Формула коэффициента трансформации

Что такое коэффициент трансформации

В электротехнике и радиотехнике часто возникает необходимость преобразовать переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой ве­личины. В этих случаях пользуются устройством, ко­торое называется трансформатором.

Трансформатор представляет собой систему из двух или более обмоток, размещенных на одном об­щем железном стержне (сердечнике). Одна из этих обмоток подключается к внешнему источнику пере­менной э. д. с. и называется первичной обмот­кой. Все остальные обмотки носят название вто­ричных
обмоток, и к ним подключаются соот­ветствующие потребители энергии (рис. 1).

Рис. 1 Схема трансформатора.

При включении источника пе­ременной э. д. с. в первичной обмотке протекает переменный ток, а в сердечнике трансформатора соз­дается переменный магнитный поток. Этот поток про­низывает витки первичной и вторичной обмоток и на каждом отдельном витке, согласно закону электро­магнитной индукции, наводит индуктированную э. д. с. Так как витки каждой обмотки наматываются в одну сторону, то э. д. с. действующая на концах данной об­мотки, будет равна сумме э. д. с. ее отдельных витков.

Если число витков вторичной обмотки W₂ меньше числа витков первичной обмотки W₁. то и напряжение на концах вторичной обмотки U₂ будет меньше напря­жения, действующего на концах первичной обмотки, т. е. U1. В этом случае трансформатор понижает напряжение внешнего источника, поэтому он назы­вается понижающим. Если число витков вторич­ной обмотки W₂ больше числа витков первичной обмотки W₁. то напряжение U₂ будет больше напря­жения U₁. В таком случае трансформатор повы­шает напряжение, создаваемое внешним источником, и называется повышающим.

Разделив амплитуду напряжения на вторичной об­мотке U₂ на амплитуду напряжения, действующего на первичной обмотке U₁ получим величину, которая ха­рактеризует степень преобразования величины напря­жения и называется коэффициентом транс­формации:

Так как магнитный поток является общим для обоих обмоток, то отношение напряжения на вторич­ной обмотке к напряжению на первичной обмотке можно заменить отношением чисел витков этих об­моток:

Если n> 1, то трансформатор повышающий, если n< 1, то — понижающий.

Из этого выражения можно определить величины U₂ и W₂

Схема измерения коэффициента трансформации силовых трансформаторов.

При работе трансформатора на концах нагрузоч­ного сопротивления R_н действует напряжение U2 и во вторичной обмотке протекает ток I₂. Следовательно, во вторичной обмотке развивается некоторая мощ­ность Р₂. Эта мощность во вторичной обмотке суще­ствует за счет того, что электрическая энергия, по­требляемая первичной обмоткой из питающей сети, передается во вторичную обмотку. Если считать ко­эффициент полезного действия трансформатора близ­ким к единице (— 100%), то мощность, потребляемая первичной обмоткой из питающей сети, должна быть равна мощности, созданной во вторичной обмотке:

Мощности в обеих обмотках можно выразить через напряжение и ток данной обмотки:

Подставив выражения для мощностей в формулу, получим:

Разделим обе части полученного равенства на одну и ту же величину I₁ U₂ :

Произведя сокращение, окончательно получим:

Из формулы видно, что напряжения на обмотках обратно пропорциональны токам, протекающим в этих обмотках. Чем больше напряжение на обмотке, тем меньше должен быть ток в этой обмотке и тем меньше сечение провода обмотки. Поэтому вторичная обмотка в понижающем трансформаторе наматывается, как правило, проводом с большим сечением, т. е. прово­дом, сечение которого намного больше сечения про­вода первичной обмотки.

Из формулы определим I₂

Но выражение (U₁. U₂ ) представляет собой величину, обратную коэффициенту трансформации, т. е.

Данные формулы справедливы для случая, когда у трансформатора имеются всего лишь две обмотки — первичная и вторичная. В более общем случае у трансформатора может быть большее количество вторичных обмоток, и тогда соотношения между токами и напряжениями в отдельных обмотках будут выглядеть иначе. Однако и в этих случаях остается справедли­вым равенство мощностей первичной и всех вторич­ных обмоток.

Коэффициент трансформации трансформатора

Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора

На практике при использовании энергии электрического тока часто появляется необходимость изменять напряжение, которое подается от генератора. Переменное напряжение можно масштабировать (повышать или понижать) почти без потерь энергии. Устройства при помощи которых производят преобразование напряжения (силы тока, сопротивления и т.д.) называют трансформаторами. Трансформаторы не преобразовывают виды энергии, а изменяют величину заданного параметра цепи, уменьшая его или увеличивая, поэтому, когда в данном случае говорят о преобразовании, то имеют в виду масштабирование.

