного усилителя) составляет 6000 Ом, а напряжение питания — 600 В. Учитывая потери 100 В на каждом клапане, максимальное колебание напряжения на пластинах (анодах) клапанов составляет 1 кВ от пика до пика (или фактически 2 кВ от пика до пика на первичной обмотке трансформатора). Какая выходная мощность?

Сопротивление вторичной обмотки составит 7,2 Ом, исходя из 10% потерь…

Zs = 8 / 1,1 = 7,2 Ом

Сначала рассчитывается коэффициент импеданса …

Z = 6000 / 7,2 = 833

Теперь можно определить коэффициент поворотов.

N = √833 = 28,8 (29: 1)

Отношение напряжений такое же, как и отношение витков, поэтому пиковое напряжение динамика составляет

Вс (размах) = В (размах) / N = 2,000 / 29 = 69 В

Чтобы преобразовать это в RMS …

Вп = 1/2 Впик-пик = 34,5 В
RMS = пик × 0.707 = 24 В
Мощность, следовательно, 24² / 8 = 72 Вт

Обратите внимание, что при каждом вычислении числа округлялись до ближайшего (или следующего наименьшего) целого числа. Это было сделано для удобства, но то, как я это сделал, также дает консервативную оценку, которая с большей вероятностью будет соблюдена на практике.

Ой! Простите, что был немного противным для этого времени суток.

Немного неприятно или нет, это разумное представление о реальности конструкции выходного трансформатора, но, естественно, реальная (в отличие от моих «придуманных» цифр) будет заменена.Обычно потери на выпускных клапанах часто намного больше, чем указано здесь. но это зависит от используемых ламп (и топологии — триоды ведут себя совсем иначе, чем пентоды или тетроды).

Чтобы завершить этот раздел и представить вышесказанное, я включил несколько цифр (взятых из руководства «Технические данные Miniwatt» 1972 года) для силового пентода EL34 / 6CA7 — вполне возможно, что это самый любимый выходной клапан в мире.

Таблица 9.1 — Сокращенные данные для EL34 Power Pentode
Класс	Режим *	Пластина Вольт	Пластина Ток	Экран Вольт	Экран Ток	Сетка Смещение	Нагрузка Импеданс	Мощность Выход	Комментарии
Class-A	S-E	250	100	265	15	-13V	2,000	11 Вт	Питание пластины = 265 В, THD ** 10%
Класс AB	P-P	375	2 x 75 ## 2 x 95	365	2 х 11.5 2 x 22,5	-19V	3,400 (размах) #	35 Вт	Катодный резистор смещения 130 Ом, общий экранный резистор, 470 Ом, THD 5%
Класс-B	P-P	775	2 x 25 2 x 91	400	2 x 3,0 2 x 19	-39V	11000 (p-p)	100 Вт	Питание пластины, 800 В, THD 5%
Класс A (триод)	S-E	375	70	—	—	-25V	3000	6 Вт	Катодный резистор смещения 370 Ом, экран прикреплен к пластине, питание пластины 400 В, THD 8%
Class-AB (триод)	P-P	400	2 x 65 2 x 71	—	—	-28V	5000 (п-п)	16 Вт	Экран, прикрепленный к пластине, Катодный резистор смещения 220 Ом, THD 3%

* SE: односторонний, PP: двухтактный
** THD — полное гармоническое искажение (только для клапанов и не включает искажение трансформатора)
# pp: Сопротивление пластины к пластине
## Первая цифра — без нагрузки, вторая цифра — полная мощность

Как легко заметить, искажения конфигураций S-E намного хуже, чем у двухтактных версий.Не только это, но (для поддержания актуальности 🙂 трансформаторы больше и сложнее в разработке, и даже тогда они будут хуже, чем их двухтактные аналоги. В конфигурации с максимальной эффективностью выходная мощность составляет 100 Вт, а искажения все еще ниже, чем в любой из несимметричных конфигураций. Потери на выходном клапане в этом режиме составляют около 58 В, но, как и следовало ожидать, они значительно выше для любой из версий с катодным смещением.

Об этом мы поговорим в другой статье, посвященной конструкции ламповых усилителей.

10. Компромиссы

Очень важно, чтобы сердечник не насыщался (см. Ниже), поскольку не будет непрерывного синусоидального изменения магнитного потока, значительно уменьшится обратная ЭДС и будет потребляться чрезмерный ток — особенно без нагрузки. Окончательная конструкция любого трансформатора — это огромный компромисс, и существует тонкая грань между трансформатором, который обеспечивает приемлемое регулирование, и трансформатором, который становится слишком горячим, чтобы прикасаться к нему без нагрузки.

Как ни странно, плотность потока в сердечнике фактически уменьшается с увеличением тока нагрузки, потребляемого от вторичной обмотки.Несмотря на то, что первичная обмотка потребляет больше тока, она передается вторичной обмотке, а оттуда — нагрузке — , а не , вызывает увеличение плотности потока. Плотность потока уменьшается в основном из-за сопротивления первичной обмотки, что вызывает уменьшение эффективного первичного напряжения. Любое напряжение, потерянное из-за сопротивления (помните закон Ома?) — это напряжение, которое «теряется» в трансформаторе и не выполняет никакой функции в процессе преобразования. Это приводит к тому, что трансформатор становится горячим (или более горячим), чем при отсутствии нагрузки.Подробнее об этом см. В следующем разделе.

Также необходимо учитывать нормальные колебания напряжения сети. Трансформатор, работающий на самом пределе насыщения при номинальном напряжении питания, будет перегреваться, если сеть находится на верхнем (нормальном) пределе. Трансформатор, который предназначен для работы на пределе, будет иметь более высокое регулирование по сравнению с более консервативной конструкцией, но это не имеет большого значения, если он выйдет из строя при нормальной эксплуатации из-за перегрева.

Для аудиопреобразователей есть еще больше компромиссов.

11. Убытки

Как обсуждалось ранее, трансформатор является реальным компонентом и поэтому имеет потери. Они делятся на два основных типа, но есть и другие «скрытые» потери. Все потери снижают эффективность и влияют на частотную характеристику. Предел низкой частоты определяется индуктивностью первичной обмотки, которая пропорциональна площади (и, следовательно, массе) сердечника трансформатора. Высокочастотные потери вызваны вихревыми токами в сердечнике (см. Ниже), а также индуктивностью рассеяния и емкостью обмоток.

Ничто из этого не может быть устранено, но путем тщательного выбора материала сердечника, типа обмотки и эксплуатационных ограничений они могут быть уменьшены до такой степени, что трансформатор способен выполнять требуемую от него работу.

11,1 Потери железа (сердечника)

Потери в сердечнике частично являются результатом тока намагничивания, который должен заставлять магнитное поле в сердечнике реверсировать в соответствии с приложенным сигналом. Поскольку направление потока постоянно меняется, сердечник трансформатора подвержен явлению, называемому гистерезисом, как показано на рисунке 11.1

Рисунок 11.1 — Петля гистерезиса

Когда магнитодвижущая сила в магнитном материале меняется на противоположную, остаточный магнетизм (остаточная остаточная сила — в некоторых случаях также известный как остаточный) в сердечнике пытается оставаться в своем предыдущем состоянии, пока приложенный поток не станет слишком большим (коэрцитивная сила). Затем он изменится, и такая же ситуация будет повторяться дважды для каждого цикла подачи переменного тока. Мощность, необходимая для изменения направления потока, представляет собой гистерезисные потери, которые, хотя обычно невелики, все же остаются значительными.Я не собираюсь вдаваться в подробности по этому поводу, но поиск в Интернете, несомненно, даст больше информации, чем вам когда-либо понадобится.

Рисунок 11.2 — Кривая B-H

Как видно из двух чертежей магнитного поля, плотность потока (B) зависит от приложенной напряженности магнитного поля (H). В показанном примере «изгиб» кривой совпадает с точкой, в которой проницаемость начинает падать. Выше этого требуется все большее изменение магнитного поля для увеличения плотности потока.Это насыщение, и большинство трансформаторов предназначены для работы на уровне колена или ниже. Выше колена опасно, так как небольшое увеличение приложенного напряжения не приведет к требуемому увеличению обратной ЭДС, а первичный ток будет увеличиваться непропорционально увеличению напряжения. Другими словами, трансформатор будет слишком чувствителен к приложенному напряжению и, возможно, саморазрушится, если напряжение в сети будет даже немного выше нормального. Если такой трансформатор намотан на 60 Гц, но используется на 50 Гц, отказ неизбежен.

Рисунок 11.3 — Трансформатор в разрезе

Показанный трансформатор представляет собой трансформатор «разъемного бобинного» типа, имеющий отдельные секции для первичной и вторичной обмоток. Это уменьшает емкость между обмотками, а также обеспечивает защитный барьер между первичной и вторичной обмотками. Для некоторых приложений это единственный метод намотки, отвечающий стандартам безопасности. Также очень просто добавить электростатический экран между обмотками — плоская пластина из тонкого металла разрезается так, чтобы ее можно было надеть на бобину, а концы заизолированы, чтобы не образовывалось короткое замыкание.Он заземлен и предотвращает появление емкостных помех между обмотками. Для безопасности логично разместить экран на вторичной стороне делителя шпульки.

Кроме того, существуют так называемые «вихретоковые» потери. Это небольшие циркулирующие токи внутри магнитопровода, как показано (увеличено) на рисунке 11.4, и они вызывают нагрев самого материала сердечника. Каждая из этих вихретоковых петель действует как крошечный закороченный виток трансформатора, и для уменьшения этого эффекта сердечник ламинирован — т.е.е. изготовлены из тонких листов стали, изолированных друг от друга. Чем тоньше пластина, тем меньше потери на вихревые токи, но они никогда не исчезнут. Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, что требует применения различных методов работы на высоких частотах, и они вносят основной вклад в потери в стали в любом трансформаторе.

