Расчет трансформатора: онлайн калькулятор или дедовский метод для дома

Расчет на основе мощности

При выборе трансформаторов для подстанций, обслуживающих жилые дома, обязательно собирается и анализируется информация о мощностях, которые требуются потребителям. Второй показатель – распределение этих мощностей по времени. Потребление может зависеть от времени суток и сезона. Типовые графики доступны в справочниках.

На предприятиях учитываются технологические особенности оборудования, время включения и выключения, периоды перезагрузки и недогрузки, возможность расширения производства и подключения дополнительных потребителей.

Определять коэффициент загрузки необходимо по формуле:

β =Sр/S, где:

S_р –расчетная загрузка;

S – номинальная загрузка.

Если суточный график имеет большие провалы и пики, значение все равно равное.

Существуют рекомендованные величины коэффициентов:

• 0,65-0,7 – для потребителей первой категории;
• 0,7-0,8 – для потребителей второй категории;
• 0,9-0,95 – для потребителей третьей категории.

К первой категории относятся потребители, которые без электроэнергии могут нанести ущерб, нарушить сложный техпроцесса, вывести из строя дорогостоящее оборудование. Чаще всего у них есть свои источники питания (батареи, аккумуляторы, шины напряжения, собственные электростанции).

Вторая категория – потребители, у которых без электроэнергии возможен брак, простой, нарушения распорядка жизни большого количества частных лиц. Третья категория – все остальные.

Для масляных преобразователей

Для масляных преобразователей допускаются перегрузки:

• 30% – 2 часа;
• 45% – 80 минут;
• 60% – 45 минут;
• 75% – 20 минут;
• 100% – 10 минут.

Для автотрансформатора эти показания относятся к обмотке, которая наиболее нагружена.

Для сухих преобразователей

• 20% – час;
• 30% – 45 минут;
• 40% – 32 минуты;
• 50% – 18 минут;
• 60% – 5 минут.

Перегрузки легче переносят масляные преобразователи.

При установке трансформаторов они проверяются на перезагрузку в аварийной ситуации:

β = Sр/S.

Показатель может достигать 1,7-1,8.

В режиме после аварии

1,4* S≥ Sр.

Уменьшить показатель можно только до величины, позволяющей покрыть нагрузку при выходе из строя одного из преобразователей. Его завышение влечет за собой необходимость в установке дополнительного оборудования. Если на подстанции или предприятии два трансформатора, выбирается значение β= 0,7.

При наличии на подстанции или предприятии суточных графиков работы преобразователей они выбираются в соответствии с ГОСТ 1420985. Как определяют коэффициент нагрузки трансформатора, если графиков нет?

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.

Методы расчета коэффициент трансформации

Для проведения испытаний вам понадобится вольтметр. С помощью этого прибора можно убедиться в том, что соотношение количества витков соответствует техническим стандартам. Для этого необходимо измерить коэффициенты на холостом ходу. Эти проверки также позволяют определить полярности и возможные повреждения трансформатора.

Существует 3 метода определения коэффициента трансформации:

• технические документы от производителя;
• мост переменного тока;
• последовательные измерения вольтметром.

Классический метод измерений предполагает использование двух вольтметров. Номинальный коэффициент определяется путем деления показателей напряжения, которые фиксируются на холостом ходу.

При работе с новым прибором эти данные можно посмотреть в техническом паспорте производителя. При проверке трехфазных трансформаторов измерения проводятся одновременно для одной и другой обмотки.

Встречаются ситуации, при которых прибор имеет скрытые выводы. В таком случае измерения проводятся только в том месте, в котором провода соединяются с устройством и не находятся под кожухом. Они находятся снаружи, поэтому доступны для проведения проверки. При работе с устройством одной фазы задача упрощается. Для исследования понадобятся значения двух вольтметров, расположенных в разных концах обмотки. Такая схема учитывает подключенную нагрузку цепи №2.