Коэффициентом трансформации называют физическую величину, которая показывает относительное изменение параметра электрической сети, на который направлено преобразование.

Или, проще говоря, коэффициент трансформации показывает, во сколько раз трансформатор изменяет напряжение (силу тока и т.д.).

Обозначают коэффициент трансформации чаще всего буквами k или n (могут встречаться другие обозначения).

Если , то такой трансформатор называют повышающим, если больше единицы — то понижающим.

Разные виды трансформаторов и их коэффициенты трансформации

Так, при помощи трансформатора с параллельным подключением обмотки к источнику электрической энергии производят масштабирование напряжения (трансформатор напряжения), при этом коэффициент трансформации рассчитывают:

где — напряжение на входе трансформатора (на первичной обмотке); — напряжение на выходе трансформатора (на вторичной обмотке); — количество витков на первичной обмотке; — число витков на вторичной обмотке.

Если потерями в обмотках трансформатора пренебрегать нельзя, то коэффициент трансформации можно найти по формуле:

где — сопротивление первичной обмотки трансформатора — сопротивление вторичной обмотки; — ЭДС, которая наводится в каждом из витков обмоток; и — силы токов в соответствующих обмотках.

При помощи трансформатора с параллельным подключением можно масштабировать сопротивление. Расчет коэффициента трансформации при этом связывают с равенством мощности получаемой трансформатором от источника и отдаваемой во вторичную цепь. При этом потерями пренебрегают. Обозначим коэффициент трансформации сопротивления . Можно записать, что:

где — коэффициент трансформации по напряжению; — входное сопротивление трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи, — сопротивление нагрузки во вторичной цепи.

Если проводят масштабирование силы тока, то используют трансформатор с последовательным подключением первичной обмотки к источнику (трансформатор тока). Тогда коэффициент трансформации вычисляют как:

Последнее равенство в выражении (3) справедливо, только если не учитывать потери и считать, что:

Иначе возникает сила тока , которая показывает ток, составленный из тока намагничивания и активных потерь в магнитопроводе (этот ток еще называют током «холостого хода»). Если то мы имеем связь между силами токов, текущими в обмотках трансформатора в виде:

Примеры решения задач

Первичная обмотка трансформатора имеет 2000 витков, а вторичная 200 витков. Каков коэффициент трансформации? Трансформатор работает как повышающий или как понижающий? Чему будет равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора, если на первичную обмотку подается напряжение ?

В качестве основы для решения задачи используем выражение:

Так как число витков нам известно, вычислим коэффициент трансформации:

Выразим из формулы (1.1) , имеем:

Вычислим искомое напряжение:

1) 2) Трансформатор понижающий. 3) В.

Автотрансформатор — это катушка, которая надета на железный сердечник и имеет несколько отводов (рис.1) через назначенное количество витков. Между зажимами 1-2 имеется 100 витков, между точками 2-3 имеется 200 витков, между зажимами 3 и 4 — 300 витков. К зажимам 1 и 3 подано напряжения 220 В. Каким будет напряжение если снимать его между зажимами 1 и 2? Каков при этом коэффициент трансформации?

Число витков между зажимами 1-2 , между зажимами 1-3: В качестве основы для решения задачи используем формулу:

Выразим искомое напряжение:

Коэффициент трансформации будет равен:

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации – величина, показывающая во сколько раз входной параметр (напряжение, ток) меньше-больше выходного. Если цифра выше единицы, осуществляется 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 служит невероятно 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 нужно понизить напряжение, только на руку, на деле энергия потребляется источником питания, нужно 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.

Читайте также: Магнитная индукция

Другая сторона монеты: активные потери уменьшим, снизив число витков. Нужно 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 следующих 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.

Читайте также: Лейденская банка

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%, следует отдавать 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.

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, следует 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.

Существенно улучшает ситуацию наличие специальных устройств регулирования напряжения. В этом случае число витков изменяется, и коэффициенты трансформации выравниваются. Под нагрузкой токи также 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 существенное различие выводит систему в аварийный режим. Конкретика потому не важна. А главное – избежать окончательного выхода изделий из строя.

Источники: http://fazaa.ru/uroki-elektrotexniki/ponyatie-o-koefficiente-transformacii.html, http://ru.solverbook.com/spravochnik/koefficienty/koefficient-transformacii-transformatora/, http://vashtehnik.ru/enciklopediya/koefficient-transformacii.html