Рисунок 11.4 — Вихревые токи в слоях

Вихревые токи показаны для трех толщин ламинирования. Хотя это и не показано (для ясности), текущие контуры постоянно перекрываются, и их число фактически бесконечно.Толстые пластинки позволяют петлям быть больше, и поэтому секция ламинирования прорезается большим количеством магнитных силовых линий, поэтому токи (и потери) больше. Для высоких частот (выше 10 кГц), как правило, невозможно сделать пластинки достаточно тонкими, чтобы предотвратить чрезмерные потери, поэтому предпочтительны ферритовые материалы. По сути, они содержат огромное количество невероятно мелких магнитных частиц, все изолированные друг от друга, а вихретоковые петли действительно очень маленькие.Тем не менее, ферритовые материалы обычно рассчитаны на несколько сотен килогерц для силовых приложений, прежде чем потери снова станут слишком большими.

Потери в стали обоих типов являются основным источником потерь в любом трансформаторе, который работает без нагрузки или с небольшой нагрузкой. При отсутствии нагрузки магнитная индукция сердечника находится на максимальном значении для любой данной комбинации приложенного напряжения / частоты. Силовые трансформаторы обычно рассчитаны на работу ниже излома кривой насыщения (это важно для тороидальных типов) с достаточным запасом прочности, чтобы гарантировать, что сердечник никогда не может насыщаться.

Насыщение влечет за собой резкую потерю проницаемости (и, следовательно, индуктивности), и вызывает непропорциональный рост первичного тока с увеличением напряжения. Там, где можно было бы надеяться на красивую синусоидальную форму волны тока с низким уровнем искажений, значительное искажение формы волны тока происходит, когда ядро начинает насыщаться.

Поскольку нагрузка берется из вторичной обмотки, первичная обмотка должна обеспечивать больший ток, а это означает, что сопротивление первичной обмотки становится значительным.Любое «потерянное» напряжение на сопротивлении обмотки фактически больше не является частью приложенного напряжения, поэтому магнитный поток сердечника уменьшается.

Например, если сопротивление первичной обмотки составляет 5 Ом, а нагруженный первичный ток составляет 2 А при 230 В, 10 В теряется на сопротивлении обмотки, поэтому эффективное первичное напряжение уменьшается до 220 В. Это уменьшает ток намагничивания, но эффект не является линейным. Это во многом зависит от того, насколько близко к насыщению ядро работает без нагрузки, и разница может быть любой, от минимальной до значительной, в зависимости от конструкции.

11,2 Потери меди

Следуя предыдущему пункту, потеря напряжения на сопротивлении обмотки — это потери в меди, и все такие потери должны рассеиваться в виде тепла. Рассмотрим тот же трансформатор, что и выше, на холостом ходу с 230 В на первичной обмотке. Сопротивление первичной обмотки может составлять порядка 5 Ом (у трансформатора около 300 ВА), а ток холостого хода — около 20 мА. Потери определяются по формуле нормальной мощности и в этом случае составляют …

P = I² × R = 0.02² * 5 = 2 мВт
В = R × I = 5 × 0,02 = 100 мВ

Для всех целей и целей, к первичной обмотке подается полное 230 В. Когда трансформатор загружен, это меняется. Предположим, что первичный ток 2А и снова посмотрим на цифры …

P = I² × R = 2,00² × 5 = 20 Вт
V = R × I = 5 × 1,00 = 10 В

Теперь эффективное первичное напряжение составляет всего 220 В, потому что 10 В «теряется» из-за сопротивления обмотки. Естественно, что чем ниже напряжение, тем меньше должна быть и плотность потока.Мощность, потерянная в первичной обмотке, должна рассеиваться в виде тепла, чтобы трансформатор начал нагреваться. Помните, что во вторичной обмотке будут дополнительные потери, которые добавят тепла, которое необходимо рассеять.

Сведение к минимуму потерь в меди как в первичной, так и во вторичной обмотке имеет важное значение, но есть пределы того, что может быть достигнуто. Они определяются доступным пространством для обмотки и тем, сколько меди производитель может поместить в это пространство. По-прежнему необходимо учитывать допуски на изоляцию и изготовление.

Вы можете увидеть, что на рисунке 11.3 обмотки показаны сложенными друг на друга. Несомненно, более эффективная намотка может быть получена, если использовать «впадины», минимизировать высоту намотки и допустить более тяжелые обмотки. Ах, если бы жизнь была такой простой! Обмотки традиционно выполняются слева направо, затем справа налево, поэтому витки в каждом слое находятся под небольшим углом относительно слоя ниже или выше. Следовательно, невозможно использовать межвитковые впадины обмоток должным образом, и если бы вы намотали трансформатор на основе ошибочного предположения, что это будет работать, готовая обмотка не поместится в окно.

Для нормальной многоуровневой конструкции (т.е. первичная обмотка ближе всего к сердечнику, а вторичная сверху) мы также должны предусмотреть изоляцию между первичной и вторичной обмотками, а в некоторых случаях дополнительная изоляция используется между слоями более крупных трансформаторов из-за большая разница напряжений между внешними пределами каждой обмотки. Это еще один набор компромиссов, которые необходимо сделать, и все они означают, что обмотки должны быть тоньше, чем нам хотелось бы, и, таким образом, потери увеличиваются.

Поскольку любая длина провода имеет сопротивление, всегда будет сопротивление обмотки. Чем больше сопротивление для данного тока, тем больше мощности рассеивается в виде тепла — это полная потеря. При отсутствии нагрузки (при отсутствии насыщения) потери практически отсутствуют, поскольку токи малы, но с увеличением вторичного тока также увеличиваются потери в меди.

11.2.1 Плотность тока

Плотность тока, допустимая для медных обмоток, может варьироваться.Плотность тока относится к току в амперах на единицу площади провода, например 2,565 А / мм² (эталонный стандарт, используемый в Австралии и, предположительно, в других местах). Увеличение плотности тока имеет серьезный эффект — оно заставляет провод становиться более горячим для данного тока. В распределительных трансформаторах большой мощности необходимо учитывать боковые силы, вызываемые магнитными полями, возникающими между каждым витком, особенно в условиях короткого замыкания, когда силы могут быть разрушительными. Не существует такого понятия, как «типичная» плотность тока, потому что разные производители используют разные критерии проектирования.В общем, лучше поддерживать плотность тока ниже 3,0 А / мм², а еще лучше — 2,5 А / мм². Естественно, более низкая плотность тока означает, что трансформатор больше и тяжелее, чем трансформатор, работающий с высокой плотностью, и, в конечном итоге, все это является компромиссом против повышения температуры и стоимости.

Для многих трансформаторов, используемых в аудио, часто можно ожидать, что плотность тока будет несколько выше, чем можно было бы ожидать. Это связано с тем, что не требуется исключительно высокая эффективность, а потребность в материале обычных музыкальных программ имеет довольно низкое среднее значение.В результате трансформаторы для усилителей мощности (например) редко работают при длительной полной нагрузке — они с большей вероятностью будут работать с кратковременными перегрузками, но, возможно, при 50% полной нагрузке на долгосрочной средней основе при работе на начало отсечения с «типовым» программным материалом.

Я сделал несколько измерений трансформаторов, которые у меня есть под рукой, и обнаружил, что, в частности, с тороидалами наблюдается общая тенденция. Плотность тока первичной обмотки сравнительно низкая, в среднем около 2.1 А / мм², в то время как все вторичные обмотки использовали гораздо более высокую плотность тока — около 4,8 А / мм². Это имеет смысл, потому что вторичная обмотка находится снаружи и имеет преимущество лучшего охлаждения, чем первичная. Первичная обмотка может отводить тепло только от через вторичную обмотку , которая стоит между обмоткой и охлаждающим воздухом. Это может быть меньше проблем с ядрами E-I, потому что само ядро действует как радиатор (хотя и не очень эффективный).

Небольшие трансформаторы, вероятно, будут работать при более высоких плотностях тока, чем более крупные, и это отражается в том факте, что они становятся более горячими и (почти всегда) хуже регулируются.Плотность тока до 3,5 А / мм² характерна для некоторых небольших трансформаторов. Одна из причин этого заключается в том, что становится чрезвычайно трудно уместить необходимое количество витков в отведенное пространство. Основная причина заключается в том, что требования к изоляции не меняются, поэтому изоляция занимает больший процент пространства обмотки у небольших трансформаторов, чем у более крупных.

Гитарные усилители (и любые другие, которые регулярно работают с сильными искажениями) должны иметь трансформатор, рассчитанный на , по крайней мере, на удвоить номинальную выходную мощность 10% THD.Таким образом, для номинального усилителя мощностью 100 Вт необходим трансформатор на 200 ВА как минимум. Это особенно важно для ламповых усилителей, поскольку они уже работают в более горячей, чем обычно, окружающей среде из-за тепла от самих вентилей. К сожалению, это регулярно игнорируется, в результате чего некоторые усилители имеют репутацию сгорающих сетевых трансформаторов.

Обратите внимание, что скин-эффект можно игнорировать для трансформаторов частоты сети (50/60 Гц), но это серьезная проблема для высокочастотных переключающих трансформаторов.Они здесь не рассматриваются — информация в этой статье основана почти исключительно на трансформаторах, используемых на низких частотах, где скин-эффект практически не влияет.

Потери в меди являются основным источником потерь при любой значительной мощности трансформатора. Обычные выпрямители, используемые в источниках питания для полупроводниковых усилителей, приводят к тому, что сопротивление становится более значительным, чем могло бы быть в противном случае. См. «Конструкция линейного источника питания» для получения более подробной информации об этих потерях, из-за которых регулирование оказывается намного хуже, чем ожидалось.

В конечном итоге потери в меди ограничивают мощность, доступную от трансформатора. Поскольку все потери в меди приводят к нагреву, это становится ограничивающим фактором, поэтому, как только вы достигнете точки, когда повышение температуры не может быть ограничено до безопасного значения, размер сердечника необходимо увеличить. Это позволяет производителю использовать меньше витков на вольт, а на сердечнике большего размера остается больше места для обмоток. Таким образом, размер провода может быть увеличен, так что потери в меди доведены до точки, при которой перегрев больше не является проблемой.Этот процесс продолжается от самых маленьких трансформаторов до самых больших — каждый размер определяется номинальной мощностью в ВА и допустимым превышением температуры.