Наиболее современный способ определения коэффициентов позволит быстро получить показатели должного уровня точности. Универсальные приборы не требуют подведения к трансформатору каких-либо источников напряжения. Данным методом пользуются профессиональные электрики. При наличии специальных приборов с такой задачей справится и неподготовленный человек.

При анализе токов трансформатора создается цепь, в которой величина тока от 20 до 100 процентов пропускается по обмотке первичного типа. При этом должно и измеряться ответвление – вторичный ток.

Стоит быть предельно осторожными при работе с трансформаторами, имеющими несколько обмоток вторичного типа. Такие устройства могут быть опасными. Вторичные обмотки в таком случае изолируются с целью предотвращения возникновения риска для жизни и рабочего оборудования.

Некоторые типы трансформаторов требуют заземления. Для работы с ними требуется найти в корпусе найти клемму со специальным обозначением «З» (то есть, заземление).

Типовой расчёт параметров

• напряжение первичной и вторичной обмотки;
• габаритны сердечника;
• толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается ток нагрузки: In=Po/U2, А.
2. Вычисляется величина тока вторичной обмотки: I2 = 1,5*In, А.
3. Определяется мощность вторичной обмотки: P2 = U2*I2, Вт.
4. Находится общая мощность устройства: Pт = 1,25*P2, Вт.
5. Вычисляется сила тока первичной обмотки: I1 = Pт/U1, А.
6. Находится необходимое сечение магнитопровода: S = 1,3*√ Pт, см².

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S

. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

• U1 — напряжение первичной обмотке, В.
• S — площадь сердечника, см².
• K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

• d — диаметр провода, мм.
• I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т

. е.поместится ли обмотка на каркас . Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Таким образом, автотрансформатор позволяет получить на выходе мощность значительно больше, чем трансформатор на таком же сердечнике при небольшом коэффициенте передачи.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются

.Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными . В качестве таких данных используются:

• напряжение входной обмотки, В;
• напряжение выходной обмотки, В;
• ток выходной обмотки, А;
• наружный диаметр тора, мм;
• внутренний диаметр тора, мм;
• высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную

. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.

Коэффициент трансформации трансформатора

По специальной формуле определяется число проводов в обмотке, учитываются все особенности используемого сердечника. Поэтому в разных приборах в первичных катушках число витков будет разным, несмотря на то что подключаются к одному и тому же источнику питания. Витки рассчитываются относительно напряжения, если к трансформатору необходимо подключить несколько нагрузок с разным напряжением питания, то количество вторичных обмоток будет соответствовать количеству подключаемых нагрузок.

Зная число витков провода в первичной и вторичной обмотке, можно рассчитать k устройства. Согласно определения из ГОСТ 17596-72 “Коэффициент трансформации – отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной или отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке в режиме холостого хода без учета падения напряжения на трансформаторе.” Если этот коэффициент k больше 1, то прибор понижающий, если меньше – повышающий. В ГОСТе такого различия нет, поэтому большее число делят на меньшее и k всегда больше 1.

В электроснабжении преобразователи помогают снизить потери при передаче электроэнергии. Для этого напряжение, вырабатываемое электростанцией, увеличивается до нескольких сотен тысяч вольт. Затем этими же устройствами напряжение понижается до требуемого значения.

На тяговых подстанциях, обеспечивающих производственный и жилой комплекс электроэнергией, установлены трансформаторы с регулятором напряжения. От вторичной катушки отводятся дополнительные выводы, подключение к которым позволяет менять напряжение в небольшом интервале. Это делается болтовым соединением или рукояткой. В этом случае коэффициент трансформации силового трансформатора указывается в его паспорте.

Норматив для изоляции

Значение коэффициента является показателем ресурса изоляционного материала. Это испытание занимает сравнительно много времени, позволяет определить характеристики тока, замедленного поляризацией. Различие показателей для сухой и влажной изоляции обусловлено различной продолжительностью заряда емкости материала.

Нормальная изоляция

Среднее нормативное значение абсорбционного коэффициента 1,3.

