Выбор и расчет мощности силовых трансформаторов
Латинское слово transformare переводится на русский язык как «превращение». Трансформатор предназначен для изменения уровня входного напряжения на определённую величину. Устройство состоит из одной или нескольких обмоток на замкнутом магнитопроводе. Катушки наматываются из алюминиевого или медного провода. Сердечник набирается из пластин с повышенными ферромагнитными свойствами.
Первичная обмотка присоединяется к электрической сети переменного тока. Во вторичную обмотку включается устройство, которому требуется напряжение другой величины.
После подключения к трансформатору питания в магнитопроводе появляется замкнутый магнитный поток, который индуцирует в каждой катушке переменную электродвижущую силу. Закон Фарадея гласит, что ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, который проходит через электромагнитный контур. Знак «минус» указывает на противоположность направлений магнитного поля и ЭДС.
Формула e = − n (∆Ф ∕ ∆ t) объединяет следующие понятия:
- Электродвижущая сила e, исчисляемая в вольтах.
- Количество витков n в индукторе.
- Магнитный поток Ф, единица измерения которого называется вебером.
- Время t, необходимое для одной фазы изменения магнитного поля.
Учитывая незначительность потерь в катушке индуктивности, ЭДС приравнивается к напряжению в обмотке. Отношение напряжений в первичной и вторичной обмотке равно отношению количества витков в двух катушках. Отсюда выводится формула трансформатора:
Коэффициент K всегда больше единицы. В трансформаторе изменяется только напряжение и сила тока. Умноженные друг на друга, они определяют мощность прибора, постоянную величину для конкретного устройства. Соотношение тока и напряжения в обмотках раскрывает формула:
Иначе говоря, во сколько раз уменьшено напряжение во вторичной обмотке в сравнении с напряжением в первичной катушке, во столько раз сила тока во вторичной катушке больше тока в первичной обмотке. Различное напряжение устанавливается количеством витков в каждом индукторе. Формула, описывающая коэффициент K, объясняет, как рассчитать трансформатор.
Трансформатор предназначен для работы в цепи переменного напряжения. Постоянный ток не индуцирует ЭДС в магнитопроводе, и электрическая энергия не передаётся в другую обмотку.
Ещё в 1822 году Фарадей озаботился мыслью, как превратить магнетизм в электрический ток. Многолетние исследования приводят к созданию цикла статей, в которых описывалось физическое явление электромагнитной индукции. Фундаментальный труд публиковался в научном журнале английского Королевского общества.
Суть опытов состояла в том, что исследователь намотал два куска медной проволоки на кольцо из железа. К одной из катушек подключался постоянный ток. Гальванометр, соединённый с контактами другой обмотки, фиксировал кратковременное появление напряжения. Чтобы восстановить индукцию, экспериментатор отключал источник питания, а затем вновь замыкал контакты на батарею.
Расчет мощности силовых трансформаторов
- Автотрансформатор имеет один магнитопровод, на котором собран индуктор. Часть витков выполняет функции первичной обмотки, а остальные витки действуют как вторичные катушки.
- Преобразователи напряжения работают в измерительных приборах и в цепях релейной защиты.
- Преобразователи тока предназначены для гальванической развязки в сетях сигнализации и управления.
- Импульсные трансформаторы применяются в вычислительной технике, автоматике, системах связи.
- Силовые устройства работают с напряжением до 750 киловольт.
Расчёт параметров прибора
Иногда в руки к электрику попадает прибор без описания технических характеристик. Тогда специалист определяет мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Площадь сечения находится перемножением ширины и толщины сердечника. Полученное число возводится в квадрат. Результат укажет на примерную мощность устройства.
Желательно, чтобы площадь магнитопровода немного превышала расчётное значение. Иначе тело сердечника попадёт в область насыщения магнитного поля, что приведёт к падению индуктивности и сопротивления катушки. Этот процесс увеличит уровень проходящего тока, вызовет перегрев устройства и поломку.
Практический расчёт силового трансформатора не займёт много времени. Например, перед домашним мастером стоит задача осветить рабочий уголок в гараже. В помещении имеется бытовая розетка на 220 В, в которую необходимо подключить светильник с лампой мощностью 40 Вт на 36 В. Требуется рассчитать технические параметры понижающего трансформатора.
Определение мощности
Во время работы устройства неизбежны тепловые потери. При нагрузке, не превышающей 100 Вт, коэффициент полезного действия равен 0,8. Истинная потребная мощность трансформатора P₁ определяется делением мощности лампы P₂ на КПД:
Округление осуществляется в бо́льшую сторону. Результат 50 Вт.
Вычисление сечения сердечника
От мощности трансформатора зависят размеры магнитопровода. Площадь сечения определяется следующим образом.
Поперечное сечение сердечника должно иметь площадь не менее 8‚49 см².
Расчёт количества витков
Площадь магнитопровода помогает определить количество витков провода на 1 вольт напряжения:
Токи в обмотках
Следующий этап — нахождение силы тока в каждой обмотке, которое вычисляется делением мощности на напряжение. После нехитрых подсчётов получается требуемый результат.
В первичной катушке I₁ = P₁ ∕ U₁ = 50 ∕ 220 = 0‚23 ампера, а во вторичной катушке I₂ = P₂ ∕ U₂ = 40 ∕ 36 = 1‚12 ампера.
Диаметр провода
Расчёт обмоток трансформатора завершается определением толщины провода, сечение которого вычисляется по формуле: d = 0‚8 √ I. Слой изоляции в расчёт не берётся. Проводник входной катушки должен иметь диаметр:
Для намотки выходной обмотки потребуется провод с диаметром:
Размеры определены в миллиметрах. После округления получается, что первичная катушка наматывается проволокой толщиной 0‚5 мм, а на вторичную обмотку подойдёт провод в 1 мм.
Зачем нужны трансформаторы тока
По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:
-
• Опорные монтируются на опорной плоскости.
-
• Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.
-
• Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.
-
• Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.
-
• Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток — их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.
-
• Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.
-
• Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.
По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток — на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации — на одноступенчатые и каскадные.
Трансформаторы тока и напряжения
- по числу фаз: на одно- и трехфазные;
- по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный — две: основную и дополнительную;
- по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной — для контроля изоляции цепи;
- по особенностям исполнений — на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
- по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.
