Правильный расчет силового трансформатора
Сразу оговорюсь, что буду рассматривать однофазные трансформаторы для питания наземной стационарной радиоаппаратуры мощностью в десятки — сотни ватт, что имеет самое распространенное применение.
Прежде, чем приступить к расчетам трансформатора, которых может быть великое множество, необходимо договориться о критериях его качества, что непременно отразится на построении расчетных формул.
Я считаю, что главный качественный показатель силовоготрансформатора для радиоаппаратуры — это его надежность. Следствие надежности — это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами, он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иначе говоря, трансформатор должен быть “жестким”).
Другие критерии оптимизации, кроме надежности, как-то: экономия меди, минимальные габариты или вес, высокая удельная мощность, удобство намотки, минимизация стоимости, ограниченный срок службы (чтобы новые покупали чаще, взамен сгоревших) я не считаю приемлемыми в инженерной практике.
Методики “вышивания” из имеющегося типоразмера сердечника наимаксимальнейшей мощности, я тоже считаю неприемлемыми: такие трансформаторы долго не работают и греются как черти. Хотите экономить — покупайте китайскую дешевку или советский ширпотреб. Но помните: “Скупой всегда платит дважды!”.
Трансформатор должен работать и не создавать проблем. Это его главная функция. Исходя из этого, будем его и рассчитывать! Прежде всего, необходимо уяснить для себя некоторую минимальную теорию. Итак: силовой трансформатор. Не идеальный.
Поэтому эти неидеальности нужно понимать и правильно учитывать. Главных неидеальностей у силового трансформатора — две:
- Потери на активном сопротивлении провода обмоток (зависят от материала провода и от плотности, протекающего через него тока).
- Потери на перемагничивание в сердечнике — на неком “магнитном сопротивлении” (зависят от материала сердечника и от значения магнитной индукции).
Именно эти две неидеальности должны быть разумно-минимальными, чтобы трансформатор удовлетворял требованиям надежности. Активное сопротивление обмоток и, как следствие, их нагрев, определяется заложенной при расчете плотностью тока в проводе. А посему ее значение должно быть оптимальным.
На основании большого практического опыта рекомендую использовать значение плотности тока в медном проводе не более 3,2 ампера на квадратный миллиметр сечения. При использовании серебряного провода, плотность тока можно увеличить до 3,5 ампер на квадратный миллиметр.
А вот для алюминиевого провода она не должна превышать значение 2 ампера на квадратный миллиметр. Указанные значения плотности тока категорически превышать нельзя! И из этих значений мы выведем формулы для определения диаметра провода обмоток, коими будем пользоваться в расчете.
Мотать обмотки более толстым проводом (при меньшем значении плотности тока) — можно. Более тонким — категорически нет! Однако, и более толстым проводом мотать обмотки не стоит, поскольку тогда мы рискуем не уложить нужное число витков в окно сердечника.
Расчет мощности трансформатора на стержневом магнитопроводе вручную и при помощи онлайн калькулятора
- n = 0,95 — КПД трансформатора;
- Sc и So — площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см];
- f — нижняя рабочая частота трансформатора [Гц];
- В = 1,2 — магнитная индукция [Т];
- j — плотность тока в проводе обмоток [А/кв.мм];
- Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью;
- Кс = 0,96 — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью;
Как рассчитать диаметр провода для любой обмотки?
Чем толще, тем лучше, но с условием, что он поместится в окно магнитопровода. Если окно небольшое, то желательно посчитать ток каждой наматываемой обмотки, чтобы подобрать оптимальный диаметр провода из имеющихся в наличии.
P – мощность потребляемая от данной обмотки,
U – действующее напряжение данной обмотки.
Например, у меня потребляемая мощность 31 Ватт и вся она будет отдаваться катушками «III» и «IV».
При этом плотность тока можно выбрать по таблице.
| Конструкция трансформатора | Плотность тока (а/мм2) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-10 | 10-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Однокаркасная | 3,0-4,0 | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,7-2,0 | 1,4-1,7 |
| Двухкаркасная | 3,5-4,0 | 2,7-3,5 | 2,4-2,7 | 2,0-2,5 | 1,7-2,3 |
| Кольцевая | 4,5-5,0 | 4,0-4,5 | 3,5-4,5 | 3,0-3,5 | 2,5-3,0 |
У меня нет провода диаметром 0,78 мм, но зато есть провод диаметром 1,0мм. Поэтому, я на всякий случай посчитаю, хватит ли мне места для этих катушек.
На картинке два варианта конструкции каркаса: А – обычная, В– секционная.