На практике:

• К <1,25 – изоляция несоответствующая;
• К = 1,25-1,6 – изоляция хорошая;
• К>1,6 – изоляция очень хорошая

Если трансформатор новый, рассчитанный или измеренный показатель не должен быть ниже определенного производителем более чем на 20%. Если это условие не выполнено, оборудование требует сушки.

Сухая

Норма для неувлажненной обмотки K = 1,3-2,0. Ток в начале испытания резко повышается, потом снижается. Значение через 60 секунд отличается от показателя через 15 секунд примерно на 30% в сторону повышения.

Влажная

Если изоляция влажная, коэффициент имеет показатель, близкий к единице. Ток быстро устанавливается, в течение 45-и секунд меняется мало.

Значения электросопротивления для всех видов трансформаторов определены в ПУЭ (правилах устройства электроустановок):

1. Для трансформаторов с мощностью до 35 кВ – 450-40 МОм (в зависимости от температуры).
2. Для сухих преобразователей от:

• 100Мом при напряжении обмоток 1 кВ;
• 300 Мом при напряжении обмоток 1-6 кВ;
• от 500 МОм – от 6 кВ.

Определение и расчет коэффициента трансформации счетчика электроэнергии

Все приборы учета электроэнергии, которые рассчитаны на большие токи (от 100 А и выше) имеют в своем составе понижающие трансформаторы. Они уменьшают ток, поступающий непосредственно на измерительную часть. Одним из основных параметров для потребителя в этом случае является коэффициент трансформации счетчика электроэнергии. Он необходим для правильного снятия показаний с таких измерительных приборов.

Техническая характеристика коэффициента

Коэффициент трансформации – отношение токов нагрузки и электрического счетчика. В данном случае он всегда будет больше единицы, так как токи потребления превышают измерительные. При подсчете израсходованной электроэнергии, показания на циферблате или панели, умножаются на данный коэффициент. Получившееся значение является правильным количеством потребленных киловатт-часов.

А также трансформаторы имеют класс точности. Для оборудования учета электроэнергии он равен 0,2 или 0,5. Чем ниже значение класса, тем более высокая точность измерительных приборов.

Виды электросчетчиков

Существует огромное количество различных электросчетчиков. Однако их всех можно разбить на три основных вида:

Механические устройства

Конструктивно индукционные счетчики выполнены следующим образом – между двух катушек, токовой и напряжения, находится алюминиевый диск, который механически связан со шкалой.

Принцип работы – ток, протекающий по катушкам, создает электромагнитное поле, которое заставляет вращаться диск. Он через червячную передачу передает свое вращение на механизм отсчета. Чем больший ток протекает через катушки, тем большая индуктивность электромагнитного поля, которое заставляет быстрее вращаться диск, а следственно и шкалу.

В классификации счетчиков индуктивные являются самыми неточными. Это обусловлено погрешностями, возникающими при преобразовании электромагнитного поля во вращение диска. А также довольно серьезные погрешности могут возникать и в механизме вращения шкалы.

Главным достоинством данного вида – низкая цена.

С электронным механизмом

Электронные приборы учета электроэнергии появились относительно недавно. Основаны они на измерении тока посредством аналоговых датчиков. Информация с датчиков поступает на микроконтроллер, где преобразуется и выводится на ЖК дисплей.

К достоинствам электронных относится:

• Небольшие размеры.
• Возможность настраивать несколько алгоритмов подсчета электроэнергии.
• Самый высокий класс точности среди других видов из-за отсутствия большого числа элементов при измерении.
• Возможность настроить систему АСКУЭ.

Главными недостатками являются высокая цена и большая чувствительность к скачкообразному изменению напряжения в сети.

Смешанные модели

Гибридные приборы, как видно из названия, являются комбинацией компонентов индуктивных и электронных счетчиков. Измерительная часть у них взята от механических, а обработка и вывод показаний осуществляется с помощью микроконтроллера.

Данный вид был создан с целью уменьшения цены на оборудование, которое можно было бы подключить в систему АСКУЭ. Данный вид нечувствителен к скачкам напряжения.

