Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов

Обновлено: 29.04.2024

Вихревые токи трансформаторов

Паразитные вихревые токи в обмотках и сердечнике в значительной мере ответственны за потери, особенно в трансформаторах на большие токи и при нелинейной нагрузке. На Рис. 7.9 показаны пути этих токов в проводниках. Магнитное поле, обозначенное знаком «+», перпендикулярное к направлению проводника, индуцирует напряжения, вызывающие протекание вихревых токов в своих петельках. Напряжения в смежных проводниках уничтожают другдруга в середине. Но тем не менее остаются токи, которые текут вдоль радиальной поверхности проводников, что увеличивает омические потери в обмотках по сравнению с потерями от тока, протекающего вдоль проводника обмотки.

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I\. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5) 2 + (0.14х7) 2 ] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Виды и от чего зависят потери в трансформаторах, теория и примеры расчета

Вопрос-ответ

Для преобразования электроэнергии, поступающей от источника питания к приемнику (потребителю), используют силовые электромагнитные установки, работа которых сопровождается потерями трансформатора. Затраты активной мощности вызваны явлением гистерезиса (цикличного перемагничивания), вихревыми и циркулирующими токами, рассеиванием магнитного поля в толще магнитопровода и сопротивлением самого проводника.

Содержание

Устройство и принцип действия

В статическом оборудовании, которое предназначено для преобразования частоты и напряжения тока, а также количества фаз, отсутствуют движущиеся элементы конструкции, что исключает возникновение потерь механического характера. Но в процессе передачи нагрузки с первичного контура на вторичный не вся мощность доходит до приемника энергии, выступающего конечным потребителем.

Электромагнитное статическое оборудование без вращающихся деталей преобразует энергию и работает от электросети. Силовой агрегат представляет собой прибор, основными элементами которого служат стальной магнитопровод стержневого или броневого исполнения и катушки – несвязанные электрически изолированные провода.

Трансформаторное оборудование бывает однофазного и многофазного типа, соответственно, состоящего из двух или более контуров. По типу исполнения различают приборы с броневым, стержневым или бронестержневым магнитопроводом. Принцип действия оборудования на примере простого однофазного прибора:

К источнику переменного тока подключена первая катушка, а вторичный контур соединен с приемником электроэнергии (конечным потребителем).
Переменный ток проходит по виткам первичной обмотки, и его величина соответствует значению нагрузки I₁.
Магнитный поток Ф пронизывает оба контура и индуцирует в проводниках электродвижущую силу.
При подключении второго контура к источнику электроэнергии в цепи под действием ЭДС возникает ток нагрузки I₂.
Трансформаторный узел работает на холостом ходе, если на вторичную обмотку прибора не подается нагрузка.

Особенности

Величина показателя электродвижущей силы тесно связана с числом витков провода на катушках. Соотношение ЭДС в обмотках, называемое коэффициентом трансформации, соответствует числу витков медных катушек. Изменяя количество витков в контурах, можно регулировать напряжение в приемнике электроэнергии.

Обмотки связаны между собой магнитными линиями, а на степень их взаимосвязи влияет близость/дальность расположения катушек. Из-за изменения силы тока в первой обмотке, обе цепи пронизывает магнитный поток, постоянно меняющий свою величину и направленность. Соединение концов вторичной обмотки с приемником передает ему ток, а средством передачи энергии выступает переменный магнитный поток – катушки не связаны друг с другом гальваническим способом.

На заметку! По описанному принципу функционируют многофазные трансформаторные узлы, составленные из нескольких повышающих и понижающих обмоток и стального сердечника. Фазы катушек преимущественно соединяют по схеме «звезда» или «треугольник».

Что такое потери

Когда трансформатор функционирует на холостом ходу или под нагрузкой, в магнитопроводе прибора, электроизолированных обмотках и прочих элементах конструкции устройства часть активной мощности агрегата убывает. Потери представляют собой переменную величину, поэтому КПД приборов неодинаковый и никогда не достигает 100%-ного значения. На витках медной обмотки катушек энергия рассеивается из-за сопротивления проводника. У тока, проходящего по контуру, падает напряжение, вызывая, уменьшение мощности.

