Что такое коэффициент трансформации и как его найти
Одна из важнейших характеристик трансформатора — коэффициент трансформации. Он определяет параметры выходной обмотки. Поэтому необходимо знать, что такое коэффициент трансформации и как его можно определить.
Как трансформатор работает
Данное устройство позволяет увеличить или понизить параметры входного электротока (напряжения, сопротивления и т. п.). Трансформаторы энергию не преобразовывают, а лишь изменяют значение параметров электроцепи, то есть, масштабируют. При преобразовании сохраняется частота.
Работа трансформатора основана на электромагнитной индукции. Типовая конструкция такого прибора представляет собой замкнутую рамку из ферромагнитного материала, на которую намотан электрический провод от входной и выходной обмоток.
Использование переменного электротока приводит к тому, что внутри входной катушки образуется магнитное поле, которое по ферромагнитной рамке передается в выходную цепь. Под воздействием магнитного поля образуется напряжение или ток с необходимыми параметрами.
Каждая катушка трансформатора называется обмоткой, а рамка — сердечником. Обмотка, на которую поступает входное напряжение является первичной. Находящаяся в выходной цепи — вторичной. Существуют устройства не только с двумя, но и с тремя и большим количеством обмоток.
Величина ЭДС зависит от количества витков обмотки. Это выражается
Данная зависимость — это формула коэффициента трансформации трансформатора. Он чаще всего обозначается буквой «k». Для идеального трансформаторного устройства определяется как соотношение напряжений на обмотках.
Если учитываются потери в обмотках, то коэффициент находим по формуле:
Изменяя количество витков, можно менять соотношение напряжений. Если обмоток существует более двух, то коэффициент трансформации трансформатора тока рассчитывают отдельно для каждой рассматриваемой пары.
Суть коэффициента трансформации
С помощью трансформаторного устройства переменный ток преобразуют таким путем, чтобы обеспечить нужные параметры в выходной цепи. Получение необходимых характеристик обеспечивает правильное количество витков в обмотках трансформаторов тока (ТТ) или других типов. Если требуется подключить не одну, а большее количество различных нагрузок, то применяют устройство с соответствующим количеством вторичных трансформаторных обмоток.
Понятие коэффициента трансформации поясняется в ГОСТе, имеющем номер 17596-72. Здесь приведена формулировка, с помощью которой можно найти коэффициент в определенной ситуации. Она выглядит так:
Трансформаторные устройства с учетом коэффициента трансформации делят на две большие группы. Когда он превышает 1, то речь идёт о понижающих трансформаторах. Если же коэффициент меньше единицы, то устройство считается повышающим. Для определенного прибора коэффициент является постоянной величиной, ведь он обуславливается конструкционными особенностями.
Расчёт коэффициента
Коэффициент, используемый при трансформации, не указывается в паспортных данных трансформаторов тока. Из технических характеристик можно узнать лишь значения электротоков на обмотках. Поэтому необходимо понимать, как рассчитать коэффициент трансформации, оперируя подобными данными. Для этого используется формула:
Примером преобразования по току можно считать применение трансформатора в устройствах, с помощью которых осуществляется измерение характеристик мощных электроустановок. В данной ситуации электронапряжение на вторичной обмотке померить затруднительно. Поэтому используется следующая схема подключения трансформатора:
Нагрузку и первичную обмотку подключают последовательно. Расчет значения коэффициента трансформации выполняется по формуле:
Данное выражение показывает, что рассматриваемый коэффициент является обратной величиной к соотношению витков.
Если коэффициент трансформации определяется по электронапряжению, то используется другая схема:
Существует три способа как определить коэффициент трансформации:
- Измерение электронапряжения вольтметром.
- Применение моста переменного тока.
- Использование паспортных данных.
Реальное значение коэффициента находят с помощью двух вольтметров. Его номинальное значение рассчитывают как соотношение напряжений, определенных в холостом режиме (указываются в техническом паспорте). Холостым называется режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной цепью.
Проверяя трехфазный прибор, измерение проводят для тех двух обмоток, на которых присутствует ток КЗ с наименьшими показателями. Если часть выводов такого устройства закрывает кожух, то коэффициент находят для выводов, являющихся доступными для подсоединения измерительных приборов.
Коэффициент трансформации силового однофазного трансформатора несложно посчитать, разделив значение электронапряжения, присутствующего на первичной обмотке, на то значение, что получено с помощью вольтметра.
Если известно обозначение трансформатора, то коэффициент трансформации поможет узнать таблица, представленная в справочной литературе.
Коэффициент для трансформаторов тока определяют опытным путем: величину заданного электротока на первичной обмотке следует разделить на значение электротока, измеренного на вторичной обмотке. Значение коэффициента, определенного экспериментально, следует сравнить с тем, что указано в технической документации.
При наличии нескольких вторичных обмоток у трансформаторного устройства проведение измерений представляет опасность для человека. Перед их выполнением обязательно надо все вторичные обмотки закоротить. Требуется также заземлить магнитопровод, используя клемму, возле которой имеется обозначение «З».
Наилучшим способом определения коэффициента трансформации считается измерение величины электронапряжения между обмотками высокоточным вольтметром, а еще лучше — специальным универсальным измерителем. При использовании последнего отпадает необходимость в присоединении к трансформатору дополнительных источников питания.
Практическое применение
При пользовании электроэнергией часто бывает необходимо изменить переменное напряжение, поступаемое с генератора. Его можно масштабировать (понижать или повышать) практически без энергетических потерь. Это особенно важно при передаче электроэнергии на большие расстояния. Масштабирование выполняется с помощью трансформаторов.
Данные устройства широко используются в быту. Например, домашняя электросеть рассчитана на 220 В, а для зарядки телефона используется источник питания 6 В. Поэтому напряжение сети нужно понизить в 36.7 раз (220:6).