К недостаткам можно отнести большие размеры и невысокую точность по сравнению с электронными.

Определение коэффициента трансформации

Как было сказано выше, при подсчете затраченной электроэнергии важно знать коэффициент трансформации счетчика. Информацию о нем можно найти как в паспорте на счетчик электроэнергии, так и на лицевой панели прибора

Иногда в электронных приборах его можно найти в меню. Обозначается он либо через знак деления, либо просто числом. Обычно это значения из ряда 10, 20, 30 и 40.

Но нередки случаи, когда паспорт на оборудование отсутствует. В этом случае коэффициент трансформации можно высчитать самому. Для этого необходимо иметь либо два мультиметра, либо специальное оборудование.

В первом случае, одним мультиметром измеряется напряжение на первичной обмотке, вторым на вторичной

Важно помнить, что замеры делаются только на холостом варианте работы трансформатора, то есть без нагрузки. Ни в коем случае не следует превышать значение номинального напряжения, указанного в паспорте, так как это значительно увеличит погрешность

Использование специального оборудования позволяет не использовать внешний источник питания, что существенно упрощается процедуру измерения.

Измеряя показатель трансформации, следует использовать измерительные приборы с классом точности не менее 0,5.

Инструкция как мегаомметром проверить трансформатор 250 кВа

Подробно тест проверки сопротивления изоляции обмоток силового трансформатора номинальной мощностью 250 кВа,  независимо от класса напряжения по высоковольтной стороне (6/10 кВ или выше) и значением напряжение на низковольтной стороне равной стандарту 0,4 кВ проводится в несколько четких шагов, что позволяет выполнить такое испытание наиболее полно, правильно и главное безопасно.

Основное требование по безопасности в инструкции проверки трансформатора 250кВа или  любой другой мощности мегаомметром производится рабочим персоналом только вдвоем, с группой по электробезопасности ведущего измерения не ниже IV (до и выше 1000 вольт), а его напарника – не ниже III категории электробезопасности.

Замеры сопротивления проводят не ранее, чем через 12 часов после окончания заливки в агрегат трансформаторного масла до номинального уровня. Измерения ведут при температуре изоляции не ниже 10 градусов по Цельсию.

Последовательность

Последовательность проведения теста-измерения сопротивления изоляции мегаомметром на 2500В и пределом сопротивления 10000 Ом, следующая:

• Проведение внешнего осмотра преобразователя напряжения в составе энерго системы – перед испытанием специалисты должны провести внешний осмотр оборудования, и визуально убедится в целостности всех элементов, отсутствия повреждений радиатора трансформатора, изоляторов, уровня масла, стекла термометров, заземления трансформатора;
• Замер мегаомметров (2500 В/10000 Ом) проводятся в строгой последовательности по схемам из нормативной документации для текущего теста:
• НН – ВН;
• ВН – НН;
• ВН + НН.

При этом все выводы обмоток одного напряжения соединяют между собой, остальные обмотки в обязательном порядке заземляют.

• С помощью мегаомметра подключенного к выводам обмоткам проводят два замера сопротивления с временным интервалом 15 и 60 секунд. Начало отсчета берут от начала вращения ручки прибора. Перед началом проведения тесты все обмотки трансформатора требуется их заземлять на время не менее 5 минут;
• Перед проведением замеров рабочая зона, где установлен испытываемый агрегат должна быть очищена от любых посторонних предметов, ограждена и в доступных местах вывешены плакаты по электробезопасности типа «СТОЙ! НАПРЯЖЕНИЕ!», а в местах переключения или других подвижных контактах предупреждающие плакаты «НЕ ВКЛЮЧАТЬ! РАБОТАЮТ ЛЮДИ!»
• Полученные значения сопротивлений обмоток в равном температурном эквиваленте, но с разным временным интервалом сравнивают с нормативными данными трансформаторов из технической литературы, фиксируют их в рабочем журнале испытаний. Номинал сопротивления обмоток согласно пунктам «ПУЭ» в нормальном режиме устройства равен не мене 0,5 Мом;
• После измерений сопротивления принимаются проводить следующие измерение в составе данного испытания типа:
• Измерения сопротивления шпилек стяжных, бандажей, прочих конструктивных элементов крепежа корпуса оборудования относительно активного металла магнитопровода и обмоток;