Сохранять трансформатор как можно более прохладным — это всегда хорошая идея. При повышенных температурах срок службы изоляции сокращается, а сопротивление также увеличивается, поскольку медь имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Когда трансформатор нагревается, его сопротивление увеличивается, увеличивая потери. Это (естественно) приводит к большим потерям, из-за которых трансформатор становится сильнее.Существует реальный риск резкого сокращения срока службы (или даже локального теплового разгона «горячей точки»), если какой-либо трансформатор сдвинуть слишком далеко — особенно при недостаточном (или заблокированном) охлаждении.

Обычно считается, что у любого трансформатора одна часть обмотки (по разным причинам) более горячая, чем остальные. Также существует практическое правило: ожидаемый срок службы изоляции (помимо прочего) уменьшается вдвое на каждые 10 ° C (некоторые заявляют, что она составляет всего 7 ° C) повышения температуры.Когда эти два фактора объединяются, становится очевидным, что любой трансформатор, работающий при постоянно высокой температуре, в конечном итоге выйдет из строя из-за пробоя изоляции. Вероятность того, что это произойдет с домашней системой, мала, но это постоянный риск для трансформаторов распределения питания. Несмотря на все это, трансформаторы с сердечником из железа сети обычно дольше, чем продукт, в котором они работают, и даже переработанные трансформаторы могут легко пережить свое второе или третье воплощение. Когда трансформатору исполнилось 50 лет, я предлагаю заземлить шасси, поскольку в этом возрасте больше нельзя доверять изоляции.

Вентиляторное охлаждение может значительно увеличить эффективную номинальную мощность трансформатора, но не улучшает регулирование. Распределительные трансформаторы большой мощности почти всегда охлаждаются маслом, и теперь они начинают использовать растительные масла, потому что они менее склонны к возгоранию и оказывают минимальное воздействие на окружающую среду в случае утечки охлаждающей жидкости или другой серьезной неисправности.

11.2.2 Эффект кожи и близости

Скин-эффект хорошо известен (и используется производителями кабеля из змеиного масла), но не имеет отношения к звуковым частотам.С трансформаторами импульсного источника питания это реальная проблема, и наиболее распространенный способ минимизировать влияние — использовать параллельно несколько небольших (изолированных) проводов, обычно связанных и скрученных в одну веревочную прядь. Этот провод обычно называют лицевым, и его использование снижает потери на скин-эффект, поскольку жгут проводов имеет сравнительно большую площадь поверхности (или «кожи»).

Обычно вы не слышите много (если вообще слышите) о так называемом эффекте близости, но он относится к (часто хаотическому) нарушению тока в проводнике, когда этот проводник погружен в сильное магнитное поле.Для небольших трансформаторов (возможно, ниже 2 кВА) мало доказательств того, что это вызывает какие-либо проблемы, но в более крупных трансформаторах он может вызвать локальный нагрев, потому что ток заставляет использовать гораздо меньшее поперечное сечение провода, чем ожидалось. Использование проволоки Litz снова снижает эффект близости и может иметь решающее значение для предотвращения отказа. Эффект близости может снизить токопроводящую способность гораздо более резко, чем скин-эффект, и на гораздо более низких частотах.

Таким образом, эффект близости может вызвать локальные тепловые проблемы «горячей точки», которые ухудшают изоляцию и в конечном итоге вызывают отказ.Это особенно проблематично, когда ток трансформатора сильно искажен, и это всегда происходит, когда трансформатор используется с мостовым выпрямителем и фильтрующими конденсаторами.

Несмотря на вышесказанное, почти наверняка будет обнаруживаться незначительный локальный нагрев, но, как уже отмечалось, это вряд ли приведет к сокращению срока службы любого трансформатора, используемого для аудио или других приложений, которые представляют интерес для любителей или типичных коммерческих продуктов. Учитывая легендарную надежность трансформаторов, большинство из которых прослужат дольше, чем продукт, эффект близости, похоже, никогда не приводил к преждевременному выходу из строя.Большинство отказов трансформатора являются результатом гораздо более повседневных злоупотреблений, таких как постоянная длительная перегрузка.

Однако эффект близости не вызывает отказов в больших распределительных трансформаторах, а также приводит к отказу двигателя. Эти сбои почти всегда связаны с сильно искаженной формой сигнала сетевого тока и могут быть локализованы в отдельной промышленной установке. Я предлагаю читателю не беспокоиться об этом — вы даже не знали об этом до сих пор.

11.3 Постановление

Потери в меди отвечают за регулирование трансформатора — отношение напряжения без нагрузки к полной нагрузке. Регулирование почти всегда определяется резистивной нагрузкой, что, учитывая то, как почти все используют трансформаторы, практически бесполезно. Редко, когда какой-либо трансформатор работает с чисто резистивной нагрузкой — подавляющее большинство будет использоваться с выпрямителем и фильтрующими конденсаторами, и данные производителя ничего не стоят.На самом деле, это хуже, чем бесполезно, поскольку это вводит в заблуждение непосвященных, ожидая большего напряжения, чем они получат под нагрузкой, и вызывает у людей горе, когда они пытаются выяснить, почему их усилитель (например) выдает меньше энергии, чем ожидалось.

Естественно, есть люди, для которых любое измерение является кощунством, поэтому к ним все это не относится.

Выходное напряжение (почти) всегда указывается при полной нагрузке в сопротивлении. Таким образом, трансформатор на 50 В и 5 А даст выходное напряжение 50 В при синусоидальном выходном токе 5 А.Если регулировка этого трансформатора составляла 4%, какое напряжение холостого хода?

Ответ 52В. Регулировка определяется довольно просто по формуле …

Рег.% = (V _N — V _L) / V _L × 100/1

Где В _N — напряжение холостого хода, а В _L — напряжение нагрузки.

Как было определено ранее, это предполагает синусоидальный выходной ток, а этого просто не происходит с нагрузкой выпрямителя / фильтра.Можно обнаружить, что этот же трансформатор имеет кажущееся регулирование от 8 до 10% при питании такой нагрузки. См. Дополнительную информацию по этой теме в разделе «Проектирование линейных источников питания» (нет смысла повторять эту статью дважды 🙂

Регулирование нагрузки выпрямителя — сложная тема, но вам нужно будет знать последствия, прежде чем вы начнете создавать свой последний шедевр, а не выяснять позже, что вся ваша работа привела к гораздо более низкой выходной мощности, чем вы ожидали.Не то чтобы вы могли изменить его для любого данного трансформатора, но, по крайней мере, вы будете знать, чего ожидать.

Чтобы получить полное представление о регулировании, требуется гораздо больше информации, чем я могу предоставить на простой веб-странице, но решающим фактором является правильный баланс сопротивлений обмоток. Если вы делаете свой собственный трансформатор, вы, конечно, сделаете это, но будет ли производитель (на «Дальнем Востоке») беспокоиться? Я не собираюсь обсуждать этот вопрос. Если мы определим из спецификации, что регулирование составляет (скажем) 6% для трансформатора разумного размера (около 500 ВА), мы сможем решить все, что нам нужно знать.

Зная регулировку и напряжение, мы можем рассчитать эффективное сопротивление обмотки. Трансформатор на 50 В с регулировкой 6% даст нам 53 В без нагрузки, а 500 ВА при 50 В означает 10 А — все очень просто. Мы теряем 3В при полном токе, поэтому полное эффективное сопротивление обмотки должно быть …

R _w = V / I = 3/10 = 0,3 Ом

Половина этого сопротивления находится во вторичной обмотке, а другая половина отражается от первичной обмотки в зависимости от соотношения импедансов.Как вы помните, это квадрат отношения напряжений. Если предположить, что первичное напряжение 230 В, выходное напряжение 50 В при 10 А, мы уже знаем, что выходное напряжение без нагрузки составляет 53 В. Соотношения витков и импеданса (TR и ZR соответственно) равны …

TR = V _IN / V _OUT = 230/53 = 4,34: 1
ZR = TR² = 4,34² = 18,83: 1

Зная это, мы можем определить оптимальное сопротивление обмотки для каждой обмотки.Поскольку половина сопротивления отражается от первичной обмотки (R _p), вторичное сопротивление (R _s) составляет 0,15 Ом, что составляет половину от общего. Первичное сопротивление должно быть …

R _p = R _s × ZR = 0,15 × 18,83 = 2,82 Ом

Исходя из всего этого, теперь разработчик может определить подходящий калибр провода для количества витков, необходимых для размера сердечника. В идеальном случае резистивные (медные) потери должны быть как можно ближе к одинаковым для обеих обмоток, и поэтому мы рассчитали сопротивление.При полной нагрузке рассеивание (потери в меди) составляет 15 Вт для каждой обмотки (почти точно) при полной нагрузке. Таким образом, полное рассеивание составляет 30 Вт, а КПД трансформатора составляет 94,3% …

Eff (%) = P _Out / P _tot × 100/1 = 500/530 × 100/1 = 94,34%

Это может быть не сразу очевидно, но есть очень веская причина для сохранения равных потерь в первичной и вторичной меди. Любой сердечник имеет ограниченное пространство для обмоток, и это пространство необходимо использовать с максимальной эффективностью.Отсюда следует, что если одна обмотка толще, чем необходимо, другая должна быть тоньше, чтобы поместиться в отведенном пространстве. Это неизменно приводит к общим потерям, которые больше, чем в случае, если бы сопротивление было оптимизировано, как описано. В случае тороидальных трансформаторов есть веская причина поддерживать потери в первичной обмотке ниже , чем потери во вторичной обмотке, поскольку первичная обмотка удерживается внутри вторичной обмотки, и тепло может уходить только через внешние слои. Тороидальный сердечник тоже не работает как радиатор, потому что он находится внутри всех обмоток.