Непродуктивные потери при эксплуатации силовых установок возникают на холостом ходе, когда одна обмотка трансформатора находится на выделенном питании, а остальные контуры разомкнуты. Неизбежно возникают утечки и утрата мощностных характеристик работы агрегатов. Диэлектрические потери (в изоляционном слое) для трансформаторов, работающих на средней частоте в 50 Гц, являются несущественными. Незначительно влияют на показатель КПД утечки в первичной обмотке. Наиболее значительные энергозатраты вызывают магнитные явления в трансформаторах.

Магнитные

При работе трансформаторного узла без нагрузки ток, который подается на первичную обмотку, расходуется на намагничивание стального сердечника. Потери магнитопровода провоцируют такие магнитные явления, как гистерезис (циклическое перемагничивание) и вихревые токи.

Снижение активной мощности происходит из-за ее рассеивания в системе после поступления на первичный контур обмотки. Несмотря на увеличение энергии реактивного типа, номинальная нагрузка уменьшается. Разница между мощностями, поступающими на первый и второй контуры устройства, определяет суммарное снижение мощности. При работе не нагруженного трансформаторного оборудования потребляемая прибором активная мощность затрачивается на уравновешивание затрат тока холостого хода в магнитном сердечнике и катушке первичного контура.

Для записи процесса используют выражение I 2 ₀r₁. Возникают магнитные потери магнитопровода Р_М. При номинальном первичном напряжении и частоте тока суммарные некомпенсируемые затраты мощности относят к холостым потерям Р₀. Для вычислений используют формулу:

в которой активным сопротивлением первой катушки выступает величина r₁.

Значение Р₀ никаким образом не меняется при регулировании нагрузки электромагнитного силового узла и является постоянным. Величина магнитного потока Ф₀ остается неизменной при любых параметрах нагрузочных токов I₁ и I₂, поэтому значение I_НАМ также не изменяется.

Описание

Магнитные потери прямо пропорциональны массе стального сердечника и значению магнитной индукции. В ферромагнетиках есть зоны самопроизвольного намагничивания, называемые доменами. Для магнитных моментов диполей характерна беспорядочная направленность, поэтому вне воздействия внешнего поля намагничивания итоговый магнитный момент ферромагнетика приближается к нулю.

Посредством помещения металлической детали в магнитное поле переменного действия, сгенерированное переменным током, происходит циклическое перемагничивание ферромагнитного сердечника с частотой этого тока. Одновременно из-за внутреннего трения изменяют свое направление магнитные моменты доменов. В зависимости от величины индукции магнитного поля, действующего извне, ферромагнетик приобретает большую степень намагничивания. Когда значение индукции достигает определенной величины, происходит переориентирование доменов вдоль вектора направления поля.

Петля гистерезиса выражает взаимосвязь между магнитным потоком и переменным током. Она оказывает определенное влияние на возникновение потерь трансформаторных установок, функционирующих на холостом режиме. При каждом цикле перемагничивания затрачивается некоторая работа, величина которой пропорциональна площади петли гистерезиса. Работа способствует тепловому нагреванию сердечника и вызывает дополнительные энергозатраты. Чтобы снизить потери прибора на гистерезис, магнитопроводы выполняют из специальной трансформаторной стали категории электротехническая.

В проводниках, помещенных в область воздействия переменных магнитных полей, в стальном сердечнике преобразователя электроэнергии создаются вихревые токи (Фуко), которые замыкаются в металлическом магнитопроводе (стержне или броне), нагревают деталь и способствуют убыли энергии. Чтобы компенсировать силу действия вихревых токов, возникающих в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, для изготовления трансформаторных сердечников используют изолированные пластины стали, набранные определенным способом.

Процессы, связанные с рассеиванием энергии в сердечнике агрегата, образуются областью магнитного потока, которая замыкается через воздух вблизи витков обмотки. Побочные потери силового устройства вызывает активное сопротивление катушек, возникающее в результате нагрева проводника под действием токов. Поэтому для сокращения энергопотерь трансформаторные обмотки выполняют из меди.

Важно! Чтобы снизить затраты мощности в сердечнике, используют магнитомягкий материал с высокой магнитопроницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Потери в меди сокращают увеличением сечения проводников катушек. Для компенсации действия вихревых токов магнитопровод набирают из электроизолированных пластин, а сталь специально легируют кремнием.