Последний этап

Полученные значения фиксируют в том же формате в рабочем журнале, а после анализируют с основными значениями сопротивлений. Мегаомметр с номиналом по напряжению в 2500 Вольт и пределом по сопротивлению в 10000 Ом позволяет не только получить данные о значения сопротивления внутренних элементов трансформатора в 250кВА, но дает возможно их прозвонить на целостность внутри, тем самым определив есть ли внутри преобразующего устройства неисправности, необходимые к срочному устранению или ремонту. Что в свою очередь влияет на заключительные выводы о возможности ввода нового или ранее используемого оборудования в эксплуатацию в составе всей сложной электроустановки.

Свойства трансформатора

В представленной выше схеме серийного изделия функциональность обеспечивают две катушки индукции, закрепленные на сердечнике из металла. При подключении к источнику питания переменного тока формируется электромагнитное поле, которое создает ток во второй обмотке по базовым законам электродинамики. В упрощенном варианте пренебрегают затратами энергии на повышение температуры проводников и потерями, которые обеспечивают вихревые токи. Для приблизительного расчета применяют формулу:

Ктр = Uвх/Uвых = N1/N2, где N – количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.

Масштабирование напряжения

Этот термин подчеркивает суть рассматриваемого явления. Фактически трансформация (преобразование) энергии в данном случае не происходит. Изменяется в сторону увеличения (уменьшения) определенный параметр. Несмотря на взаимную связь всех базовых компонентов, отдельно рассматривают только важнейший показатель для решения определенной инженерной задачи (напряжение, силу тока или электрическое сопротивление).

Если подключить трансформатор по схеме, показанной на картинке выше, формулу коэффициента трансформации можно определить следующим образом:

Ктр = Uвх/Uвых = (E*N1 + I1*R1)/ (E*N2 + I2*R2),

где

• E – электродвижущая сила, которая наводится в одиночном витке;
• I, R – токи, активные электрические сопротивления (значения для соответствующих обмоток).

Масштабирование силы тока

В этом примере первичную обмотку подключают к источнику питания последовательно через небольшую нагрузку (Ктр = I1/I2). Зависимость токов и количества витков:

I1*N1 = I2*N2 +Iх.

В этом выражении Ix – ток холостого хода, который обусловлен отмеченными выше вихревыми явлениями и потерями на повышение температуры магнитопровода. Простым математическим преобразованием можно получить значение коэффициента трансформации через количество витков (без учета сопутствующих энергетических затрат):

Ктр = N2/N1.

Масштабирование сопротивления

В отдельных ситуациях функциональность электротехнического устройства (отдельных блоков) будет определять именно сопротивление подключаемой нагрузки. Наглядный пример – согласование типовых низкоомных динамиков (6-8 Ом) и выходного тракта усилителя мощности звукового диапазона.

Согласующий трансформатор

При воспроизведении технологии сварки в рабочей области фактически поддерживается режим короткого замыкания. Если не отделить эту часть от источника питания, сеть будет подвергаться чрезмерным нагрузкам. В этой ситуации пригодится трансформатор, который сохраняет путь передачи электроэнергии с одновременным выполнением необходимых защитных функций.

Для этих примеров особое значение приобретает баланс:

W1 = W2 + Wп.

В этом выражении приведены обозначения мощностей:

• W1 – потребления;
• W2 – передаваемой в нагрузку;
• Wп – потерь.

Последовательность элементарных преобразований позволит получить следующие выражения, по которым будут вычисляться отдельные параметры:

• W1 = I1 * U1 = U12/Z1;
• W2 = I2 * U2 = U22/Z2;
• с исключением потерь: U12/Z1 = U22/Z2;
• Ктр (по сопротивлению) = U12/U22 = Z1/ Z2 = Ктр2 (по напряжению).