Таблица 11.1 — Типовые характеристики тороидального трансформатора
ВА	Reg%	R _p Ом — 230 В	R _p Ом — 120 В	Диаметр	9005	Диаметр	Высота 9004 кг)
15	18	195 — 228	53 — 62	60	31	0,30
30	16	89-105	24-28	70	32	0.46
50	14	48-57	13-15	80	33	0,65
80	13	29-34	7,8 — 9,2	93	38	0,90
120	10	15-18	4,3 — 5,0	98	46	1,20
160	9	10-13	2.9 — 3,4	105	42	1,50
225	8	6,9 — 8,1	1,9 — 2,2	112	47	1,90
300	7	4,6 — 5,4	1,3 — 1,5	115	58	2,25
500	6	2,4 — 2,8	0,65 — 0,77	136	60	3,50
625	5	1.6 — 1,9	0,44 — 0,52	142	68	4,30
800	5	1,3 — 1,5	0,35 — 0,41	162	60	5,10
1000	5	1,0 — 1,2	0,28 — 0,33	165	70	6,50

Сопротивление первичной обмотки для всех примеров в приведенной выше таблице было рассчитано с использованием показанного метода — это значение редко предоставляется производителями.Сопротивление указано для первичной обмотки 230 В и 120 В. Знание основ на этом уровне часто очень удобно — вы можете определить приблизительную номинальную мощность трансформатора в ВА, просто зная его вес и первичное сопротивление. Сопротивление вторичной обмотки можно рассчитать исходя из сопротивления первичной обмотки и отношения витков. Результат, полученный при использовании номинального коэффициента трансформации (на основе заявленных первичных и вторичных напряжений), достаточно точен для большинства целей. Как видно из представленного диапазона, сопротивление первичной обмотки может быть на 15% ниже, чем рассчитано для уменьшения плотности тока в первичной обмотке.(См. В разделе Повторное использование трансформаторов другую таблицу, охватывающую более широкий диапазон номиналов ВА.)

Возьмем снова пример 500 ВА и предположим, что первичная обмотка 230 В и двойная вторичная обмотка 50 В (всего 100 В), общее вторичное сопротивление составляет …

TR = V _p / V _s = 230/100 = 2,3
ZR = TR² = 5,29

Если сопротивление первичной обмотки составляет 2,8 Ом (из таблицы), то сопротивление вторичной обмотки должно быть примерно …

R _s = R _p / ZR = 2.8 / 5,29 = 0,53 Ом

Сопротивление каждой половины вторичной обмотки, естественно, составляет половину от общего.

Примечание: Из-за общепринятой практики использования разных плотностей тока для внутреннего (первичного) и внешнего (вторичного) проводов это немного исказит показанные здесь цифры. Цифры, определенные выше, основаны на теоретическом «идеальном» случае, но это редко воплотится в реальность из-за неизбежных «ложных факторов», которые применяются к частям реального мира.Основные тесты, которые я провел, показывают, что приведенные выше цифры более чем удовлетворительны для быстрой проверки ожидаемых сопротивлений. Основное правило: следует ожидать, что первичное сопротивление будет немного меньше расчетного, а вторичное сопротивление будет немного выше.

11.4 Прочие потери, эквивалентная схема

Поскольку трансформатор не является идеальным устройством, он имеет нежелательные свойства, кроме описанных выше потерь. Другие потери относительно незначительны для силового трансформатора, но становятся трудными для управления трансформаторами, предназначенными для широкой полосы пропускания, такими как трансформаторы микрофонов и выходные трансформаторы вентилей.

Стандартная эквивалентная схема не не включает в себя зависящие от частоты сбои, такие как скин-эффект или эффект близости. Он также не включает никаких средств для моделирования нелинейного тока намагничивания в силовом трансформаторе. Таким образом, он ограничен общим моделированием трансформаторов малых сигналов, выходных трансформаторов ламповых усилителей (но только на низких уровнях и / или более высоких частотах) и т.п. Хотя его все еще можно использовать с силовым трансформатором, результаты, как правило, бесполезны.Силовые трансформаторы обычно требуют измерений для подтверждения общей производительности, и нас интересуют только низкие частоты — 50 Гц и 60 Гц.

Рисунок 11.5 — Упрощенная эквивалентная схема трансформатора

Эквивалентная схема, показанная на рис. 11.5, сильно упрощена, но служит для иллюстрации. Поскольку обмотки обычно многослойные, между каждым слоем и даже каждым витком должна быть емкость (C1 и C2). Это вызывает фазовые сдвиги на высоких частотах, а на некоторой частоте трансформатор будет «саморезонансным».Это не проблема с силовыми трансформаторами, но действительно вызывает затруднения, когда требуется широкополосный аудиопреобразователь.

Кроме того, некоторое магнитное поле не может оставаться в самом сердечнике. Это создает индуктивность «рассеяния» (L _L), которая эффективно включена последовательно с трансформатором. Хотя он и небольшой, он имеет тенденцию влиять, в частности, на высокие частоты, и особенно проблематичен для выходных звуковых трансформаторов. Обычно это измеряется с помощью измерителя индуктивности при коротком замыкании выходной обмотки.Любая появляющаяся индуктивность является прямым результатом потока рассеяния.

Lp — это первичная индуктивность, и, как вы можете видеть, есть резистор, включенный параллельно (Rp). Он представляет собой фактический импеданс (без нагрузки), подаваемый на источник входного напряжения, и моделирует потери в стали. Последовательное сопротивление (Rw) — это просто сопротивление обмотки, и оно отражает потери в меди, как описано выше.

C _p-s — это межобмоточная емкость, а для силовых трансформаторов может быть основным источником шума на выходе.Это особенно неприятно, когда трансформатор питает систему Hi-Fi, и шум от сети проникает через него и издает ужасные щелчки, электронные «пукания», завывание электродвигателя и различные другие нежелательные шумы в музыке. Тороидальные трансформаторы в этом отношении намного хуже обычных трансформаторов (E-I) из-за большой площади каждой обмотки. Электростатический экран практически устраняет такие шумы, но они дороги и необычны для тороидов (к сожалению).

Эта проблема всегда существует, когда емкость между первичной и вторичной обмотками велика — электрические помехи в первичной обмотке связаны емкостным образом от первичной к вторичной.Как отмечалось выше, в крайних случаях это может привести к тому, что сетевой шум пройдет через весь блок питания и попадет в усилитель. Электростатический экран очень эффективен, и он заземлен. Обратите внимание, что экран нельзя соединить по полному кругу вокруг обмотки, так как это приведет к закоротке витка, что приведет к сильному току и сожжению трансформатора.

Существует метод, который используется для выходных трансформаторов вентилей, показанный на рисунке 11.6 — вы не найдете этот метод, используемый в силовых трансформаторах, поскольку он совершенно не нужен и значительно увеличивает емкость первичной и вторичной обмоток.

Рисунок 11.6 — Перемежающаяся обмотка для расширенного высокочастотного отклика

Уловка с обмоткой трансформаторов для минимизации индуктивности рассеяния обмотки и собственной емкости называется «чередованием», но это приводит к гораздо большей межобмоточной емкости. Наиболее распространенный способ выполнения обмотки с чередованием обмоток — это использование многосегментной обмотки, как показано на чертеже в разрезе на рис. 11.6. Этот тип обмотки является (или был) довольно распространенным для высококачественных выходных трансформаторов клапанов, и расширение частоты в верхней части звукового спектра очень заметно.

Емкость между первичной и вторичной обмотками может стать проблемой при использовании этого метода, и хотя это возможно, электростатический экран (на самом деле может потребоваться несколько электростатических экранов) значительно увеличивает стоимость, но дает минимальную общую выгоду. Этот метод намотки не используется (или не требуется) с низкочастотными силовыми трансформаторами и приведет к значительному снижению электробезопасности из-за сложности изоляции каждой секции от следующей. Та же проблема существует и с выходным трансформатором, но ее легче контролировать, потому что одна сторона вторичной обмотки заземлена, а внутренний постоянный ток уже изолирован от сети.

11,5 Температурные классы

Сумма всех потерь увеличивает температуру трансформатора. Изоляционные материалы (проволочная эмаль, межслойная изоляция, формирователи и / или бобины, намотка ленты и т. Д.) Имеют ограничения по максимальной безопасной температуре. Неудивительно, что высокотемпературные материалы значительно дороже, чем материалы с более низкими температурами, и, как всегда, существует компромисс (компромисс) между минимизацией потерь на холодный ход или уменьшением размера и веса за счет больших потерь. и более высокая температура эксплуатации.

Существует несколько международно признанных температурных классов, а также один, признанный властями, но обозначение класса не является общепринятым. Температура указывается либо как абсолютный максимум, либо как повышение температуры, либо как и то и другое. Стандартные классы …

Таблица 11.2 — Температурный класс изоляции
Класс	Макс. Темп.	Повышение температуры
A	105 ° C	60 ° C
E	120 ° C	75 ° C
B	130 ° C	80 ° C
F	155 ° C	100 ° C
H	180 — 200 ° C	125 ° C
C (не глобально *)	220 ° C	160 ° C

* Класс C не является общепризнанным классом, но 220 ° C допускается несколькими мировыми стандартами.

Используемые трансформаторы неизбежно нагреваются, и разработчик оборудования должен убедиться, что класс изоляции достаточен для надежной работы в течение всего срока службы оборудования. Если не указано иное, можно ожидать, что почти все имеющиеся в продаже трансформаторы, предназначенные для использования в домашних условиях, будут относиться к Классу A (максимальная температура 105 ° C).В любом случае более высокие температуры не рекомендуются по той простой причине, что наличие трансформатора с температурой (скажем) 100 ° C будет передавать свое тепло транзисторам, электролитическим конденсаторам и всем другим компонентам шасси. Уже по этой причине выбор трансформатора большего размера, чем необходимо, не только снижает температуру, но и улучшает регулирование.

11.6 Напряжение и частота

Все силовые трансформаторы рассчитаны либо на определенное входное напряжение и частоту, либо на ограниченный диапазон.Часто используются двойные первичные обмотки, которые позволяют пользователю подключать обмотки последовательно или параллельно, как показано на рис. 8.1, но на первичной обмотке, а не на вторичной. Наиболее распространенная конфигурация состоит из двух обмоток, каждая рассчитана на 120 В. Для сети 120 В они подключаются параллельно, а для 230/240 В.

Иногда первичные обмотки рассчитаны на 115 В. каждая. Это давно стало проблемой в США, и в течение многих лет никто не мог точно сказать, будет ли напряжение 110, 115, 117 или 120.Согласно стандартам США номинальное напряжение сети в США и Канаде составляет 120 В, но, как и везде, оно варьируется в зависимости от места и времени суток. Все силовые трансформаторы должны быть намотаны, чтобы учесть это неизбежное изменение. (Обратите внимание, что в США также используется «двухфазная» система, обеспечивающая 240 В при 60 Гц — это , а не , как при использовании двух фаз трехфазного соединения, где напряжение составляет 208 В при 60 Гц.)