Электрические

Нагрев катушек трансформатора током вызывает снижение мощности. Такие затраты в среднем на электросеть составляют 5% от общего количества потребляемой энергии. Величина электрических потерь зависит от следующих факторов:

нагрузки энергосистемы;
конфигурации, длины, размера сечения внутренних сетей;
текущего режима работы узла;
коэффициента мощности системы в средневзвешенном значении;
схемы расположения компенсирующих устройств.

На переменную величину потерь мощности электроэнергии влияет показатель квадрата тока в контурах обмотки. При подаче нагрузки на трансформатор электромагнитная мощность из первичной обмотки поступает на вторичную катушку. По второму контуру проходит ток I₂, вместе с ним в первом контуре образуется ток I₁, значение которого находится в прямой зависимости от силы нагрузки I₂. Происходит убыль электрической мощности, величина которой определяется пропорционально квадратам токов обоих катушек и рассчитывается по формуле:

r₁ и r₂ – сопротивления проводников обмоток.

Закономерной представляется зависимость потерь Р_НАГР от требуемой конечному потребителю величины мощности энергии. Имеют место колебания нагрузочных затрат в конкретном временном интервале, поэтому электрические потери в обмотках различны в пределах суток, являются величинами непостоянными и «привязаны» к режимам нагрузки.

Дополнительные

Добавочные затраты мощности электроэнергии возникают не только в катушках и магнитопроводе, но и в других элементах конструкции трансформатора – в стенках охлаждающего бака для отведения теплопотерь, ярмовых балках, не содержащих витков обмотки, прессующих кольцах.

Мощности

Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, не выходящие за пределы обмотки, называют вихревыми. Если токи из-за рассеивания образуются между параллельно расположенными витками или электроизолированными стальными пластинами в сердечнике, их называют циркулирующими. Они сцепляются не со всей областью обмотки, а только с некоторыми витками. Преимущественно возникают в среде, не обладающей свойствами намагничивания, – масло, воздух. Направление побочных потоков проходит перпендикулярно основному току в катушках и магнитопроводе, приводит к добавочному снижению эффективности работы трансформатора.

Для реальных токов характерно неравномерное распределение в системе, поэтому их величины определяются как суммарное значение трех токов:

нагрузочного – ток равномерно распределяется по сечению проводника и между его витками;
циркулирующего – ток замыкается внутри контура параллельных витков;
вихревого – ток замыкается в пределах каждого из проводов.

Суммирование значений этих токов позволяет рассчитать реальные затраты энергии в обмотках трансформатора:

На основании потерь холостого хода, нагрузочных и дополнительных затрат, определяют общие энергопотери трансформаторного узла.

Убыль энергии в силовом агрегате складывается из магнитных потерь, возникающих в магнитопроводе, и электрических, образующихся в обмотках трансформатора. КПД вычисляют как соотношение затрат энергии и полезной мощности. Для расчетов используют значения:

активной мощности Р₁, получаемой от источника питания;
активной мощности Р₂, передаваемой конечному потребителю;
электрических потерь ΔP_ЭЛ, возникающих в обмотках трансформатора;
магнитных потерь ΔР_М, которые образуются в сердечнике;
побочных затрат энергии ΔР_ДОП, возникающих в других элементах конструкции и составляющих в среднем до 10% всех потерь.

Для расчета ΔP_ЭЛ применяют формулу:

а значение ΔР_М вычисляют по выражению:

ΔР_ВТ – потери в результате действия вихревых токов.

КПД вычисляют по формуле:

где ƞ принимается равным 0 при холостом режиме работы трансформатора, а его мощность тратится на компенсацию магнитных потерь.

При расчете КПД учитываются побочные энергозатраты, возникающие не в магнитопроводе и обмотке, а в остальных элементах силового агрегата.

Внимание! Косвенный метод вычисления КПД путем раздельной оценки потерь подходит для промышленного применения.

Способ непосредственных измерений экономически нецелесообразный, поэтому используется для маломощных трансформаторов.

Нагрузочные

Дополнительные потери активной мощности статического электромагнитного оборудования также возникают в результате несимметрии токов, что вызвано включением в системы электроснабжения потребителей, искажающих качество электроэнергии. Даже при изменении ее качества в допустимых нормативных диапазонах, наблюдается снижение эффективности работы электрооборудования. Поэтому требуется количественная оценка ущерба, причиненного отклонением показателей качества энергии.