К сведению. В этих выражениях Z1 (Z2) – это сопротивления нагрузки для источника питания при подключенном трансформаторе или без него, соответственно.

Итоговые замечания

Следует подчеркнуть неизменность воспроизведения трансформатором рабочих процессов в любом из представленных выше примеров. Тип масштабирования будет определяться целевым назначением определенной схемы. В зависимости от необходимости учитывают коэффициент трансформатора по соответствующему параметру (U, I или Z). Способность повышать, понижать или поддерживать равный уровень напряжения объясняется только количеством витков.

К сведению. При расчете измерительной аппаратуры и в других ситуациях для повышения точности учитывают энергетические потери, фазовый сдвиг электрических параметров и влияние внешних факторов.

Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора

Получается, что коэффициент – это постоянная величина, показывающая масштабирование электрических параметров, она полностью зависит от конструкторских особенностей устройства. Для разных параметров расчет k производится по-разному. Существуют следующие категории трансформаторов:

• по напряжению;
• по току;
• по сопротивлению.

Перед определением коэффициента необходимо замерить напряжение на катушках. ГОСТ указано, что производить такое измерение нужно при холостом ходе. Это когда к преобразователю не подключена нагрузка, показания могут быть отображены на паспортной табличке этого устройства.

Затем показания первичной обмотки делят на показания вторичной, это и будет коэффициентом. При наличии сведений о количестве витков в каждой катушке производят дробление числа витков первичной обмотки на число витков вторичной. При этом расчете пренебрегают активным сопротивлением катушек. Если вторичных обмоток несколько, для каждой находят свой k.

Трансформаторы тока имеют свою особенность, их первичная обмотка включается последовательно нагрузке. Перед вычислением показателя k измеряют ток первичной и вторичной цепи. Производят разложение значения первичного тока на ток вторичной цепи. При наличии паспортных данных о количестве витков допускается произвести вычисление k путем деления числа оборотов провода вторичной обмотки на число оборотов провода первичной.

При расчете коэффициента для трансформатора сопротивления, его еще называют согласующим, сначала находят входное и выходное сопротивление. Для этого вычисляют мощность, которая равняется произведению напряжения и тока. Затем мощность делят на квадрат напряжения и получают сопротивление. Дробление входного сопротивления трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи и входного сопротивления нагрузки во вторичной цепи даст k прибора.

Есть другой способ вычисления. Необходимо найти коэффициент k по напряжению и возвести его в квадрат, результат будет аналогичным.

Калькулятор

Для упрощения вычислений удобно пользоваться онлайн-калькулятором. Алгоритм программы позволяет вычислить энергопотери трансформатора без сложных формул. Но полученные результаты следует рассматривать как ориентировочные. Для ввода используют следующие данные:

• из техпаспорта прибора берут величину S_ном (кВА);
• вводят значение Р_кз – справочный (паспортный) параметр (кВт);
• выбирают P_хх в технической документации прибора (кВт);
• указывают нагрузочный ток I_хх в процентном выражении (%);
• обозначают напряжение U_кз – справочная информация (%);
• вводят коэффициент загрузки K в относительных единицах;
• указывают время эксплуатации прибора с максимальной загрузкой Т_м (час);
• из фактического режима эксплуатации оборудования берут годовое число часов работы агрегата Т_г (час);
• средний тариф С_о на активную электроэнергию в расчетном периоде (руб/кВт*час).

После введения данных программа рассчитывает необходимые значения.

Поскольку энергопотери приводят к увеличению расхода материалов и средств, они вызывают удорожание электроэнергии. Сведение убыли непродуктивных энергозатрат силовых агрегатов к минимуму позволяет конструировать устройства с максимальным коэффициентом полезного действия. Применяя на практике методы расчета потерь активной мощности трансформаторных узлов, можно определить экономичность функционирования оборудования и необходимость установки в замкнутых цепях компенсирующей аппаратуры.