В то время как сейчас распространены только две обмотки, раньше трансформаторы имели несколько ответвлений на первичной обмотке или использовали несколько обмоток, которые могли быть соединены часто таинственным образом с использованием сложной системы переключения.Они все еще существуют, но в основном как предметы утилизации. Предлагаемый диапазон напряжений был предназначен для охвата любой точки мира, но также мог привести к неправильному предположению и сгоранию предохранителей (или сгоревшему трансформатору).

В конечном счете, заявленное напряжение трансформатора проверить легче всего — номинальные значения на паспортной табличке всегда верны. Я никогда не видел трансформатора, который заявлял бы, что он составляет 230 В (или другое напряжение), который не работал бы должным образом при этом напряжении. Еще большее беспокойство вызывает рейтинг частоты.Обычно это утверждается, но иногда это сбивает с толку непосвященных.

Трансформатор, рассчитанный на 50 Гц, можно использовать в любой точке мира — он будет отлично работать на 60 Гц. Однако не соответствует действительности . Трансформатор, разработанный специально для 60 Гц, будет перегреваться при 50 Гц, даже если напряжение правильное! Это не совсем понятно и приводит к огромному объему трафика в Usenet и на страницах форумов повсюду. Ответ довольно прост — 60 Гц на 20% больше, чем 50 Гц, поэтому количество сердечников и витков на вольт можно уменьшить до 20% по сравнению с трансформатором 50 Гц того же номинала.

Следовательно, трансформатор, который был разработан для 60 Гц при 220/230 В (Филиппины, Южная Корея и некоторые другие используют эту комбинацию ^[Ref]), имеет меньший сердечник и меньше витков, чем трансформатор 50 Гц с идентичным номиналом. В результате он, скорее всего, выйдет из строя при 220 В при 50 Гц. Работа силового трансформатора 60 Гц при 50 Гц — это точно , то же самое, что работа трансформатора на его номинальной частоте, но с повышением напряжения на 20%. Если вам абсолютно необходимо использовать трансформатор 60 Гц при 50 Гц, вы должны уменьшить сетевое напряжение от номинального значения (например, 230 В) на 20% (184 В).Это большое падение, и оно превышает нормальные допуски на колебания в сети, которые предусмотрены в правильно спроектированных цепях.

Неспособность снизить напряжение приведет к сильному насыщению трансформатора, и он может легко потреблять половину своей номинальной ВА (или более) на холостом ходу из-за чрезмерного тока намагничивания, вызванного насыщением сердечника. Излишне говорить, что вторичное напряжение также будет снижено на такой же процент. Свидетельства текущего увеличения из-за насыщения активной зоны см. В следующем разделе (в частности, на Рисунке 12.1.1).

Эксплуатация трансформатора 60 Гц при частоте 50 Гц фактически то же самое, что увеличение напряжения сети на 20%, но обратите внимание, что , а не означает, что вторичное напряжение увеличивается. Для трансформатора 230 В это то же самое, что и при 60 Гц, но при напряжении питания 276 В. Сердечник будет серьезно насыщен, и ток намагничивания резко возрастет.

Если силовой трансформатор предназначен для лампового усилителя, необходимо соблюдать осторожность, поскольку нагреватели клапанов будут работать от напряжения ниже нормального (6.3 В будет только 5 В) и может не достичь надлежащей рабочей температуры. Выходная мощность также снижается, а уменьшение напряжения на 20% приведет к уменьшению максимальной мощности с (скажем) 100 Вт до 64 Вт, что составляет чуть менее 2 дБ. Это также означает, что все нерегулируемые поставки предусилителей будут на 20% меньше. С регулируемыми источниками питания этого падения может быть достаточно, чтобы микросхемы регулятора пропустили выпрямленное сетевое жужжание в сигнальные цепи.

Информацию о том, как можно уменьшить напряжение питания (в данном случае на 46 В), см. В статье Понижающие трансформаторы.Хотя описанные методы, безусловно, работают, другие компромиссы, на которые вам придется пойти, почти наверняка означают, что трансформатор необходимо будет заменить для сохранения исходных характеристик.

Если у вас есть трансформатор, рассчитанный на 240 В при 50 Гц и вы хотите использовать его при более низком напряжении и / или 60 Гц, то проблем нет. При использовании при 120 В 60 Гц трансформатор будет работать с исключительно низким током намагничивания, но вторичные напряжения, очевидно, будут уменьшены вдвое. Хотя максимальный номинальный ток остается прежним, регулирование будет хуже, чем при намотке трансформатора для сети 120 В, потому что сопротивление обмотки выше.

Короче говоря, вы можете управлять …

Трансформатор 50 Гц при 60 Гц без потери производительности при правильном напряжении
Трансформатор 50 Гц при 60 Гц при напряжении питания до 20% выше номинального значения, указанного на паспортной табличке
трансформатор на любое напряжение ниже номинального, указанного на паспортной табличке. Нет никаких ограничений, кроме установленных здравым смыслом
Трансформатор 60 Гц при 50 Гц, при условии, что напряжение питания на 20% ниже номинального напряжения

Аналогично, не может управлять файлом…

Трансформатор 60 Гц при 50 Гц при полном номинальном напряжении
трансформатор при любом напряжении выше номинального, указанного на паспортной табличке, если только тщательные испытания не покажут, что это будет безопасно (маловероятно)

Обратите внимание, что я просто принял 20% в обоих направлениях (от 50 Гц до 60 Гц и от 60 Гц до 50 Гц), хотя ясно, что уменьшение с 60 Гц до 50 Гц на самом деле составляет 17%. Не стесняйтесь думать о дополнительных 3% как о запасе прочности.

12. Образцы измерений

Я измерил характеристики небольшого набора трансформаторов, чтобы дать некоторые сравнительные данные.Я исключил регулирование из этого правила, так как трудно сделать подходящую переменную нагрузку, и нагрузки имеют тенденцию сильно нагреваться даже при непродолжительном использовании. Большинство производителей предоставят эту информацию в своих спецификациях, но имейте в виду, что это относится к резистивной нагрузке, и регулирование будет намного хуже при питании обычного выпрямителя и фильтрующего конденсатора (см. Выше и статью о конструкции источника питания для более подробной информации ). Также стоит отметить, что измеритель индуктивности часто мало используется с большими трансформаторами с железным сердечником, если только он не работает с синусоидальной формой волны на (или около) расчетной частоте трансформатора.Показанные индуктивности рассчитаны, так как значения, измеренные моим измерителем, были очень далекими.

Имейте в виду, что указанное значение индуктивности является номинальным, основанным на токе намагничивания (который на самом деле искажается для большинства трансформаторов), и намного ниже реального значения. Он включен только в качестве ориентира — фактическое значение будет намного выше, но только при более низком первичном напряжении, которое гарантирует, что ядро не приблизится к насыщению. Производители не предоставляют эту цифру, потому что в реальном мире она бессмысленна.

Таблица 12.1 Характеристики трансформаторов
Тип	Номинал	Индуктивность	Сопротивление	Оборотов / Вольт	Намагничивание	Потери в сердечнике	Реактивное сопротивление	Масса (кг)
Тороидальный	500 ВА	34,7 H	2R4	2	22 мА	5,28 Вт	10.91 кОм	5,0
Тороидальный	300 ВА	63 H	5R1	3	12 мА	2,88 Вт	20 кОм	2,7
E-I	200 ВА	4,36 H	6R6	2	175 мА	42 Вт	1,37 кОм	3,2

Тороидалы — явные победители, в частности, с точки зрения потерь в сердечнике, но следует сказать, что испытанный трансформатор E-I не является репрезентативным для большинства.Это один из немногих оставшихся, которые я специально сделал для своего дизайна, и они были специально разработаны, чтобы раздвинуть пределы насыщения ядра. Эти трансформаторы довольно сильно нагреваются без нагрузки, но обеспечивают гораздо лучшее регулирование, чем более консервативная конструкция — подавляющее большинство таких трансформаторов. На самом деле они были разработаны, чтобы работать чуть выше «изгиба» кривой B-H для используемых пластин, и, хотя и несколько рискованно, ни один из них не отказал (насколько мне известно) с тех пор, как они были сделаны около 20 лет назад.Я использую пару из них в своей системе Hi-Fi, которая используется ежедневно уже 10 лет. Идея создания подобных трансформаторов возникла у меня давно, когда я делал свои собственные трансформаторы для гитарных и басовых усилителей. В то время я провел несколько тестов и обнаружил, что, немного надавив на сердечник, я мог бы сделать трансформатор с гораздо лучшим регулированием, чем все, что я мог бы купить у любого из существующих производителей. У меня никогда не было выхода из строя трансформатора.

Стоит также отметить, что масса ниже, чем у трансформатора более «традиционной» конструкции — ожидается, что обычная конструкция с такой же номинальной мощностью весит около 5 кг.

Рисунок 12.1 — Зависимость тока от напряжения для трансформатора E-I

Чтобы довести свои измерения до логического предела, я измерил ток намагничивания своего образца трансформатора E-I. Посмотрите внимательно на график на рисунке 12.1, и вы увидите типичную кривую BH (как показано на рисунке 11.2, но с перевернутыми осями). Как вы можете видеть, при входном напряжении 240 В трансформатор работает на изгибе кривой и находится на пути к насыщению. Для тороидалов это не имело смысла, поскольку они работают значительно ниже уровня насыщения, и я не смог бы (удобно) их измерить.

Тороиды обычно имеют более выраженный изгиб и, соответственно, более крутой подъем тока после достижения предела насыщения. Это в первую очередь из-за полностью закрытого магнитного тракта, который вообще не имеет воздушных зазоров. Трансформаторы с многослойной пластиной E-I имеют небольшой, но значительный зазор в месте пересечения пластин E и I. Это неизбежно в любом практическом трансформаторе, но мало влияет на производительность в реальной жизни.

