Стартовая >> Оборудование >> Трансформаторы >> Теория >> Основные соотношения и расчетные условия в зависимости от назначения трансформатора

Основные соотношения и расчетные условия в зависимости от назначения трансформатора

Принцип действия и выводы основных расчетных выражений

Трансформатор, как известно, предназначен для преобразования переменного напряжения в другое, большей или меньшей величины. Состоит он из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток, из которых одна (первичная) включается на напряжение питающей сети, а с другой (вторичной) снимается на нагрузку напряжение требуемой величины (рисунок 1). В ряде случаев вторичных обмоток может быть несколько. схема трансформатора Рисунок 1 - Принципиальная схема трансформатора При подаче переменного напряжения на первичную обмотку по обмотке проходит ток намагничивания, под действием которого в стали магнитопровода возникает магнитный поток. В обмотках магнитный поток наводит электродвижущую силу (э. д. с.) формула где Е — действующее значение напряжения (э. д. с); w — число витков обмотки; Sc — сечение магнитопровода, см2; В — максимальное значение индукции, тл (1 тл = 10-4гс); f — частота сети. Если вторичное напряжение меньше (или больше) первичного, то соответственно повышается (или понижается) ток, но произведения напряжения каждой стороны на свой ток должны быть равны. Но при трансформации (как и при любой передаче энергии) неизбежны потери. Потери будут в меди обмотки трансформатора (I2R) и в стали на создание переменного магнитного потока. Поэтому мощность, отдаваемая трансформатором, всегда будет меньше мощности, потребляемой от сети. Отношение вторичной мощности к первичной именуется коэффициентом полезного действия (к. п. д.). Если трансформатор не нагружен, то во вторичной обмотке потери отсутствуют и вторичное напряжение U2 = E (э. д. с). Напряжение где kт — коэффициент трансформации по числу витков. Сечение стали магнитопровода и число его витков определяют величину напряжения. Мощность трансформатора определяется произведением напряжения на ток. Трансформаторы малой мощности рассчитываются обычно по активной нагрузке. В окне магнитопровода должны поместиться первичная и вторичная обмотки. Мощность вторичной обмотки меньше первичной из учета к. п. д. (ηт) трансформатора. Суммарная мощность составит:

Потери в трансформаторе

Величина тока намагничивания и потерь в стали зависит от индукции в стали. При малых изменениях индукции в небольшом перепаде имеется некоторая пропорциональность индукции и тока намагничивания. С увеличением индукции ток намагничивания возрастает более интенсивно, и с определенного значения индукции величина тока намагничивания начинает резко увеличиваться. Это значение индукции называется индукцией насыщения. Значения индукции насыщения, потерь в стали и тока намагничивания для различных сталей могут отличаться в очень большой степени, определяемой составом стали и ее термической обработкой. Эти величины являются основными параметрами стали (марок стали). Выбор той или иной марки стали определяет параметры магнитопровода и трансформатора. Полная мощность намагничивания стали магнитопровода определяется произведением тока намагничивания на э. д. с. Ток намагничивания пропорционален длине магнитной линии; э. д. с. пропорциональна сечению стали; их произведение определяет объем стали (удельный вес стали может быть заменен весом стали). Ток намагничивания отстает от э. д. с. на значительный угол. Для обычных электротехнических сталей этот угол в зависимости от индукции, марки стали и выполнения магнитопровода трансформатора может изменяться в очень широких пределах, не превышая (в рабочем пределе индукции) 60—80°. В ряде случаев более существенна активная составляющая тока намагничивания, создающая активные потери, нагрев магнитопровода и определяющая к. п. д. трансформатора. Заводы-изготовители указывают для изготовляемых марок стали зависимость индукции от напряженности магнитного поля (ав/см) удельных ампер-витков и активные потери в стали в ваттах на килограмм веса стали при некоторых рабочих значениях индукции. При увеличении сечения стали магнитопровода увеличиваются вес и потери в стали, и с уменьшением числа витков снижаются потери в меди. При увеличении окна магнитопровода увеличиваются потери в меди и снижаются потери в стали. Наименьшие потери будут при равенстве потерь в меди и стали. Следует оценить, какие отклонения допустимы без значительного ухода от оптимального значения. При к. п. д. трансформатора, равном 0,9, потери в меди и стали составят 5%+5% = 10%. При снижении одного компонента в 1,5 раза и таком же увеличении второго компонента потерн составят 3,3%+7,5% = 10,8%. Даже при изменении потерь в 2 раза, когда отношение одного компонента к другому составит 1 : 4, общие потери увеличатся до 12,5% против 10%. При дальнейшем увеличении этого отношения общие потери заметно возрастают. То обстоятельство, что для выполнения тех или иных требований к трансформатору в ряде случаев можно в широких пределах оперировать с параметрами магнитопровода и трансформатора, дает возможность широкого использования однотипных пластин стали.