Мне нужно намотать 124 витка проводом 1,0 мм, у которого диаметр с изоляцией равен 1,08 мм. Таких обмоток требуется две.
124 * 1,08 * 1,1 : 40 ≈ 3,68 слоя
1,1 – коэффициент. На практике, при расчёте заполнения нужно прибавить 10 – 20% к полученному результату. Я буду мотать аккуратно, виток к витку, поэтому добавил 10%.
Получилось 4 слоя провода диаметром 1,08мм. Хотя, последний, четвёртый слой заполнен только на несколько процентов.
У меня в распоряжении 9мм глубины каркаса, а значит, обмотка влезет и ещё останется свободное место.
Это малюсенькая по заполнению окна обмоточка и её можно даже не принимать в расчёт, когда остаётся так много свободного места.
Перед намоткой в несколько проводов, сначала нужно посчитать длину провода обмотки, а затем разрезать провод на требуемые куски.
| Конструкция трансформатора | Плотность тока (а/мм2) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-10 | 10-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Однокаркасная | 3,0-4,0 | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,7-2,0 | 1,4-1,7 |
| Двухкаркасная | 3,5-4,0 | 2,7-3,5 | 2,4-2,7 | 2,0-2,5 | 1,7-2,3 |
| Кольцевая | 4,5-5,0 | 4,0-4,5 | 3,5-4,5 | 3,0-3,5 | 2,5-3,0 |
Правильный расчет силового трансформатора
Как измерить диаметр провода.
Если у Вас дома завалялся микрометр, то можно им замерить диаметр провода.
Провод сначала лучше прогреть на пламени спички и лишь потом скальпелем удалить ослабленную изоляцию. Если этого не сделать, то вместе с изоляцией можно удалить и часть меди, что снизит точность измерения особенно для тонкого провода.
Если микрометра нет, то можно воспользоваться обыкновенной линейкой. Нужно намотать на жало отвёртки или на другую подходящую ось 100 витков провода, сжать витки ногтем и приложить полученный набор к линейке. Разделив полученный результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Узнать диметр провода по меди можно из таблицы приведённой ниже.
Я намотал 100 витков провода и получил длину набора –39 мм.
По таблице определяю диметр провода по меди – 0,35мм.
Таблица данных обмоточных проводов.
Расчет номинальной мощности трансформатора
Номинальная мощность, MB • А, трансформатора на подстанции с числом трансформаторов п > 1 в общем виде определяется из выражения
Для сетевых подстанций, где примерно до 25 % потребителей из числа малоответственных в аварийном режиме может быть отключено, обычно принимается равным 0,75…0,85. При отсутствии потребителей III категории К 1-2 = 1 Для производств (потребителей) 1й и особой группы известны проектные решения, ориентирующиеся на 50%ю загрузку трансформаторов.
Рекомендуется широкое применение складского и передвижного резерва трансформаторов, причем при аварийных режимах допускается перегрузка трансформаторов на 40 % на время максимума общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 сут.
При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформаторов кн в условиях его перегрузки должен быть не более 0,75, а коэффициент начальной нагрузки кпн — не более 0,93.
Завышение коэффициента к приводит к завышению суммарной установленной мощности трансформаторов на подстанции.
Уменьшение коэффициента возможно лишь до такого значения, которое с учетом перегрузочной способности трансформатора и возможности отключения неответственных потребителей позволит покрыть основную нагрузку одним оставшимся в работе трансформатором при аварийном выходе из строя второго трансформатора.
В настоящее время существует практика выбора номинальной мощности трансформатора для двух трансформаторной подстанции с учетом значения к = 0,7, т.е.
Формально выражение (3.14) выглядит ошибочно: действительно, единица измерения активной мощности — Вт; полной (кажущейся) мощности — ВА. Есть различия и в физической интерпретации S и Р. Но следует подразумевать, что осуществляется компенсация реактивной мощности на шинах подстанции 5УР, ЗУР и что коэффициент мощности cos ф находится в диапазоне 0,92… 0,95.
Тогда ошибка, связанная с упрощением выражения (3.13) до (3.14), не превышает инженерную ошибку 10%, которая включает в себя и приблизительность значения 0,7, и ошибку в определении фиксированного Рмах
Таким образом, суммарная установленная мощность двухтрансформаторной подстанции
Расчет трансформатора тока: пусковой и номинальный ток, пример на 10 кВ
Выбор магнитопровода
Выбираем 150 ВА и ШЛ25х32. В таблице также приведено рекомендованное число витков на 1 вольт — W0: 3,9. Следовательно, число витков W1 первичной обмотки будет равно произведению напряжения сети на W0:
Затем по таблице выбираем диаметр провода при плотности тока 2,5 А/мм кв:
Для первичной обмотки диаметр провода получается 0,59 мм, для вторичной — 2,0 мм. После этого надо выяснить, помещаются ли обмотки в окна магнитопровода. Это несложно определить на основе числа витков и диаметров проводов с учетом толщины каркасов катушек и слоев дополнительной изоляции. Рекомендуется сделать эскиз для наглядного расчета.