12.1 Формы сигналов тока намагничивания

Для этих измерений я использовал тороидальный трансформатор 300 ВА, но не тот, который использовался для данных в таблице 12.1. Кажется, очень мало в сети обсуждает или показывает фактический (в отличие от теоретического или воображаемого) тока намагничивания. Истинное значение этого параметра изменяется более или менее линейно до точки, где сердечник приближается к насыщению, но очень часто силовые трансформаторы проектируются так, что они уже находятся в нелинейной части кривой BH для нормальной работы.

Хотя эта область обычно намного ниже истинного насыщения, форма волны тока уже сильно искажена, потому что пики напряжения сети вызывают повышение магнитного потока до максимального значения, поэтому на пике формы волны переменного тока потребляется дополнительный ток, смещенный на 90 °.Это показано ниже для тороидального трансформатора 240 В, 300 ВА, работающего при четырех различных напряжениях … первый (A) значительно ниже насыщения при 120 В, второй (B) при номинальном входном напряжении (240 В), третий (C ) при несколько большем напряжении (280 В) и последнее (D) при чрезмерном сетевом напряжении (290 В). Трансформатор рассчитан на номинальное напряжение 240 В.

Рисунок 12.1.1 — Ток намагничивания и ток намагничивания. Входное напряжение

Ток намагничивания приятный 7.3 мА при входном напряжении 120 В и при 240 В демонстрируют признаки насыщения, но ток по-прежнему составляет всего 42 мА. При дальнейшем повышении напряжения насыщение явно продвигается вперед — при 280 В трансформатор потребляет 443 мА, но лишь небольшое дальнейшее увеличение до 290 В приводит к резкому увеличению тока до 1,6 А — , превышая номинальную постоянную мощность трансформатора в ВА без нагрузки . Если вы внимательно посмотрите на рисунок 12.1.1.A, вы заметите, что форма волны немного асимметрична. Это указывает на то, что, вероятно, в сердечнике имеется некоторый остаточный магнитный поток с момента последнего использования трансформатора.

Вольт-ампер, рассеиваемый в первичной обмотке трансформатора, определяется как VA = V * I, поэтому при 240 В трансформатор потребляет всего 10 ВА, повышаясь до 124 ВА при 280 В и довольно впечатляющих 464 ВА при 290 В. Предполагая, что типичное сопротивление первичной обмотки трансформатора на 300 ВА составляет 4,7 Ом, потери мощности в первичной обмотке при каждом напряжении (в свою очередь) составляют 250 мкВт, 8,2 мВт, 0,9 Вт и 12 Вт при 290 В.

Как видно из графиков (B, C и D), ток очень нелинейный, поэтому его нельзя скорректировать на коэффициент мощности.Хотя это распространенная ошибка, которую делают во всем Интернете, нет способа исправить нелинейную форму волны на коэффициент мощности путем добавления конденсатора. В лучшем случае вы, , могли бы добавить конденсатор, который создает фильтр, который уменьшает пиковый ток и очень незначительно улучшает коэффициент мощности, но он будет эффективен только в одном месте и / или при одном напряжении. Любой такой фильтр будет зависеть от полного сопротивления сети и в целом гарантированно ухудшит положение, а не лучше.

Добавление конденсатора коррекции коэффициента мощности будет работать только в том случае, если размер конденсатора позволяет потреблять опережающий ток около 14 мА (для этого трансформатора).Это единственная линейная часть тока намагничивания, которая вдвое превышает ток «хорошей синусоиды», потребляемый при 120 В. Истинный ток намагничивания является линейной функцией напряжения , зависящей от реактивного сопротивления обмотки. Это будет означать конденсатор около 180 нФ — вряд ли это будет полезно (хорошо, это совершенно бессмысленно).

Фактический потребляемый ток намагничивания (в том числе вызванный насыщением сердечника) является нелинейной функцией, и ее чрезвычайно трудно моделировать, если у вас нет доступа к симулятору, который правильно обрабатывает железные сердечники.Хотя такая вещь может существовать для разработчиков трансформаторов, я не видел моделирования, которое хотя бы приближалось к реальности, как показано выше. Обратите внимание, что это фактические захваченные формы сигналов от реального трансформатора, подключенного к мощному вариатору. Как вы можете видеть, форма волны тока насыщения остается почти такой же после того, как ядро полностью насыщено, но величина увеличивается экспоненциально с увеличением напряжения.

При подаче 290 В пиковый ток составляет около 5 А (2 А на деление на экране).Вы увидите, что вертикальное разрешение было изменено для каждого захвата, а текущий монитор также имеет переменное усиление для максимального разрешения. Вот почему измеренный ток может показаться отличным от дисплея осциллографа, но показания в вольтах были преобразованы в мА.

Когда трансформатор нагружен сопротивлением, формы волны напряжения и тока в фазе . Вопреки распространенному мнению, линейно нагруженный трансформатор (то есть резистивная нагрузка) , а не , производит отстающий коэффициент мощности, за исключением небольшого вклада тока намагничивания.Как видно из вышесказанного, это незначительно. Я тестировал тот же трансформатор с нагрузкой 16 Ом на одной из номинальных вторичных обмоток 20 В, и входное напряжение и форма волны тока были идеально синфазными на любом входе — от менее 5 В RMS до полного номинального первичного напряжения.

12,2 Пусковой ток

При включении многие трансформаторы потребляют очень высокий начальный ток. Это явление может быть незаметно для трансформаторов меньшего размера, но по мере того, как компонент становится больше (выше ~ 300 ВА), он имеет тенденцию происходить большую часть времени.Вы можете на мгновение увидеть тусклый свет, когда включен большой трансформатор, и теперь вы знаете, почему. Ядро насыщается при подаче питания, поэтому потребляется очень большой ток, пока не установится нормальная работа (примерно после 20 полных циклов сети). Величина пускового тока представляет собой комбинацию нескольких факторов …

Полярность и величина сети на выключателе выключен
Полярность и величина сети на переключателе на
Насколько размагничен сердечник между событиями
Тип трансформатора (тороидалы имеют больший бросок тока, чем сердечники E-I)
Сопротивление первичной обмотки трансформатора и сети — сразу обратно на подстанцию

Чем дольше трансформатор остается без питания, тем ниже остаточный магнитный поток и тем меньше вероятность чрезмерно высокого пускового тока.Это хорошая теория, но на самом деле она не имеет практического значения. Гораздо более важным является точка на осциллограмме напряжения сети, где фактически подается питание. Если сеть подается на пиковом значении, пусковой ток минимален. И наоборот, если сеть подается в точке пересечения нуля, пусковой ток будет максимальным — это как раз обратное тому, что вы могли ожидать, и показано ниже. Пусковой ток длится несколько циклов, и его можно значительно усугубить с помощью выпрямителя и конденсатора фильтра на выходе.Конденсатор имеет короткое замыкание при разряде, и большие конденсаторы заряжаются дольше. Пусковой ток из-за зарядки конденсаторов составляет , а не асимметрично — эта привилегия зарезервирована для насыщения сердечника при включении питания.

Рисунок 12.2 — Пусковой ток трансформатора

Выше показан осциллографический снимок тока в трансформаторе E-Core на 200 ВА, когда питание подается при пересечении нулевого уровня сигнала в сети. Это наихудший случай, который может привести к начальному скачку тока, который ограничивается только сопротивлением обмотки и сетевой проводки.Для большого тороидального элемента пиковые токи могут легко превышать 150 А. Если сеть подается на пике формы волны переменного тока (325 В в странах с 230 В переменного тока, 170 В, где сеть составляет 120 В), пиковый пусковой ток для того же трансформатора обычно снижается до менее 1/4 значения наихудшего случая. .. 4,4 А (оба могут быть измерены с хорошей воспроизводимостью для проверенного трансформатора).

Как видите, пусковой ток имеет одну полярность (он может быть положительной или отрицательной), поэтому переходное событие «постоянного тока» накладывается на сеть.Другие трансформаторы, на которые уже подается питание, также могут насыщаться (и часто рычать) во время броска тока. Это часто называют «симпатическим взаимодействием». Чтобы свести к минимуму влияние пускового тока и влияния протекания на другое оборудование, любой тороидальный трансформатор мощностью более 300 ВА должен использовать схему плавного пуска, такую как описанная в Проекте 39.

12.3 Скачки напряжения

Термин «скачок напряжения» часто употребляется, но очень немногие люди, использующие этот термин, имеют хоть малейшее представление о том, что он может означать или как он может возникнуть.Это стало чем-то вроде универсальной фразы, которую можно использовать, чтобы убедить клиента в том, что его оборудование, вероятно, вышло из строя из-за упомянутого «скачка напряжения». На самом деле, они могут (и случаются), если есть серьезная неисправность в системе распределения (например, подача высокого напряжения вступает в контакт с «нормальным» распределительным источником 230 В или 120 В, или при ударе молнии поблизости). Однако в большинстве случаев это просто способ убедить клиента в том, что он виноват, и забыть о гарантии. (Конечно, это часто также приводит к продаже «кондиционера питания» по завышенной цене, который может или не может спасти оборудование от будущих «скачков напряжения»).

Тем не менее, вы можете получить скачок напряжения (мне не нравится этот термин, потому что он слишком неспецифический), просто выключив трансформатор, если переключатель немного ненадежен и не может полностью отключить питание. Электрическая дуга всегда будет развиваться при размыкании переключателя, но если переключатель старый и изношенный, вы легко можете получить дугу, которая больше и опаснее, чем обычно. Если это произойдет, трансформатор с радостью передаст все, что происходит с его первичной обмоткой, на вторичную.В основном, это не проблема, потому что либо есть значительная нагрузка, либо, в случае усилителей мощности, надежный блок фильтров после выпрямителя. Это поглотит любое «избыточное» напряжение без значительного повышения постоянного напряжения. Использование электролитического колпачка с высоким пульсирующим напряжением — очень плохая идея, и (помимо скачков напряжения) колпачок выйдет из строя из-за чрезмерного пульсирующего тока, но это используемая тестовая схема …

Рисунок 12.3 — Схема испытания трансформатора на «скачок напряжения»

Следующая кривая была сделана с намеренно заниженным конденсатором после выпрямителя — в данном случае всего 10 мкФ, с 2.2к резистор параллельно. Испытательный трансформатор был блоком 12 В 1 А и обеспечивает пиковое напряжение на конденсаторе 18 В. Как видите, пиковое напряжение может легко достигать 24 В (пиковое). Использование трансформатора с более высокой выходной мощностью, очевидно, приведет к увеличению пика. Обычно вы никогда не будете использовать такой маленький конденсатор, и даже для источника питания с низким энергопотреблением вы ожидаете не меньше 220 мкФ, а обычно намного больше. Однако это (по всей видимости) было сделано в очень старой прикладной записке National Semiconductor (которая больше не доступна) и привело к отказу микросхемы регулятора.Было (опять же, по-видимому) определено, что существует какое-то загадочное взаимодействие тока намагничивания трансформатора и остаточного магнетизма сердечника, но это совсем не так.