Специфичные требования к трансформатору в зависимости от его назначения

Наиболее распространенные трансформаторы (из бытовых) — трансформаторы в радиоприемниках и телевизорах — отличаются тем, что они работают всегда с нагрузкой, близкой к номинальной. Поэтому в конечном результате безразлично, какие потери будут преобладать: потери в меди или в стали. Можно значительно увеличить объем стали и поднять индукцию (не выходя за пределы допустимых потерь). При этом уменьшается объем меди и упрощается технология изготовления обмотки. В основном в таком направлении производится расчет и изготовление этих трансформаторов. В большой степени этому способствует применение современных сталей с малыми потерями. Аналогичны условия работы трансформаторов и требования к ним в различных лабораторных электронных устройствах и приборах. При этом часто основное требование к этим трансформаторам — снижение их размеров, так как в ряде случаев это позволяет снизить размеры и вес всего устройства, что особенно существенно для устройств, предназначенных для выездных работ. Применением марок проводов, допускающих более высокий нагрев и, следовательно, более высокую плотность тока, также можно снизить размеры и вес трансформатора. Для лабораторных приборов обычно к. п. д. значения не имеет. Для бытовой радиоприемной аппаратуры к. п. д. силового трансформатора также не имеет существенного значения. Безусловно, если учитывать массовость этой аппаратуры, вопросы снижения потребления радиоприемных устройств имеют большое значение, но также существенны и размеры. Однако в ряде случаев условия работы трансформатора и требования к нему могут значительно отличаться. Трансформатор может работать в режиме переменной нагрузки, в некоторых случаях длительно оставаться без нагрузки. В различных схемах автоматики, релейной защиты и в других областях техники такой режим работы встречается часто. Величина тока намагничивания часто является решающим фактором, как, например, в измерительной технике (телеизмерениях), промежуточных трансформаторах напряжения и тока, в релейной защите и в ряде других устройств. Встречаются аналогичные требования и в бытовых трансформаторах. Например, если бытовой автотрансформатор включен на холодильник, где двигатель работает не более 15—20% всего времени, а остальное время электроэнергия продолжает расходоваться на потери в стали, то очевидно, что при расчете надо стремиться снизить до минимума потери в стали, допуская повышенные потери в меди. Бывает и ряд других дополнительных требований. Подходить к расчету трансформаторов с одним «универсальным» методом расчета, предлагаемым руководствами специально для радиоприемной аппаратуры, как это подчас имеет место, часто недопустимо.

