Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации – величина, показывающая во сколько раз входной параметр (напряжение, ток) меньше либо больше выходного. Если цифра выше единицы, выполняется понижение, наоборот – меньше единицы демонстрирует устройство повышающее. Соответственно, различают коэффициенты трансформации по напряжению или току. Чисто практическое деление, соответствующее решаемым задачам. Магнитное поле наводит в витках выходной обмотки ЭДС, током не являющуюся определенно.

Измеритель коэффициента трансформации

Устройство трансформаторов

Встречается полное непонимание принципов действия трансформатора. Почему малое количество витков выполняется толстым проводом, прочие вопросы – возникают у новичков. Начнем рассмотрением сердечников. Выполняются из ферромагнитных материалов. Чтобы внутри распространялось поле. Именно оно является причиной генерации вторичной обмоткой ЭДС. Майкл Фарадей изготовил сердечник опытного трансформатора (1831 год) из мягкой стали, ввиду выраженности свойств, сегодня поступают иначе:

1. Электротехническая сталь содержит изрядную долю кремния (несколько %), значительно повышает удельное сопротивление материала. Жесткий сплав с долей углерода до 1%. Ферромагнитные свойства выражены нечетко, падают тепловые потери. В первую очередь – на вихревые токи Фуко. Наводятся переменным магнитным полем в железном сплаве, некоторых других материалах. При работе трансформатора резко растут потери с увеличением частоты, повышение удельного сопротивления подмешиванием кремния является эффективной мерой борьбы с указанным явлением. Потери перемагничивания снижаются применением жесткой стали. Марки Э42, 43, 320, 330, 340, 350, 360. Первая цифра указывает процентное содержание кремния (3 – порядка 4,8%), вторая – характеризует магнитные потери, конкретные значения приводятся ГОСТ (например, 3836), не являются определенными.
2. Пермаллой представлен сплавом железо-никель. Характерной особенностью материала становится чрезвычайная высокая магнитная проницаемость. Поле внутри многократно усиливается. Пермаллой применяется в маломощных трансформаторах, где потери перемагничивания не могут быть большими по определению. Маркировка дополнена процентным содержанием металлов, Н указывает никель, Х — хром, С — кремний, А — алюминий.

До 60-х годов стоимость трансформаторов считалась по совокупности материалов, потери волновали мало. Но с 70-х цены на нефть выросли порядком, закономерно поднимая стоимость прочих энергоносителей. Ранее горячекатаную сталь заменили холоднокатаной (ГОСТ 21427.2), имеющую ориентированную структуру зерен. Закономерно повысилась магнитная проницаемость в продольном направлении. Саму сталь нарезают пластинами сообразно этому факту, одновременно блокируется возникновение вихревых токов. Процесс называется шихтованием, слои отделяются друг от друга пленкой лака.

Формула коэффициента трансформации

Технология литья стали, внесение новых свойств являются определяющими. Отвечают наравне с активным сопротивлением меди за возникающие потери, закономерно определяющие КПД устройства. Зависит от параметров сердечника, коэффициента трансформации, магнитный поток несет некоторые потери, ослабляется. Этот факт в полной мере замалчивается в формуле, которую видим на рисунке. Где R1 и R2 – потери в активном сопротивлении меди, факт перемагничивания сердечника замалчивается.

Попутно проанализируем формулу. Видно: активные потери входят таким образом, что коэффициент трансформации повышается. Казалось бы, если требуется понизить напряжение, только на руку, на деле энергия потребляется источником питания, приходится оплатить расход. Вот почему активные потери медных обмоток стремятся сделать нулевыми. Не распространяется без затухания поле, совершенно не учитывается формулой. Чтобы улучшить характеристики трансформатора, приходится выбирать электротехнический сплав.

Другая сторона монеты: активные потери уменьшим, снизив число витков. Требуется повысить магнитную индукцию поля, что требует создания совершенно особых сталей. Другим путем решения проблемы стало использование толстого провода, резко усложняя технологию намотки, одновременно существенно повышая стоимость, габариты изделия. Затем, на высоких частотах эффективность метода снижает скин-эффект, большое сечение создает пространство возникновению вихревых токов. Частично снимает проблему применение транспонированного провода, физически состоящего из большого числа изолированных друг от друга тонких жил (иногда полос). Изоляция эпоксидной смолой после отвердевания придает проводникам прочность.

Касательно трансформаторной стали к решению проблемы потерь (появлению возможности работать с большой индукцией) идут тремя путями:

• Улучшение ориентации доменов (процесс производства).
• Уменьшение толщины листов (сегодня – до 0,27 мм, более тонкая сталь редка).
• Поверхностная обработка стали.

Отдельной строкой идут акустические потери (трансформаторы гудят), если общий урон удается снизить, упомянутый аспект остался на уровне середины прошлого века. В общем смысле вихревые токи, магнитный гистерезис вносят теперь равные доли. По этой причине технологи бьются за снижение толщины листов, формируя повышение чувствительности к механическим воздействиям, деформациям.