Если вторичных обмоток несколько, должны быть известны мощности для каждой из них. Они суммируются для получения параметров первичной обмотки. Затем расчет выполняется аналогично рассмотренному выше примеру. Но определение токов делается по мощности каждой вторичной обмотки.
Расчетные данные в виде таблиц приведены в справочниках для всех типов сердечников, но при определенных частотах напряжений первичной обмотки:
Для рассматриваемой нагрузки 100 Вт выбираем ПЛ20х40-50
Если требуемые параметры не совпадают с табличными значениями, придется использовать формулы:
kф – коэффициент формы напряжения на первичной обмотке,
Упрощенные формулы справедливы только для тех случаев, которые эти упрощения определяют. Поэтому они не могут охватить все возможные ситуации и не будут обеспечивать приемлемую точность в большинстве из них.
Как рассчитать мощность трансформатора
Выбор мощности трансформатора
Типовые мощности трансформаторов стандартизированы.
| Стандартные мощности трансформаторов | ||||||||
| 25 | 40 | 60 | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | 1000 |
Учитывая число трансформаторов на подстанции (N) мощность каждого рассчитывают по формуле, затем выбирают из таблицы ближайшее большее значение:
В этой формуле Кз – коэффициент загрузки трансформатора. Это отношение потребляемой мощности в максимальном режиме к номинальной мощности аппарата. Работа с необоснованно пониженным коэффициентом загрузки экономически не выгодна. Для потребителей, в зависимости от категории бесперебойности электроснабжения, рекомендуются коэффициенты:
| Категория потребителей | Коэффициент загрузки |
| I | 0,65-0,7 |
| II | 0,7-0,8 |
| II | 0,9-0,95 |
Из таблицы видно, что коэффициент загрузки учитывает взятия одним трансформатором дополнительной нагрузки, переходящей к нему при выходе из строя другого трансформатора или его питающей линии. Но он ограничивает перегрузку трансформатора, оставляя по мощности некоторый запас.
Систематические перегрузки трансформаторов возможны, но их время и величина ограничиваются требованиями заводов-изготовителей этих устройств. По правилам ПТЭЭП длительная перегрузка трансформаторов с масляным или синтетическим диэлектриком ограничивается до 5%.
Отдельно ПТЭЭП определяется длительность аварийных перегрузок в зависимости от их величины.
| Категория электроснабжения | Время возможного перерыва питания | Схема питания |
| I | Невозможно | Два независимых источника с АВР и собственный генератор |
| II | На время оперативного переключения питания | Два независимых источника |
| III | 1 сутки | Один источник питания |
Пример расчета
- электроснабжения потребителей III категории надежности;
- электроснабжения потребителей любых категорий, имеющих другие независимые линии питания и собственную автоматику резервирования, переключающую их на эти источники.
Сборка трансформатора
При сборке разрезного ленточного сердечника нужно обращать внимание на соответствие частей друг другу, поскольку при изготовлении они подгоняются путем шлифовки. Для понижения шума торцы пакетов пластин можно покрыть слоем лака.
Ленточный сердечник
Расчет сетевого трансформатора не представляет сложности. Важнее здесь определиться с предъявляемыми к нему требованиями. От правильности поставленной задачи будет зависеть точность дальнейших расчетов. Для силового трансформатора расчет так же удобно выполнить, используя он-лайн калькулятор. По такой же методике рассчитывается повышающий трансформатор.
| Мощность, P | Сечение в см2, S | Количество вит. /В, W | Мощность, P | Сечение в см2, S | Количество вит. /В, W |
| 1 | 1.4 | 32 | 50 | 9.0 | 5.0 |
| 2 | 2.1 | 21 | 60 | 9.8 | 4.6 |
| 5 | 3.6 | 13 | 70 | 10.3 | 4.3 |
| 10 | 4.6 | 9.8 | 80 | 11.0 | 4.1 |
| 15 | 5.5 | 8.4 | 90 | 11.7 | 3.9 |
| 20 | 6.2 | 7.3 | 100 | 12.3 | 3.7 |
| 25 | 6.6 | 6.7 | 120 | 13.4 | 3.4 |
| 30 | 7.3 | 6.2 | 150 | 15.0 | 3.0 |
| 40 | 8.3 | 5.4 | 200 | 17.3 | 2.6 |
Расчет трансформатора тока по мощности
- Входное напряжение сети. Оно зависит от источника, к которому будет подключен трансформатор. Стандартными являются: 110 В, 220 В, 380 В, 660 В. На практике оно может быть любым, что зависит от характеристик промежуточных цепей.