Вопросы надежности трансформатора

В зависимости от области применения требования надежности трансформаторов и другой аппаратуры различны. Добиваться максимально возможной надежности во всех случаях нецелесообразно, так как при этом значительно повышается стоимость изделий. Возникает понятие «стоимости» надежности. В ряде случаев значительно экономичнее повысить ремонтопригодность и ввести гарантийный ремонт. Иногда повышение надежности приводит к увеличению размеров и веса, ограничивая возможности применения различных испытательных устройств в разъездной работе. Иное положение с трансформаторами и аппаратурой, предназначенными для ответственных устройств, как, например, в железнодорожной автоблокировке, авиации, в автоматике энергосистем и других областях техники, где выход из строя одного из элементов этих устройств может явиться причиной большого простоя оборудования и привести к аварии. В основном аппаратура для таких устройств изготовляется на специализированных заводах. Остановимся на аппаратуре, применяемой в энергосистемах для целей автоматики (телеизмерений, сигнализации и управления) и в релейной защите. Подавляющее большинство аппаратуры — заводского изготовления, но часто приходится выполнять ее ремонт и переделку под требуемые параметры в условиях эксплуатации. Кроме того, в крупных энергосистемах систематически проводятся для ответственных объектов новые разработки силами лабораторий энергосистем. Производственные возможности и применяемая технология в мастерских в разных энергосистемах различна, но и в лучшем случае уступает заводским условиям. Специфика требований к трансформаторам, изготавливаемым этими мастерскими, очень широка: по мощности — от трансформатора с сечением стали менее 1 см2 (в схемах телеизмерений) до трансформаторов с выходной мощностью до 1—2 ква, так называемых «нагрузочных» (для испытания аппаратуры при больших токах); по климатическим условиям — охватываются все области России; по требованиям надежности — для одних трансформаторов это требование является первоочередным, для других существенного значения не имеет. При установке трансформаторов в сырых помещениях (котельные, насосные), особенно при наличии активных газов, предъявляются требования более тщательного выбора изоляции и применения влагозащитных пропиток и покрытий для снижения влияния токов утечки на изоляцию. В машинных помещениях необходимо учитывать вибрацию. В испытательных устройствах, предназначенных для разъездной работы, необходимо учитывать при минимальном весе механическую прочность. Трансформатор в испытательных устройствах обычно является наиболее тяжелым узлом, его крепление должно быть достаточно продумано. Оценка необходимой надежности аппаратуры, а также разработка мероприятий для повышения технического уровня изделий являются задачей служб надежности, созданных в последнее время на некоторых предприятиях и в научно-исследовательских институтах. Существующая в энергосистемах аварийная разгрузка по частоте базируется на оценке требуемого уровня надежности энергопитания тех или иных потребителей и лишь косвенно определяет уровень надежности аппаратуры и отдельных элементов этой разгрузки. Поэтому представляет интерес оценка уровня надежности по элементам, рекомендованная для электронной аппаратуры фирмой RCA, согласно которой уровень надежности элементов определяется по числу отказов за 1000 ч работы в процентах к числу элементов (таблица 1). Таблица 1 - Оценка уровня надежности

Уровень надежности

Условное обозначение

Опасность отказов, % на 1000 ч

Примечание

Рыночный уровень

О

20

Элементы данного уровня применяются для изделий общего пользования, не требующих количественной оценки надежности
Низкий уровень

R

1.5

Элементы данного уровня применяются для изделий неответственного назначения, которые должны иметь количественную оценку надежности
Стандартный военный уровень

S

0,5

Разгруженный стандартный уровень

DS

0,15

К этому уровню относятся элементы уровня S, повышение надежности которых достигнуто за счет их использования в режимах ниже номинальных
Верхний уровень

Т

0,05

-
Разгруженный верхний уровень

DT

0,01

Повышение надежности элементов Т достигается за счет их использования в разгруженных режимах работы
Высший уровень

U

0,005

Показательно, что фирма к высшему уровню относит электронные вычислительные машины, что естественно, поскольку они включают большое чилсло отдельных элементов. Безусловно, для получения столь высокой надежности требуется очень тщательный отбор деталей и элементов.
 
« Опыт короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания трансформатора   Относительная диэлектрическая проницаемость трансформаторных масел »
электрические сети