В многофазных трансформаторах на характер протекающих процессов не влияет порядок чередования фаз, но несимметричные нагрузки приводят к убыли активной мощности. Несимметрия входных напряжений вызывает несимметрию выходных напряжений, что обусловлено протеканием токов обратной последовательности. Побочные потери определяются по формуле:

ΔР_ХХ и ΔР_КЗ – соответственно потери на холостом ходе и при замыкании накоротко;

U_КЗ – напряжение короткого замыкания.

Выражение используют при известных номинальных значениях, указанных в паспортных данных оборудования. В противном случае пользуются формулой расчета:

S_НОМ – соответствует полной номинальной мощности прибора.

Согласно ГОСТу, максимальные значение коэффициента несимметрии нагрузки K₂_U по обратной последовательности не должны превышать 2% на протяжении 95% недельного временного интервала или быть выше 4% в течение 100% времени, ограниченного сроком в одну неделю.

При проведении вычислений по обеим формулам разница полученных значений ΔР_ДОП может достигать 50%. Поэтому в каждом конкретном случае расчет дополнительных потерь проводят на основании данных о трансформаторах и величине искажения режима работы – несимметричности нагрузки.

Как рассчитать

На практике используют два основных способа вычисления потерь электромагнитного оборудования, для которых применяют технические характеристики трансформаторов. Министерством энергетики РФ рекомендовано в отчетном периоде рассчитывать потери нагрузки на основе схемы энергосети:

ΔР_СР – средние потери мощности, кВт;

K 2 _Ф – коэффициент формы графика;

Т_J – длительность расчетного периода.

Если графика нагрузки нет, K 2 _Ф = (1+2К_З) / 3К_З), а при отсутствии информации о коэффициенте заполнения графика, К_З = 0,5.

Для двухобмоточных

Чтобы выполнить вычисления, нужно пользоваться техническими (каталожными) параметрами трансформатора, к которым относится:

номинальная мощность;
потери холостого хода;
затраты при замыкании накоротко.

Также для вычислений нужны расчетные данные:

фактически потребленная энергия в период времени;
число отработанных часов (в месяц/квартал);
время эксплуатации трансформатора при номинальной нагрузке сети.

После получения перечисленных данных проводят измерение угла cos φ, выступающего средневзвешенным коэффициентом мощности, отталкиваясь от значения tg φ – коэффициента компенсации узла диэлектрических потерь:

Если в энергосистему не включен счетчик реактивных мощностей, используют выражение:

Формулы

Для расчетов используют формулу:

Э_А – активная электроэнергия;

cos φ = r / Z – угол сдвига фаз (r – активное и Z – полное сопротивление цепи).

Или такая запись:

Соответственно потери трансформатора в рабочем режиме (при нагрузке, а не во время холостого хода) вычисляют так:

или такая запись:

Описанную методику используют при проведении вычислений потерь в двухконтурных трансформаторах.

Для трехобмоточных

Чтобы посчитать убыль электроэнергии в трехобмоточных силовых узлах в формулу расчета дополнительно включают технические характеристики оборудования, указанные производителем в паспорте. Расчетная формула:

где Э – фактически потребленная энергия;

Э_СН и Э_НН соответственно электроэнергия в контурах среднего и низкого напряжения или по формуле, где коэффициенты находят так:

В формуле используют номинальную мощность каждого контура обмотки и потери, которые возникают при замыкании накоротко.

Примеры расчета

Для более четкого понимания методики вычислений удобно рассматривать порядок расчета на конкретном примере. В работе задействован силовой агрегат номинальной мощностью 400 кВа и номинального напряжения 10 кВ. Задача усложнена необходимостью вычислить постоянные и переменные потери трансформатора по активной и реактивной энергии.

Таблица 1. Исходные данные

Показатель	Выражение	Значение
Мощность номинальная, kVA	S_nom	400
Напряжение номинальное, исходя из параметров сети 10/0.4, kV	U_nom	10
Переданная активная электроэнергия, kWh	W_a	53954
Реактивная электроэнергия, kWh	W_r	39062
Потери при замыкании накоротко, kW	Р_КЗ	5,9
Затраты в режиме холостого хода, kW	Р_ХХ	0,95
Отработанные под нагрузкой часы, h	Т_ОЧ	696
Время максимальной нагрузки, h	Т_М	333
Время наибольших потерь, h	t	200
Коэффициент мощности	cos φ	0,81

Прибор отработал 696 часов в рабочем режиме, причем часть времени трансформатор функционировал по максимальной нагрузке, а часть времени преобразовывал электроэнергию с наибольшими потерями. Для расчета этих значений нужно учесть нижеприведенное правило.

