Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Jsme zvyklí předpokládat, že všechny magnetické toky v transformátoru pronikají jak vinutím, tak magnetickým jádrem. Kdyby byl ideální transformátor, pak by se to opravdu stalo. Bohužel, ve skutečnosti část magnetického toku překonává izolační prostor, přesahuje hranice vinutí a uzavírá je (viz obr. 1). V důsledku toho dochází k reaktanci transformátoru. Tento jev se také nazývá rozptyl magnetických toků.
V cívkách existují jiné odpory, které jsou příčinou ztráty výkonu. Jedná se o: vnitřní odpor materiálů vinutí a rozptyl způsobený indukčními odpory. Kombinace disperzí magnetického toku se nazývá vnitřní odpor nebo impedance transformátoru.
Ztráta jalového výkonu
Připomeňme si, jak funguje ideální dvouvinucí transformátor (viz obr. 2). Když je primární vinutí pod střídavým napětím (například z elektrické sítě), vznikne magnetický tok, který proniká sekundární indukční cívkou. Při působení magnetických polí jsou sekundární vinutí excitována, ve kterých se vyskytuje EMF. Když je k přístroji připojen aktivní výkon, střídavý proud začne proudit v sekundárním obvodu na vstupní frekvenci.
V ideálním transformátoru se vytváří přímo úměrný vztah mezi napětími ve vinutí. Jejich poměr je dán poměrem počtu otáček každé cívky. Jsou-li U1 a U2 napětí v prvním a druhém vinutí, resp. W1 a w2 jsou počet závitů vinutí, pak platí vzorec: U 1 / U 2 = w 1 / w 2 .
Jinými slovy: napětí v pracovním vinutí je tolikrát více (méně), kolikrát se počet cívek druhé cívky zvýší (sníží) vzhledem k počtu závitů tvořících primární vinutí.
Hodnota w 1 / w 2 = k se nazývá transformační koeficient. Všimněte si, že výše uvedený vzorec platí také pro autotransformátory.
V reálném transformátoru se ztrácí část energie v důsledku rozptylu magnetických toků (viz obr. 1). Oblasti, kde dochází ke koncentraci toků, jsou vyznačeny čárkovaně. Obrázek ukazuje, že svodová indukčnost pokrývá magnetické jádro a přesahuje vinutí.
Přítomnost reaktivních odporů v kombinaci s aktivním odporem vinutí vede k ohřevu struktury. To znamená, že při výpočtu účinnosti je nutné zvážit impedanci transformátoru.
Označte aktivní odpor vinutí symboly R 1 , resp. R 2, a reagujte písmeny X 1 a X 2 . Potom může být primární impedance zapsána jako: Z 1 = R 1 + jX 1 . Pro pracovní cívku budeme mít: Z 2 = R 2 + jX 2, kde j je koeficient v závislosti na typu jádra.
Reaktivní odpor může být reprezentován jako rozdíl mezi indukčním a kapacitním indexem: X = R L - R C. Vzhledem k tomu, že R L = ωL a R C = 1 / ωC, kde ω je frekvence proudu, získáme vzorec pro výpočet reaktance: X = ωL - 1 / ωC .
Aniž bychom se uchýlili k řetězci transformací, dáme připravený vzorec pro výpočet impedance, tj. Pro určení impedance transformátoru:
Musí být znám celkový odpor transformátoru, aby se určila jeho účinnost. Velikost ztráty závisí především na materiálu vinutí a konstrukčních vlastnostech transformátorového železa. Vírové proudy v monolitických ocelových jádrech jsou mnohem větší než vícesložkové konstrukce magnetických obvodů. Proto jsou v praxi jádra vyrobena z tenkých desek z transformátorové oceli. Aby se zvýšil specifický odpor materiálu, přidává se k železu křemík a samotné desky jsou potaženy izolačním lakem.