Тонкая сталь: коэффициент трансформации

В смысле уменьшения толщины листов большая перспектива видится в использовании аморфной стали. Главное ограничение накладывает магнитострикция (изменение геометрических размеров материала действием поля). Эффект снижает коэффициент передачи на вторичную обмотку, аналогично гистерезису. Однако, несмотря на хрупкость, сложности отжига в технологическом цикле, удаётся получить листы толщиной единицы сотых долей мм. Специалисты называют основным препятствием применению высокую стоимость, не названные выше особенности.

Основной сегмент использования находится в рамках намотанных магнитопроводов. Здесь (в отличие от шихтования) сердечник сложен не полосами, является одним цельным куском, образующим тесно свитую спираль. Касаемо прочих методик сборки, надежду дает факт независимости потерь от направления вдоль кристаллической решётки. Поскольку ориентированных доменов нет, упраздняются требования поверхностной обработки листов стали.

Ввиду описанных особенностей из аморфной стали становится возможным собирать трансформаторы с приемлемым коэффициентом передачи высокочастотных сигналов.

Токи циркуляции, коэффициент трансформации, параметры короткого замыкания

Чаще на подстанции трансформаторы включаются параллельно по очевидным причинам. Потребление слишком велико, чтобы нагрузку выдержало одно-единственное изделие. Казалось бы, никаких особенностей здесь не имеется, на практике технические характеристики трансформаторов даже одной заводской партии отличаются. Нормы выбираются согласно ГОСТ 14209, IEC 905. Считается допустимой установки совместно указанных отклонений коэффициента трансформации:

1. Для изделий с коэффициентом трансформации 3 и менее, на неосновном ответвлении – 1% (в обе стороны).
2. Для изделий с коэффициентом трансформации свыше 3, на основном ответвлении – 0,5% в каждую сторону.

На подстанциях, где стоят изделия с разным коэффициентом трансформации, уравнительные токи между ними возникают при отсутствии нагрузки. Нагрузка ситуацию усугубляет. Токи распределяются обратно пропорционально сопротивлениям короткого замыкания. Предъявляются требования к другим параметрам. Допустимое отклонение напряжения короткого замыкания ограничено пределами 19%, отдают предпочтение трансформаторам одной парии.

Сила тока обмоток

В трехфазных сетях требования к коэффициенту распространяются только на обмотки в рамках отдельной фазы. Если значения отличаются, начинает циркулировать ток. Даже если нет никакой нагрузки. Иногда феномен называют уравнительным, уравнивает падение напряжения двух параллельно включенных ветвей (обмоток). В формуле зависимости амплитуды этого тока от коэффициента трансформации: в числителе с правой стороны относительная разница (см. список выше), знаменателе сформирован удвоенным относительным напряжением (короткого замыкания). Левая часть равенства содержит отношение тока циркуляции к номинальному.

Здесь поясним: напряжение короткого замыкания берется в процентах номинального. Значение устанавливается опытным путем. На первичную обмотку подают некое напряжение, вторичную замыкают накоротко. Добиваются соответствия тока рабочему. Регулируют амплитуду входного напряжения. Значение, при котором достигаются указанные выше условия, в дальнейшем называют напряжением короткого замыкания. Обычно выражается в процентах от номинального, что отражено формулой.

Отношение токов

Соотношение показывает: при Uk% = 5, разнице между коэффициентами трансформации 1% циркуляционные токи достигнут 10% номинала. Вызовет нагрев обмоток, усугубит на участке ситуацию с тепловыми потерями. В случае если напряжения короткого замыкания отличаются для двух трансформаторов, полагается воспользоваться вместо удвоения операцией суммирования. Вдобавок номинальная мощность различна – приведите цифры к общему знаменателю. Для этого (на выбор) одна цифра делится на собственную мощность, умножается на номинальную мощность другого трансформатора.

Иногда меньше ошибок, если воспользоваться абсолютными величинами вместо относительных. Здесь под U понимается фазное напряжение со стороны обмотки НН; Zk1, Zk2 – комплексные сопротивления (импеданс короткого замыкания) изделий. k1, k2 – коэффициенты трансформации обоих изделий, а буквой греческого алфавита дельта обозначена разница. Токи разного направления, стремятся уравновесить разницу потенциалов через падение напряжения. Комплексность сопротивления напоминает об индуктивной составляющей, поскольку обмотка – это катушка.

Формула трансформаторов, количеством больше двух

При количестве трансформаторов большем двух формула усложняется. Приводится изображение, поскольку физический смысл каждой величины понятен из сказанного ранее. Ток формулы суммарный, для каждой параллельной обмотки меньше в число раз, равное коэффициенту трансформации. Точка над символом означает: число комплексное.

Ощутимо улучшает ситуацию наличие специальных устройств регулирования напряжения. В этом случае число витков изменяется, и коэффициенты трансформации выравниваются. Под нагрузкой токи распределяются неравномерно. В идеальном случае значение обратно пропорционально входному комплексному сопротивлению изделия. При разнице индуктивностей возможно применение реакторов, в любом случае понятно, при параллельном включении параметры обоих трансформаторов не должны слишком расходиться. Отрадно, что для режима нагрузки точный расчет коэффициентов не требуется… потому что явное различие выводит систему в аварийный режим. Конкретика не важна. Главное – избежать окончательного выхода изделий из строя.