Рисунок 12.4 — Скачок напряжения трансформатора

Когда трансформатор питается от нестабильного (отрицательного) импеданса, такого как дуга, он может (и, вероятно, будет) реагировать на собственной резонансной частоте и может довольно легко генерировать напряжение, намного превышающее номинальное напряжение сети, но на гораздо более высокой частоте, определяемой самим трансформатором.Трудно (но не невозможно) нарисовать полезную дугу с помощью небольшого трансформатора, но это может быть довольно легко с помощью большего — конечно, многое зависит от самого трансформатора. Помните, что трансформатор соединяет все, что составляет

Суммарные потери в линиях распределения и передачи электроэнергии — Часть 1

Введение:

Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, проходит через большие и сложные сети, такие как трансформаторы, воздушные линии, кабели и другое оборудование, и достигает конечных пользователей.Это факт, что Единица выработки электроэнергии на ТЭЦ не совпадает с единицами, распределяемыми потребителям. Некоторый процент единиц теряется в распределительной сети. Эта разница в генерируемых и распределенных единицах известна как потери при передаче и распределении.
Потери при передаче и распределении — это суммы, которые не оплачиваются пользователями.
Потери T&D = (Энергия, потребляемая фидером (кВтч) — Энергия, выставляемая потребителю (кВтч)) / Потребляемая энергия, кВтч x100
Распределительный сектор считается самым слабым звеном во всем энергетическом секторе.Потери при передаче составляют приблизительно 17%, а потери при распределении — приблизительно 50%.
Есть два типа потерь при передаче и распределении

Технические потери
Нетехнические убытки (коммерческие убытки)

(1) Технические потери:

Технические потери связаны с рассеиваемой энергией в проводниках, оборудовании, используемом для Линии передачи, Трансформатора, Линии субпередачи и Линии распределения, и магнитных потерь в трансформаторах.
Технические потери обычно составляют 22,5% и напрямую зависят от характеристик сети и режима работы.
Основная сумма потерь в энергосистеме приходится на первичные и вторичные распределительные линии. Линии передачи и субпередачи составляют лишь около 30% от общих потерь. Следовательно, первичные и вторичные распределительные системы должны быть должным образом спланированы, чтобы обеспечить соблюдение установленных ограничений.
Неожиданное увеличение нагрузки отразилось на увеличении технических потерь выше нормы
Потери связаны с распределением электроэнергии и не могут быть устранены.
Есть два типа технических потерь.

(a) Постоянные / постоянные Технические потери:

Фиксированные потери не зависят от тока. Эти потери проявляются в виде тепла и шума и происходят, пока трансформатор находится под напряжением.
От 1/4 до 1/3 технических потерь в распределительных сетях являются фиксированными потерями. На фиксированные потери в сети можно влиять описанными ниже способами.
Corona Loses.
Потери тока утечки.
Диэлектрические потери.
Потери холостого хода.
Потери от продолжительной нагрузки на измерительные элементы
Потери от продолжительной нагрузки элементов управления.

(б) Переменные Технические потери

Переменные потери меняются в зависимости от количества распределяемой электроэнергии, а точнее, пропорциональны квадрату тока. Следовательно, увеличение тока на 1% приводит к увеличению потерь более чем на 1%.
От 2/3 до 3/4 технических (или физических) потерь в распределительных сетях являются переменными потерями.
При увеличении площади поперечного сечения линий и кабелей для данной нагрузки потери будут падать. Это приводит к прямому компромиссу между стоимостью потерь и стоимостью капитальных затрат. Было высказано предположение, что оптимальный средний коэффициент использования распределительной сети, который учитывает стоимость потерь при ее проектировании, может составлять всего 30 процентов.
Джоулей потери в линиях на каждом уровне напряжения
Потери полного сопротивления
Потери из-за контактного сопротивления.

Основные причины технических потерь:

(1) Длинные распределительные линии:

Практически на 11 кВ и 415 вольт линии в сельской местности протянуты на большие расстояния для питания нагрузок, разбросанных на больших территориях. Таким образом, первичные и вторичные распределительные линии в сельской местности в основном проложены радиально, как правило, на большие расстояния. Это приводит к высокому сопротивлению линии и, следовательно, к высоким потерям I2R в линии.
Случайный рост системы суб-передачи и распределения в новых областях.
Крупномасштабная электрификация сельской местности через длинные линии 11 кВ и LT.

(2) Несоответствующий размер проводов распределительных линий:

Размер проводов следует выбирать на основе мощности стандартного проводника в кВА x км для требуемого регулирования напряжения, но сельские нагрузки обычно рассредоточены и обычно питаются от радиальных фидеров. Размер проводника этих фидеров должен быть подходящим.

(3) Установка распределительных трансформаторов вдали от центров нагрузки:

Распределительные трансформаторы не расположены в центре нагрузки вторичной распределительной системы.
В большинстве случаев распределительные трансформаторы расположены не по центру относительно потребителей. Следовательно, самые дальние потребители получают крайне низкое напряжение, даже если во вторичной обмотке трансформатора поддерживается хороший уровень напряжения. Это снова приводит к более высоким потерям в линии. (Причина увеличения потерь в линии из-за снижения напряжения на стороне потребителей. Поэтому, чтобы уменьшить падение напряжения в линии до самых дальних потребителей, распределительный трансформатор должен быть расположен в центре нагрузки, чтобы поддерживать падение напряжения в допустимых пределах. пределы.

(4) Низкий коэффициент мощности первичной и вторичной распределительной системы:

В большинстве распределительных цепей LT обычно коэффициент мощности составляет от 0,65 до 0,75. Низкий коэффициент мощности способствует высоким потерям при распределении.
Для данной нагрузки, если коэффициент мощности низкий, потребляемый ток будет большим, а потери, пропорциональные квадрату тока, будут больше. Таким образом, потери в линии из-за плохого коэффициента мощности могут быть уменьшены за счет улучшения коэффициента мощности.Это можно сделать, применив шунтирующие конденсаторы.
Шунтирующие конденсаторы могут быть подключены либо к вторичной обмотке (сторона 11 кВ) силовых трансформаторов 33/11 кВ, либо к различным точкам распределительной линии.
Оптимальная мощность конденсаторных батарей для системы распределения составляет 2/3 от средней потребности в кВАр этой системы распределения.
Точка обзора находится на 2/3 длины главного распределителя от трансформатора.
Более подходящим способом улучшения этого коэффициента мощности распределительной системы и, тем самым, уменьшения потерь в линии является подключение конденсаторов к клеммам потребителей, имеющих индуктивную нагрузку.
За счет подключения конденсаторов к отдельным нагрузкам потери в линии снижаются с 4 до 9% в зависимости от степени улучшения коэффициента мощности.

(5) Плохое качество изготовления:

Плохое качество изготовления играет важную роль в увеличении потерь при распределении.
Суставы являются источником потери мощности. Поэтому количество стыков должно быть минимальным. Для обеспечения надежных соединений следует использовать правильные методы соединения.
Соединения с втулкой-штоком трансформатора, плавким предохранителем, изолятором, выключателем низкого напряжения и т. Д.следует периодически проверять и поддерживать надлежащее давление, чтобы избежать искрения и нагрева контактов.
Замена изношенных проводов и услуг также должна производиться своевременно, чтобы избежать любой причины утечки и потери питания.

(6) Ток фазы фидера и балансировка нагрузки:

Одним из самых простых способов снижения потерь в распределительной системе является балансировка тока в трехфазных цепях.
Балансировка фаз фидера также имеет тенденцию выравнивать падение напряжения между фазами, уменьшая разбаланс напряжения трехфазным потребителям.Величина силы тока на подстанции не гарантирует, что нагрузка сбалансирована по всей длине фидера. Дисбаланс фазы подачи может меняться в течение дня и в зависимости от сезона. Фидеры обычно считаются «сбалансированными», когда величины фазного тока находятся в пределах 10. Точно так же балансировка нагрузки между распределительными фидерами также снижает потери при аналогичном сопротивлении проводов. Это может потребовать установки дополнительных переключателей между фидерами, чтобы обеспечить соответствующее переключение нагрузки.
Разветвление фидеров в соответствии с регулированием напряжения и нагрузкой.