Соответственно, время использования максимальной нагрузки Т_М составляет 333 ч, а время наибольших потерь t составит 200 ч.

Коэффициент мощности находят по формуле:

Постоянные потери энергии зависят от затрат холостого хода и составляют

Для расчета переменных потерь активной энергии в расчетном периоде применяется формула:

∆W_s_,а = Р_КЗ * t * ((W 2 _а + W 2 _r) / (Т 2 _М * S 2 _nom)) = 5,9 * 200 * ((53954 2 + 39062 2 ) / (333 2 * 400 2 )) = 295,057 kWh;

∆W_s_,_r = ΔQ_sc * t * ((W 2 _а + W 2 _r) / (Т 2 _М * S 2 _nom)) = 17,005 * 200 * ((53954 2 + 39062 2 ) / (333 2 * 400 2 )) = 850,502 kWh, где

Общие потери энергии в расчетном периоде составляют:

Результат примера: 956 и 6659.

Измерение полезного действия

Эксплуатация оборудования при разомкнутом контуре вторичной цепи называется холостым ходом, а с подключением нагрузочного тока – рабочим режимом. В первом контуре цепи поток Ф₀ создает ЭДС самоиндукции, и при разомкнутом вторичном контуре она уравновешивает часть напряжения. Передавая вторичной обмотке нагрузку, можно вызвать образование тока I₂, который возбуждает собственный поток Ф₂. Суммарный магнитный поток уменьшается, снижая величину ЭДС Е₁, а некоторая часть U₁ остается несбалансированной.

Одновременно I₁ увеличивается и возрастает до прекращения размагничивающего действия тока нагрузки. Это способствует восстановлению Ф₀ приблизительно до исходного значения.

Проводник вторичной обмотки закономерно обладает активным сопротивлением. Если оно растет, I₂ и Ф₂ уменьшаются, обуславливая увеличение Ф₀ и возрастание ЭДС Е₁. В результате баланс U₁ и ЭДС Е₂ нарушается – разница между ними уменьшается, снижая I₂ до такого значения, при котором суммарный магнитный поток вернется к первоначальной величине.

Способ вычисления

Данный процесс способствует практически полному постоянству величин магнитных потоков при эксплуатации трансформатора на холостом ходе и в рабочем режиме. Такое свойство преобразователя энергии называют саморегулирующей способностью, благодаря которой значение нагрузочного тока I₁ автоматически корректируется при колебаниях тока нагрузки I₂.

Процесс преобразования электроэнергии в трансформаторных узлах сопровождается потерями и отражается на величине КПД, который является отношением отдаваемой активной мощности к потребляемой. Показатель полезного действия отражает соотношение активной мощности на входе и выходе для замкнутой цепи. Его вычисляют по простой формуле:

ƞ = (Р₂ / Р₁) * 100%, где активную мощность в обмотках входного и исходящего контуров определяют путем измерения.

Упростить процесс замеров можно при включении во вторичную обмотку активного тока нагрузки. Для определяя значение М₂ используют амперметр, соединенный с вторичной цепью. Поток рассеивания будет незначительным, что позволяет приблизительно приравнять cos φ в квадрате к единице.

Чтобы избежать ошибок, на практике при измерении КПД трансформаторов используют два способа: опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

Смысл первого метода заключается в подаче номинального напряжения на первичный контур при разомкнутой вторичной цепи. Энергия тратится на потери в стали, мощность которых можно замерять ваттметром, соединенным с контуром первичной обмотки.

Другой способ состоит в замыкании вторичного контура накоротко и одновременной подаче напряжения на первичную цепь. Включение ваттметра в первую цепь позволяет измерить мощность, отражающую потери медного проводника обмотки.

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.

Почему в трансформаторе делают минимальные воздушные зазоры, и на что они влияют

Вопрос-ответ

Технические условия некоторых типов трансформаторов предусматривают наличие в сердечнике немагнитного зазора. Каково значение этого пространства и почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными?