- Выходное напряжение трансформатора — величина, требуемая для обеспечения стабильной работы потребителя. Часто требуется изготовить изделие с несколькими номиналами или с регулируемым напряжением. Тогда необходимо учитывать максимальную его величину.
- Ток в нагрузке. При фиксированном значении рассчитываются жесткие характеристики устройства, но часто требуется обеспечить регулируемую величину, тогда потребуется учесть максимальную его величину.
- Частота сети. У нас применяется европейский стандарт, то есть 50 Гц.
- Мощность нагрузки. Это не основной параметр, потому что ее можно определить по напряжению и току.
- Количество выходных обмоток. В некоторых электронных приборах используются блоки питания с несколькими выходными напряжениями. Для изготовления силовой электроники используется в основном один номинал, например, для сварочных трансформаторов.
Содержание
- 1. Общая часть
- 2. Определение нагрузки на трансформаторы тока для измерительных приборов
- 3. Определение напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока
- 4. Определение нагрузки на трансформаторы тока для релейной защиты
- 5. Определение расчетной кратности (Красч.) для выбора допустимой нагрузки (Zдоп.) на трансформаторы тока по кривым предельных кратностей
- 5.1 Токовые защиты с независимой характеристикой
- 5.2 Токовые отсечки
- 5.3 Максимальные токовые защиты с зависимой характеристикой
- 5.4 Направленные токовые и дистанционные защиты
- 5.5 Дифференциальные токовые защиты
- 5.6 Дифференциально-фазные высокочастотные защиты
- 5.7 Продольные дифференциальные токовые защиты линий
- 6 Определение расчетной нагрузки Zн
- 7. Определение сопротивления соединительных проводов
- 8. Справочные данные по потреблению релейной аппаратуры
Расчетная нагрузка для трансформаторов тока релейной защиты определяется по выражениям, приведенным в таблице №1. В расчете принимается Zн=Zдоп.
По значению Zн можно определить сопротивление соединительных проводов (жил кабеля) во вторичных цепях трансформаторов тока.
Таблица 1 – расчетные формулы для определения вторичной нагрузки и сопротивления соединительных проводов трансформаторов тока для релейной защиты
Расчет трансформатора тока по мощности
Токовый трансформатор ставится на 3 жилы провода, но модели с классом точности 0,5S, где одно кольцо идет на одну фазу, можно подключать к одножильному кабелю. Перед установкой прибора производится его расчет.
Пример расчета на 10 кВ
Модели на 10 кВ подходят для коммерческого учета энергии. Для вычислений можно использовать онлайн-программу – калькулятор. После ввода данных в поля и нажатия кнопки расчета появится нужная информация.
Если программы нет, рассчитать параметры устройства можно самостоятельно. Понадобится перевести трехсекундный ток термической стойкости в односекундный. Для этого используется формула I3с=I1с/1,732.
Сложность применения данного аппарата – минимальный, около 10 А, силовой ток цепи.
Трансформаторы тока, устанавливаемые на производстве или в жилом многоквартирном доме, самостоятельно не рассчитываются. Понадобится обратиться в компанию энергоснабжения для получения ТУ с моделью узла учета и типом устройства, номиналом автоматов. Это исключает сложности самостоятельных вычислений.
| Класс точности | Номинал первичного тока в % | Предел вторичной нагрузки в % |
| 0,1 | 5, 20, 100-200 | 25-100 |
| 0,2 | ||
| 0,2 S | 1,5, 20, 100, 120 | |
| 0,5 | 5, 20, 100, 120 | |
| 0,5 S | 1, 5, 20, 100, 120 | |
| 1 | 5, 20, 100-120 | |
| 3 | 50-120 | 50-100 |
| 5 | ||
| 10 |
Как рассчитать диаметр провода для любой обмотки?
- Номинал сетевого напряжения. Номинальный показатель должен превышать или быть равным рабочему напряжению.
- Ток первичной и вторичной обмотки. Первый показатель зависит от коэффициента трансформации, второй – зависит от того, какой счетчик.
- Коэффициент преобразования. Подбирается по нагрузке в аварийных случаях, но ПУЭ устанавливают необходимость монтажа устройств с коэффициентом, большим, чем номинальный.
- Класс точности. Зависит от целевого использования счетчика. На коммерческом предприятии оправданы приборы 0,5S, в частном доме – 1S.