(7) Влияние коэффициента нагрузки на потери:

Потребляемая мощность Заказчика меняется в течение дня и в зависимости от сезона. Бытовые потребители обычно потребляют наибольшее количество электроэнергии в вечерние часы. Пиковая нагрузка тех же коммерческих клиентов обычно приходится на ранний полдень. Поскольку текущий уровень (следовательно, нагрузка) является основным фактором потерь мощности в распределительной сети, поддержание более высокого уровня энергопотребления в течение дня снизит пиковые потери мощности и общие потери энергии.Изменение нагрузки называется коэффициентом нагрузки и варьируется от 0 до 1.
Коэффициент нагрузки = Средняя нагрузка за указанный период времени / пиковая нагрузка за этот период.
Например, для 30 дней месяца (720 часов) пиковая нагрузка фидера составляет 10 МВт. Если фидер предоставил общую энергию 5000 МВтч, коэффициент нагрузки для этого месяца будет (5000 МВтч) / (10 МВт x 720) = 0,69.
Снижение мощности и потерь энергии снижается за счет увеличения коэффициента нагрузки, который выравнивает колебания нагрузки фидера по фидеру.
Коэффициент загрузки был увеличен за счет предложения клиентам тарифов «время использования». Компании используют власть ценообразования, чтобы побудить потребителей переключить энергоемкие виды деятельности в непиковые периоды (например, электрическая вода и отопление помещений, кондиционирование воздуха, орошение и откачка фильтров в бассейне).
Благодаря финансовым стимулам некоторые потребители электроэнергии также позволяют коммунальным предприятиям отключать большие электрические нагрузки удаленно через радиочастоту или линию электропередачи в периоды пиковой нагрузки.Коммунальные предприятия могут попытаться спроектировать более высокие коэффициенты нагрузки, пропустив одни и те же фидеры через жилые и коммерческие районы

(8) Расчет и выбор трансформатора:

В распределительных трансформаторах используются обмотки из медных проводников для создания магнитного поля в сердечнике из кремнистой стали с ориентированными зернами. Следовательно, трансформаторы имеют как потери нагрузки, так и потери в сердечнике без нагрузки.
Потери в меди трансформатора меняются в зависимости от нагрузки на основании уравнения резистивных потерь мощности (потери P = I2R).
Для некоторых коммунальных предприятий экономичная загрузка трансформатора означает загрузку распределительных трансформаторов до мощности или немного выше мощности на короткое время с целью минимизировать капитальные затраты и при этом сохранить длительный срок службы трансформатора.
Однако, поскольку пиковая генерация обычно является наиболее дорогостоящей, при исследованиях общей стоимости владения (TCO) следует учитывать стоимость пиковых потерь трансформатора. Увеличение мощности распределительного трансформатора во время пика на один размер часто приводит к снижению общей пиковой мощности, рассеиваемой в большей степени, если она перегружена.
Потери при возбуждении холостого хода трансформатора (потери в железе) возникают из-за изменения магнитного поля в сердечнике трансформатора, когда он находится под напряжением. Потери в сердечнике незначительно зависят от напряжения, но по существу считаются постоянными. Фиксированные потери в стали зависят от конструкции сердечника трансформатора и молекулярной структуры стального листа. Улучшенное производство стальных сердечников и введение аморфных металлов (таких как металлическое стекло) снизили потери в сердечнике.

(9) Балансировка трехфазных нагрузок

Периодическая балансировка трехфазных нагрузок в сети может значительно снизить потери.Это может быть сделано относительно легко в воздушных сетях и, следовательно, дает значительные возможности для рентабельного снижения потерь при наличии соответствующих стимулов.

(10) Отключение трансформаторов

Один из методов снижения фиксированных потерь — отключение трансформаторов в периоды низкой нагрузки. Если на подстанции в периоды пиковой нагрузки требуются два трансформатора определенного размера, в периоды низкой нагрузки может потребоваться только один трансформатор, чтобы другой трансформатор мог отключаться для снижения фиксированных потерь.
Это приведет к некоторому компенсирующему увеличению переменных потерь и может повлиять на надежность и качество электроснабжения, а также на рабочее состояние самого трансформатора. Однако эти компромиссы не будут изучаться и оптимизироваться, если не будет принята во внимание стоимость потерь.

(11) Прочие причины технических потерь:

Неравномерное распределение нагрузки между тремя фазами в системе низкого напряжения, вызывающее высокие токи нейтрали.
утечка и потеря мощности
Перегрузка строк.
Ненормальные условия эксплуатации силовых и распределительных трансформаторов
Низкое напряжение на клеммах потребителей, вызывающее повышенное потребление тока индуктивными нагрузками.
Низкое качество оборудования, используемого в сельскохозяйственных насосах в сельской местности, более холодных кондиционерах и промышленных нагрузках в городских районах.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

О Джигнеше.Пармар (B.E, Mtech, MIE, FIE, CEng)
Джигнеш Пармар закончил M.Tech (Управление энергосистемой), B.E (Электрика). Он является членом Института инженеров (MIE) и CEng, Индия. Членский номер: M-1473586. Он имеет более чем 16-летний опыт работы в сфере передачи, распределения, обнаружения кражи электроэнергии, технического обслуживания и электротехнических проектов (планирование-проектирование-технический обзор-координация-выполнение). В настоящее время он является сотрудником одной из ведущих бизнес-групп в качестве заместителя менеджера в Ахмедабаде, Индия.Он опубликовал ряд технических статей в журналах «Электрическое зеркало», «Электрическая Индия», «Освещение Индии», «Умная энергия», «Industrial Electrix» (Австралийские публикации в области энергетики). Он является внештатным программистом Advance Excel и разрабатывает полезные базовые электрические программы Excel в соответствии с кодами IS, NEC, IEC, IEEE. Он технический блоггер и знает английский, хинди, гуджарати, французский языки. Он хочет поделиться своим опытом и знаниями и помочь техническим энтузиастам найти подходящие решения и обновить свои знания по различным инженерным темам.

Трансформатор

Эта статья про электрическое устройство. Для франшизы игрушечной линии см Трансформеры. Для использования в других целях, см Трансформатор (значения).

Распределительный трансформатор на опоре с центральным отводом вторичной обмотки. Этот тип трансформатора обычно используется в Соединенных Штатах для обеспечения «двухфазного» питания 120/240 В для жилого и небольшого коммерческого использования. Обратите внимание, что центральная «нейтральная» клемма заземлена на «бак» трансформатора, а заземленный провод (справа) используется для одной ветви первичного фидера.

Трансформатор — это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой через индуктивно связанные проводники — катушки трансформатора. Переменный ток в первой первичной обмотке или создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора и, следовательно, переменное магнитное поле через вторичную обмотку . Это изменяющееся магнитное поле индуцирует изменяющуюся электродвижущую силу (ЭДС) или «напряжение» во вторичной обмотке. Этот эффект называется индуктивной связью.

Если нагрузка подключена ко вторичной обмотке, электрический ток будет течь во вторичной обмотке, а электрическая энергия будет передаваться от первичной цепи через трансформатор к нагрузке. В идеальном трансформаторе индуцированное напряжение во вторичной обмотке ( В, , _,) пропорционально первичному напряжению ( В, , _{, p}) и выражается соотношением количества витков во вторичной обмотке. ( N _с) на количество витков в первичной обмотке ( N _p) следующим образом:

При соответствующем выборе соотношения витков трансформатор, таким образом, позволяет «повышать» напряжение переменного тока (AC), делая Н _s больше, чем N _p, или «понижать» сделав N _s менее N _p.

В подавляющем большинстве трансформаторов обмотки представляют собой катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, трансформаторы с воздушным сердечником являются заметным исключением.

Трансформаторы

различаются по размеру от трансформатора связи размером с миниатюру, скрытого внутри сценического микрофона, до огромных блоков весом в сотни тонн, используемых для соединения частей электрических сетей. Все они работают по одним и тем же основным принципам, хотя диапазон конструкций широк. Несмотря на то, что новые технологии устранили необходимость в трансформаторах в некоторых электронных схемах, трансформаторы по-прежнему используются почти во всех электронных устройствах, предназначенных для бытового («сетевого») напряжения.Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной.

История

открытие

Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки ^[1]

Явление электромагнитной индукции было независимо открыто Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1831 году.

Потери мощности в трансформаторе: Измерение холостого хода трансформаторов: параметры, периодичность, схемы

Измерение холостого хода трансформаторов: параметры, периодичность, схемы

Порядок и схема измерения

Анализ результатов измерения

Потери мощности в трансформаторе | ЭлМикс

Ее величество петля гистерезиса

Потери электроэнергии в трансформаторах

Учебно-методический материал: Практическая работа №6 Тема: «Потери мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах. Причины потерь и способы их снижения»

Учебно-методический материал: Практическая работа №7 Расчет потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах

Пример_расчета_потерь_в_трансформаторе

, часть 2 — Руководство по электронике для новичков

Суммарные потери в линиях распределения и передачи электроэнергии — Часть 1

Введение:

(1) Технические потери:

(a) Постоянные / постоянные Технические потери:

(б) Переменные Технические потери

Основные причины технических потерь:

(1) Длинные распределительные линии:

(2) Несоответствующий размер проводов распределительных линий:

(3) Установка распределительных трансформаторов вдали от центров нагрузки:

(4) Низкий коэффициент мощности первичной и вторичной распределительной системы:

(5) Плохое качество изготовления:

(6) Ток фазы фидера и балансировка нагрузки:

(7) Влияние коэффициента нагрузки на потери:

(8) Расчет и выбор трансформатора:

(9) Балансировка трехфазных нагрузок

(10) Отключение трансформаторов

(11) Прочие причины технических потерь:

Нравится:

Связанные

История

открытие

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Измерение холостого хода трансформаторов: параметры, периодичность, схемы

Порядок и схема измерения

Анализ результатов измерения

Потери мощности в трансформаторе | ЭлМикс

Ее величество петля гистерезиса

Потери электроэнергии в трансформаторах

Учебно-методический материал: Практическая работа №6 Тема: «Потери мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах. Причины потерь и способы их снижения»

Учебно-методический материал: Практическая работа №7 Расчет потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах

Пример_расчета_потерь_в_трансформаторе

, часть 2 — Руководство по электронике для новичков

Суммарные потери в линиях распределения и передачи электроэнергии — Часть 1

Введение:

(1) Технические потери:

(a) Постоянные / постоянные Технические потери:

(б) Переменные Технические потери

Основные причины технических потерь:

(1) Длинные распределительные линии:

(2) Несоответствующий размер проводов распределительных линий:

(3) Установка распределительных трансформаторов вдали от центров нагрузки:

(4) Низкий коэффициент мощности первичной и вторичной распределительной системы:

(5) Плохое качество изготовления:

(6) Ток фазы фидера и балансировка нагрузки:

(7) Влияние коэффициента нагрузки на потери:

(8) Расчет и выбор трансформатора:

(9) Балансировка трехфазных нагрузок

(10) Отключение трансформаторов

(11) Прочие причины технических потерь:

Нравится:

Связанные

История

открытие

alexxlab

Вам также может понравиться

Устройство клапан регулирующий: виды, особенности конструкции и применение

Полное сопротивление цепи: Как найти полное сопротивление: 10 шагов

Трехфазная нагрузка: Трехфазная сеть: расчет мощности, схема подключения

Добавить комментарий Отменить ответ