Прежде чем перейти к главному вопросу, проведем краткий экскурс по описанию, характеристикам, видам и предназначению рассматриваемого прибора.

Содержание

Описание и предназначение трансформатора

Итак, трансформатор – это замкнутый магнитопровод, в составе которого две или более электрически автономные обмотки. Самые распространенные – однофазные модели с двумя обмотками. В основе действия прибора стоит эффект электромагнитной индукции.

Чтобы снизить потери на магнитный гистерезис, магнитопровод делают из трансформаторной стали(с узкой петлей магнитности). Снижение вихревых потерь достигается за счет примеси кремния в составе и конструкции из раздельных пластов.

Первичной обмоткой считается та, на которую идет подача энергии. Другие – вторичны. При подключении источника первичная обмотка производит переменный магнитный ток. Магнитопровод переносит нагрузку на слои следующей обмотки, и в цепи появляется электричество.

Высокочастотные устройства с малой мощностью могут в качестве магнитопровода использовать воздушную среду.

Предназначение, применение

Трансформаторы служат преобразователями электрической энергии, меняя показатели переменного напряжения. Они могут работать как автономные аппараты или состоять частью электротехнического оборудования.

Очень часто замкнутая электромагнитная установка применяется для передачи электроэнергии на большие дистанции, для повышения напряжения, идущего от источников переменного тока.Сама электростанция производит напряжение от 220 до 660V. Магнитопровод способен преобразовать его до тысяч киловольт. Когда напряжение высокое, потери по проводам гораздо ниже, и можно передавать энергию через ЛЭП меньшего сечения. Это приводит к существенной экономии ресурса.

Виды трансформаторов

В основе строения любого аппарата находится сердечник. Он может состоять из пластин или из лент (разъемный или неразъемный). Устройство же сердечника может различаться.

Виды охлаждения

Любое электротехническое оборудование предусматривает систему охлаждения. В трансформаторах эта функция бывает следующих типов:

Естественное масляное охлаждение;
Масляное плюс воздушное;
Масляное с силовой циркуляцией;
Чисто воздушное.

Масляный вид охлаждения – самый экономичный и оптимальный для наружного монтажа. Правда, использование такого оборудования требует наличие маслоприемников.

Иногда в качестве охлаждающей жидкости используют негорючие материалы (диэлектрики). Такие аппараты защищены от воспламенения, но при этом очень токсичны.

В общественных зданиях устанавливают пожаробезопасные и нетоксичные сухие трансформаторы. Единственный минус этого вида – шумная работа, поэтому их ставят в изолированных помещениях.

Решающим фактором для выбора метода охлаждения является номинальная мощность оборудования. Чем выше этот параметр, тем интенсивнее его необходимо охлаждать

Классификация по применению

Разные типы трансформаторов могут иметь различное применение. Так, низкочастотные силовые аппараты работают на снижение напряжения до стандартного. Их используют в сетях предприятий и населенных пунктов.

Если прибор уменьшает значение тока, его называют трансформатором тока. В них вторичные обмотки подсоединяются к измерительным или защитным приборам.

В высокочастотных импульсных трансформаторах сердечник изготовлен из феррита. Компактные габариты и эффективность обеспечили широкую сферу применения – от лампочек до мощных инверторов.

Конструктивные особенности разных типов трансформаторов

Конструкции замкнутых магнитопроводных приборов бывают трех видов:

Броневые. Эта схема строения подходит для крупного и высоковольтного оборудования. Минимальная мощность – 0,5ВА. Конструкция броневого трансформатора представляет собой ярмо, которое обеспечивает защиту стержня.
Стержневые. Здесь катушки насажены на сердечник в виде стрежня. Сфера применения данной конструкции – небольшие трансформаторы сухого типа, так как обмотки плохо защищены от коротких замыканий.
Тороидальные. Сердечник в форме кольца и ленточная неразъемная намотка дают снижение сопротивления при росте КПД. Удобное в монтаже устройство применяется гораздо шире других видов.

Считается, что тороидальный тип гораздо лучше в работе. В действительности, гораздо важнее качество производства оборудования.

Для чего в сердечнике нужен воздушный зазор?

Когда по первичной обмотке низкочастотного прибора проходит не только переменный, но и постоянный ток, это уменьшает показатель индуктивности катушки. Для предотвращения таких изменений делается воздушный зазор в трансформаторе.