Pro určení parametrů transformátorů je důležité najít aktivní a jalový odpor, pro výpočet ztrát bez zátěže. Výše uvedený vzorec není praktický pro výpočet impedance v důsledku obtížnosti měření indukčních a kapacitních hodnot. Proto se v praxi pro výpočet používají jiné metody založené na vlastnostech provozních režimů výkonových transformátorů.
Provozní režimy
Transformátor se dvěma vinutími je schopen provozu v jednom ze tří režimů:
- nečinnosti;
- v režimu zatížení;
- v krátkém stavu.
Pro provádění výpočtů obvodů elektrické vodivosti jsou nahrazeny zátěží, jehož hodnota se rovná ztrátám při provozu v klidovém režimu. Výpočet parametrů ekvivalentního obvodu se provádí empiricky, převod transformátoru do jednoho z možných režimů: volnoběhu nebo do stavu zkratu. Tímto způsobem můžete určit:
- úroveň ztrát činného výkonu při volnoběhu;
- velikost ztrát činného výkonu ve zkratovaném zařízení;
- zkratové napětí;
- proud volnoběhu;
- aktivní a reaktance ve zkratovém transformátoru.
Nastavení režimu nečinnosti
Pro práci na volnoběhu je nutné odstranit sekundární vinutí, tzn. Otevřít elektrický obvod. V otevřené cívce není napětí. Hlavní složkou proudu v primárním okruhu je proud vznikající na reaktantech. Pomocí měřících přístrojů je poměrně jednoduché najít základní parametry střídavého magnetizačního proudu, pomocí kterých lze vypočítat výkonovou ztrátu vynásobením proudu proudem dodaného napětí.
Schéma měření při volnoběžných otáčkách je znázorněno na obrázku 3. Diagram ukazuje body pro připojení měřicích přístrojů.
Vzorec použitý pro výpočet parametrů reaktivní vodivosti je následující: T = I x% * S nom / 100 * U v nom 2 Multiplikátor 100 ve jmenovateli se používá, protože proud bez zatížení I x se obvykle vyjadřuje v procentech .
Zkratový režim
Pro převedení transformátoru do režimu zkratu zkratujte nízkonapěťové vinutí. Na druhou cívku se přivádí napětí, při kterém jmenovitý proud cirkuluje v každém vinutí. Jelikož je dodávané napětí výrazně nižší než jmenovité napětí, je ztráta činného výkonu při vedení tak malá, že může být zanedbána.
Takže stále máme aktivní výkon v transformátoru, který je spotřebován na ohřev vinutí: ΔP k = 3 * I 1 * r * . Vyjádřením proudu I 1 nom napětím U k a odporem Rt, vynásobením výrazu 100, získáme vzorec pro výpočet poklesu napětí v zónách aktivního odporu (v procentech):
Odpor transformátoru se dvěma vinutími se vypočítá podle vzorce:
Nahrazením hodnoty Rt v předchozím vzorci dostaneme:
Závěr: v transformátoru se zkratem je úbytek napětí v zóně aktivního odporu (vyjádřený v%) přímo úměrný velikosti ztráty činného výkonu.
Vzorec pro výpočet poklesu napětí v zónách reaktance je:
Zde najdete:
Velikost reaktance v moderních transformátorech je mnohem méně aktivní. Můžeme tedy předpokládat, že pokles napětí v zóně jalového odporu U K p ≈ U K, tedy pro praktické výpočty, lze použít vzorec: X T = U k * U v nom 2/100 * S nom
Výše uvedené argumenty platí také pro vícenásobné vinutí, včetně třífázových transformátorů. Výpočty jsou však prováděny pro každé vinutí zvlášť a úkol je omezen na řešení soustav rovnic.
Znalost výkonových faktorů, odporů při rozptylu a dalších parametrů magnetických obvodů umožňuje provádět výpočty pro určení hodnot jmenovitého zatížení. To zase zajišťuje provoz transformátoru v intervalu jmenovitých kapacit.