Во время передачи электроэнергии в квартиры и частные дома требуется учёт её количества. При этом нужно учитывать, что потребление в разных домохозяйствах различно. Точную величину можно определить с помощью измерительных приборов. Но если пропускать используемую жильцами электроэнергию непосредственно через счетчик, то это приведет к его поломке. Поэтому напряжение и ток преобразуют с помощью трансформатора.
Как рассчитать коэффициент трансформации трансформатора
Коэффициентом трансформации «k» называется отношение напряжения U1 на концах первичной обмотки трансформатора к напряжению U2 на выводах его вторичной обмотки, определенному на холостом ходу (когда вторичных обмоток несколько, то коэффициентов k – тоже несколько, они определяются в этом случае по очереди). Это отношение принимается равным соотношению количеств витков в соответствующих обмотках.
Величина коэффициента трансформации легко вычисляется путем деления показателей ЭДС обмоток исследуемого трансформатора: ЭДС первичной обмотки — на ЭДС вторичной.
Коэффициент трансформации имеет очень важное значение как величина, при помощи которой вторичная обмотка приводится к первичной. В эксплуатационных условиях имеет большое значение коэффициент трансформации напряжения, под которым понимают отношение номинальных напряжений трансформатора.
Для однофазных трансформаторов между коэффициентами трансформации ЭДС и напряжений нет разницы, но в трехфазных трансформаторах следует строго различать их друг от друга.
В идеале потери мощности (на токи Фуко и на нагрев проводников обмоток) в трансформаторе полностью отсутствуют, поэтому и коэффициент трансформации для идеальных условий рассчитывается простым делением напряжений на выводах обмоток. Но ничего идеального в мире нет, поэтому иногда необходимо прибегать к замерам.
В реальности мы всегда имеем дело с повышающим или с понижающим трансформатором. У трансформаторов напряжения повышающих коэффициент трансформации всегда меньше единицы (и больше нуля), у понижающих — больше единицы. То есть коэффициент трансформации свидетельствует о том, во сколько раз ток вторичной обмотки под нагрузкой отличается от тока первичной обмотки, или во сколько крат напряжение вторичной обмотки меньше подаваемого на первичную обмотку.
Например, понижающий трансформатор ТП-112-1 имеет по паспорту коэффициент трансформации 7,9/220 = 0,036, значит номинальному току (по паспорту) вторичной обмотки в 1,2 ампера соответствует ток первичной обмотки 43 мА.
Зная коэффициент трансформации, измерив его например двумя вольтметрами на холостом ходу, можно убедиться в правильности соотношения количеств витков в обмотках. Если зажимов несколько, то измерения проводят на каждом ответвлении. Измерения такого рода помогают обнаруживать поврежденные обмотки, определять их полярности.
Есть несколько путей определения коэффициента трансформации:
путь непосредственного измерения напряжений вольтметрами;
методом моста переменного тока (например портативным прибором типа «коэффициент» для анализа параметров трехфазных и однофазных трансформаторов);
по паспорту данного трансформатора.
Для нахождения реального коэффициента трансформации традиционно применяют два вольтметра . Номинальный коэффициент трансформации рассчитывают путем деления значений напряжений, измеренных на холостом ходу (они и указаны в паспорте на трансформатор).
Если проверяется трехфазный трансформатор, то измерения следует провести для двух пар обмоток с наименьшим током КЗ. Когда трансформатор имеет выводы, часть которых скрыта под кожухом, то значение коэффициента трансформации определяется только для тех концов, которые доступны снаружи для присоединения приборов.
Если трансформатор однофазный, то рабочий коэффициент трансформации легко рассчитать, разделив напряжение приложенное к первичной обмотке, на в этот же момент измеренное вольтметром напряжение на вторичной обмотке (с подключенной нагрузкой ко вторичной цепи).
Применительно к трехфазным трансформаторам, данная операция может быть выполнена различными путями. Первый путь — подача на высоковольтную обмотку трехфазного напряжения от трехфазной сети, или второй путь — подача однофазного напряжения только на одну высоковольтную обмотку из трех, без выведения или с выведением нулевой точки. В каждом варианте измеряют линейные напряжения на одноименных зажимах первичных и вторичных обмоток.
В каждом случае нельзя подавать на обмотки напряжение существенно превосходящее номинальное значение, указанное в паспорте, ведь тогда погрешность измерения окажется высокой из-за потерь даже на холостом ходу.
Наилучший метод — измерение соотношений напряжений между вторичной и первичной обмотками с применением высокоточных вольтметров (класса точности максимум 0,5). Еще лучше, если есть возможность, применять специальный прибор типа «коэффициент-3» — универсальный измеритель коэффициента трансформации, который не потребует присоединения к трансформатору дополнительных источников сетевого напряжения.
Для анализа трансформаторов тока, для расчета его коэффициента трансформации, собирают цепь, где ток величиной от 20 до 100 % номинала пропускают по первичной обмотке трансформатора, при этом измеряется и вторичный ток.
Так и находят коэффициент трансформации трансформатора тока опытным путем: численную величину заданного первичного тока I1 делят на значение измеренного тока во вторичной обмотке I2. Это и будет коэффициент трансформации трансформатора тока. Найденное значение сравнивают с паспортным, если паспорт имеется.
Трансформатор тока с несколькими вторичными обмотками может быть опасен. Прежде чем начинать измерения, все вторичные обмотки трансформатора тока закорачивают, иначе в них может навестись ЭДС, измеряемая киловольтами, что опасно для жизни человека и для оборудования. Большинство трансформаторов тока требуют заземления магнитопровода, для этого на их корпусах есть специальная клемма, обозначенная буквой «З» — заземление.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