Величина зазора зависит от следующих показателей:

Габариты сердечника;
Индуктивность обмотки;
Сила постоянного тока, идущего по катушке.

Бывает, что зазор создается ненамеренно во время сборки магнитопроводов трансформатора. Но в некоторых механизмах он требуется по принципу действия.

Применение воздушного зазора несущественно влияет на индуктивность. Немагнитные промежутки на сердечнике увеличивают магнитное сопротивление. При этом амплитудное значение магнитного тока постоянно (если не меняется амплитуда напряжения).

Есть устройства, в принципе не подразумевающие зазоров. Такая технология применяется в ленточных неразъемных сердечниках. Примером служит тороидальный трансформатор. Причина, почему в них не делают промежутков, связана со строением сердечника.

Форма тора минимизирует размер магнитной цепи, а обмотка имеет сравнительно немного витков и малое сопротивление. Как результат, тороидальное оборудование имеет малые потоки рассеяния и устойчиво к перегрузкам. Зато устройство подвержено негативному влиянию высокого напряжения и подмагничиванию постоянным током. А причина как раз в отсутствии воздушного зазора в магнитопроводе трансформатора.

Величина зазора в магнитопроводе

Параметры работы катушки зависимы от длины немагнитного промежутка в обмотке. Как именно?

Известно, что длина зазора не влияет на показатели магнитного потока. Однако удлинение немагнитного промежутка вызывает рост магнитного сопротивления. А поскольку магнитный поток имеет постоянное значение, происходит увеличение тока.

Итак, можно сделать вывод, что разные размеры зазора в сердечнике вызывают протекание токов различной величины. А магнитный поток при этом не изменяется.

Вот почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными. Чтобы уменьшить величину тока в обмотке, нужно уменьшать длину немагнитного промежутка.

Если в техусловиях оборудования не указана определенная величина, зазору придают минимальное значение. Таким методом снижают показатели намагничивающуюся составляющую тока холостого хода.

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Вихревые токи – токи Фуко, что это такое и где они используются

Вихревые или еще так называемые цикличные токи могут нести в себе помимо вреда еще и пользу. С одной стороны, вихревые токи - это непосредственная причина потерь электроэнергии в проводнике либо же катушке. В то же самое время на этом эффекте построены современные индукционные печи, так что польза от таких токов есть. Давайте поговорим о пользе и вреде немного по подробней.

Краткое определение

Для начала давайте дадим определение озвученному явлению. Вихревые токи - это такие токи, которые начинают протекать по причине воздействия переменного магнитного поля. При этом может изменяться не само поле, а положение проводника в этом поле, то есть если проводник начнет перемещаться в статичном поле, то в нем все равно образуются токи Фуко.

И траекторию протекания таких токов определить невозможно. Известно лишь то, что ток проходит в том месте, где сопротивление минимально.

Как открыли это явление

Изначально вихревые токи были зафиксированы в 1824 году ученым
Д.А. Араго во время проведения следующего опыта:

На одной оси были смонтированы медный диск и магнитная стрелка, диск располагался внизу, а стрелка несколько выше. Так вот, когда стрелку вращали, то медный диск также начинал вращаться, так как протекающие токи формировали магнитное поле, которое и вступало во взаимодействие с магнитной стрелкой.

Наблюдаемый эффект получил название – явление Араго .

По истечении нескольких лет этот вопрос стал изучать Максвелл Фарадей , который как раз открыл закон электромагнитной индукции. Так вот, согласно открытому закону было сделано предположение, что магнитное поле оказывает непосредственное воздействие на атомарную решетку проводника.

И образующийся в результате данного воздействия электрический ток, всегда формирует магнитное поле во всем проводнике.

А подробно описал вихревые токи уже экспериментатор Фуко , именно поэтому второе название вихревых токов – токи Фуко. С историей немного познакомились, теперь давайте узнаем природу вихревых токов.

Природа вихревых токов

Замкнутые циклические токи могут образоваться в проводнике только в том варианте, когда магнитное поле, в котором находится проводник, имеет нестабильную структуру, то есть имеет вращение или изменяется со временем.

Из этого следует, что сила вихревых токов имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока, проходящего через проводник.

По общепринятой теории электроны перемещаются в проводнике линейным образом из-за разности потенциалов, а это значит, что ток имеет прямое направление.

Читайте также: