Магнитное возмущение неидеально связанных трансформаторов
Индуктивность рассеяния вытекает из электрического свойства неидеально связанного трансформатора , в котором каждая обмотка ведет себя как самоиндукция последовательно с соответствующей константой омического сопротивления обмотки . Эти четыре константы обмотки также взаимодействуют с взаимной индуктивностью трансформатора . Индуктивность рассеяния обмотки возникает из-за потока рассеяния, не связанного со всеми витками каждой неидеально связанной обмотки.
Индуктивность рассеяния зависит от геометрии сердечника и обмоток. Падение напряжения на реактивном сопротивлении рассеяния часто приводит к нежелательному регулированию питания при переменной нагрузке трансформатора. Но это также может быть полезно для гармонической изоляции ( ослабления более высоких частот) некоторых нагрузок. [3]
Индуктивность рассеяния применима к любому несовершенно связанному устройству магнитной цепи, включая двигатели . [4]
Индуктивность рассеяния и коэффициент индуктивной связи
Поток магнитной цепи, который не связывает обе обмотки, является потоком рассеяния, соответствующим первичной индуктивности рассеяния L P σ и вторичной индуктивности рассеяния L S σ . Ссылаясь на рис. 1, эти индуктивности рассеяния определяются в терминах индуктивностей разомкнутой цепи обмотки трансформатора и связанного с ними коэффициента связи или фактора связи . [5] [6] [7]
Первичная самоиндукция разомкнутой цепи определяется по формуле
------ (Уравнение 1.1а)
где
------ (Уравнение 1.1б)
------ (Уравнение 1.1c)
и
первичная самоиндукция
первичная индуктивность рассеяния
является намагничивающей индуктивностью
коэффициент индуктивной связи
Измерение основных индуктивностей трансформаторов и коэффициента связи
Самоиндуктивность и взаимная индуктивность трансформатора при последовательном соединении двух обмоток определяются по формуле [8]:
в аддитивной связи,
, и,
в вычитающем соединении,
таким образом, что эти индуктивности трансформатора можно определить из следующих трех уравнений: [9] [10]
.
Коэффициент связи выводится из значения индуктивности, измеренного на одной обмотке при короткозамкнутой другой обмотке, по следующей формуле: [11] [12] [13]
Согласно уравнению 2.7 ,
и
Такой, что
Схему моста Кэмпбелла можно также использовать для определения самоиндукции и взаимной индуктивности трансформатора с использованием переменной стандартной пары взаимной индуктивности для одной из сторон моста. [14] [15]
Отсюда следует, что самоиндукция разомкнутой цепи и коэффициент индуктивной связи определяются как
------ (Уравнение 1.2) , и,
, при 0 < < 1 ------ (Уравнение 1.3)
где
и
это взаимная индуктивность
вторичная самоиндукция
вторичная индуктивность рассеяния
индуктивность намагничивания, отнесенная к вторичной обмотке
коэффициент индуктивной связи
[a] — приблизительное отношение витков
Электрическая достоверность схемы трансформатора на рис. 1 зависит строго от условий разомкнутой цепи для соответствующих индуктивностей обмоток, которые рассматриваются. Более обобщенные условия цепи описаны в следующих двух разделах.
Коэффициент индуктивной утечки и индуктивность
Неидеальный линейный двухобмоточный трансформатор можно представить двумя контурами цепи с взаимной индуктивностью, соединяющими пять констант импеданса трансформатора , как показано на рис. 2. [6] [16] [17] [18]
где
М — взаимная индуктивность
& — это сопротивления первичной и вторичной обмотки
Константы , , , и измеряются на клеммах трансформатора.
Коэффициент связи определяется как
, где 0 < < 1 ------ (Уравнение 2.1)
Соотношение витков обмотки на практике определяется как
------ (Уравнение 2.2) . [19]
где
N P и N S — витки первичной и вторичной обмотки
v P и v S и i P и i S — напряжения и токи первичной и вторичной обмотки.
Уравнения сетки неидеального трансформатора можно выразить следующими уравнениями напряжения и потокосцепления, [20]
Эти уравнения можно разработать, чтобы показать, что, пренебрегая соответствующими сопротивлениями обмоток, отношение индуктивностей и токов цепи обмотки с другой обмоткой, замкнутой накоротко и находящейся в режиме разомкнутой цепи , будет следующим [21]
------ (Уравнение 2.7) ,
где,
i oc и i sc — токи холостого хода и короткого замыкания
L oc и L sc — индуктивности холостого хода и короткого замыкания.
- коэффициент индуктивной утечки или фактор Хейланда [22] [23] [24]
& — первичная и вторичная короткозамкнутая индуктивность рассеяния.
Индуктивность трансформатора можно охарактеризовать с помощью трех констант индуктивности следующим образом: [25] [26]
------ (Уравнение 2.8)
------ (Уравнение 2.9)
------ (Уравнение 2.10) ,
где,
L M — индуктивность намагничивания, соответствующая реактивному сопротивлению намагничивания X M
L P σ и L S σ — первичная и вторичная индуктивности рассеяния, соответствующие первичной и вторичной реактивности рассеяния X P σ и X S σ .
Трансформатор можно более удобно представить в виде эквивалентной схемы на рис. 3 с вторичными константами, отнесенными (т.е. обозначенными штрихом сверху) к первичной обмотке, [25] [26]
.
С
------ (Уравнение 2.11)
и
------ (Уравнение 2.12) ,
у нас есть
------ (Уравнение 2.13) ,
что позволяет выразить эквивалентную схему на рис. 4 через константы утечки обмотки и индуктивности намагничивания следующим образом: [26]
------ (Ур. 2.14 Ур. 1.1б)
------ (Ур. 2.15 Ур. 1.1c) .
Неидеальный трансформатор на рис. 4 можно изобразить в виде упрощенной эквивалентной схемы на рис. 5, с вторичными константами, отнесенными к первичной, и без идеальной изоляции трансформатора, где,
------ (Уравнение 2.16)
намагничивающий ток, возбуждаемый потоком Φ M , который связывает как первичную, так и вторичную обмотки
первичный ток
— вторичный ток, отнесенный к первичной обмотке трансформатора.
Уточненный коэффициент индуктивной утечки
Уточненный вывод коэффициента индуктивной утечки
а. Согласно уравнению 2.1 и IEC IEV 131-12-41 коэффициент индуктивной связи определяется по формуле
--------------------- (Ур. 2.1) :
б. Согласно уравнению 2.7 и IEC IEV 131-12-42 коэффициент индуктивной утечки определяется по формуле
------ (Уравнение 2.7) и (Уравнение 3.7а)
c. умноженное на дает
----------------- (Ур. 3.7б)
г. Согласно уравнению 2-8 и зная, что
---------------------- (Ур. 3.7c)
е. умноженное на дает
------------------ (Ур. 3.7d)
е. Согласно уравнению 3.5, уравнению 1.1b и уравнению 2.14 и уравнению 3.6, уравнению 1.1b и уравнению 2.14:
--- (Ур.3.7e)
Все уравнения в этой статье предполагают стационарные условия формы волны с постоянной частотой, значения & которых являются безразмерными, фиксированными, конечными и положительными, но меньше 1.
Ссылаясь на диаграмму потока на рис. 6, справедливы следующие уравнения: [28] [29]
σ P = Φ P σ /Φ M = L P σ /L M [32] ------ (Ур. 3.1 Ур. 2.7)
Таким же образом,
σ S = Φ S σ' /Φ M = L S σ' /L M [33] ------ (Ур. 3.2 Ур. 2.7)
И поэтому,
Φ P = Φ M + Φ P σ = Φ M + σ P Φ M = (1 + σ P )Φ M [34] [35] ------ (Уравнение 3.3)
Φ S ' = Φ M + Φ S σ' = Φ M + σ S Φ M = (1 + σ S )Φ M [36] [37] ------ (Уравнение 3.4)
L P = L M + L P σ = L M + σ P L M = (1 + σ P )L M [38] ------ (Ур. 3.5 , Ур. 1.1b и Ур. 2.14)
L S ' = L M + L S σ' = L M + σ S L M = (1 + σ S )L M [39] ------ (Ур. 3.6 , Ур. 1.1b и Ур. 2.14) ,
где
σ P и σ S — это, соответственно, первичный коэффициент утечки и вторичный коэффициент утечки.
Φ M и L M — соответственно взаимный поток и индуктивность намагничивания.
Φ P σ и L P σ — это, соответственно, первичный поток рассеяния и первичная индуктивность рассеяния.
Φ S σ' и L S σ' — соответственно вторичный поток рассеяния и вторичная индуктивность рассеяния, оба отнесены к первичной обмотке.
Коэффициент утечки σ может быть, таким образом, уточнен с точки зрения взаимосвязи вышеуказанных уравнений удельной индуктивности обмотки и коэффициента индуктивной утечки следующим образом: [40]
------ (Уравнения 3.7а – 3.7е) .
Приложения
Индуктивность рассеяния может быть нежелательным свойством, поскольку она приводит к изменению напряжения в зависимости от нагрузки.
Во многих случаях это полезно. Индуктивность рассеяния имеет полезный эффект ограничения токов в трансформаторе (и нагрузке) без рассеивания мощности (за исключением обычных неидеальных потерь трансформатора). Трансформаторы обычно проектируются с определенным значением индуктивности рассеяния, так что реактивное сопротивление рассеяния, создаваемое этой индуктивностью, имеет определенное значение на желаемой частоте работы. В этом случае фактически работающим полезным параметром является не значение индуктивности рассеяния, а значение индуктивности короткого замыкания .
Коммерческие и распределительные трансформаторы мощностью до 2500 кВА обычно проектируются с импедансом короткого замыкания примерно от 3% до 6% и с соответствующим отношением (реактивное сопротивление обмотки/сопротивление обмотки) примерно от 3 до 6, что определяет процентное изменение вторичного напряжения между холостым ходом и полной нагрузкой. Таким образом, для чисто резистивных нагрузок регулирование напряжения от полной нагрузки до холостого хода таких трансформаторов будет составлять примерно от 1% до 2%.
Трансформаторы с высоким реактивным сопротивлением утечки используются для некоторых приложений с отрицательным сопротивлением, таких как неоновые вывески, где требуется усиление напряжения (действие трансформатора), а также ограничение тока. В этом случае реактивное сопротивление утечки обычно составляет 100% от полного сопротивления нагрузки, поэтому даже если трансформатор закорочен, он не будет поврежден. Без индуктивности утечки отрицательное сопротивление, характерное для этих газоразрядных ламп, привело бы к тому, что они проводили бы избыточный ток и вышли из строя.
Трансформаторы с переменной индуктивностью рассеяния используются для управления током в дуговых сварочных аппаратах. В этих случаях индуктивность рассеяния ограничивает ток до желаемой величины. Реактивность рассеяния трансформатора играет большую роль в ограничении тока короткого замыкания в пределах максимально допустимого значения в энергосистеме. [2]
Кроме того, индуктивность рассеяния ВЧ-трансформатора может заменить последовательный индуктор в резонансном преобразователе . [41] Напротив, последовательное соединение обычного трансформатора и индуктора приводит к такому же электрическому поведению, как и у трансформатора рассеяния, но это может быть выгодно для уменьшения потерь на вихревые токи в обмотках трансформатора, вызванных полем рассеяния.
^ Равенство достигается, когда индуктивности рассеяния малы.
Ссылки
^ Ким 1963, стр. 1
^ ab Saarbafi & Mclean 2014, Руководство по моделированию трансформаторов AESO, стр. 9 из 304
^ Ирвин 1997, стр. 362.
^ Пирхёнен, Йокинен и Грабовцова 2008, Глава 4 Утечка потока
^ Термины «коэффициент индуктивной связи» и «коэффициент индуктивной утечки» в данной статье определены в документах Международной электротехнической комиссии «Электропедия» IEV-131-12-41 «Коэффициент индуктивной связи» и IEV-131-12-42 «Коэффициент индуктивной утечки».
^ Это измеренное значение индуктивности короткого замыкания часто называют индуктивностью рассеяния. См., например, Измерение индуктивности рассеяния, Тестирование индуктивности. Формальная индуктивность рассеяния определяется по формуле (Уравнение 2.14) .
^ Харрис 1952, стр. 723, рис. 42
^ Хурана 2015, стр. 254, рис. 7.33
^ Бреннер и Джавид 1959, §18-5 Линейный трансформатор, стр. 595-596
^ Хамейер 2001, стр. 24
^ Сингх 2016, Взаимная индуктивность
^ Бреннер и Джавид 1959, §18-6 Идеальный трансформатор, стр. 597-600: Уравнение 2.2 справедливо в точности для идеального трансформатора, где в пределе, когда самоиндукции стремятся к бесконечному значению ( → ∞ & → ∞ ), отношение стремится к конечному значению.
^ Хамейер 2001, стр. 24, ур. 3-1 — ур. 3-4
^ Хамейер 2001, стр. 25, ур. 3-13
↑ Knowlton 1949, стр. §8–67, стр. 802: Knowlton описывает коэффициент утечки как «Полный поток, который проходит через ярмо и входит в полюс = Φ m = Φ a + Φ e , а отношение Φ m /Φ a называется коэффициентом утечки и больше 1». Этот коэффициент, очевидно, отличается от индуктивного коэффициента утечки, описанного в этой статье «Индуктивность утечки».
^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 131-12: Теория цепей / Элементы цепей и их характеристики, IEV ref. 131-12-42: "Коэффициент индуктивной утечки
^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 221-04: Магнитные тела, IEV ref. 221-04-12: "Магнитный коэффициент рассеяния - отношение полного магнитного потока к полезному магнитному потоку магнитной цепи". Этот коэффициент также отличается от индуктивного коэффициента рассеяния, описанного в этой статье Индуктивность рассеяния.
^ ab Hameyer 2001, стр. 27
^ abc Brenner & Javid 1959, §18-7 Эквивалентная схема для неидеального трансформатора, стр. 600-602 и рис. 18-18
^ Бреннер и Джавид 1959, стр. 602, «Рис. 18-18 В этой эквивалентной схеме (неидеального) трансформатора элементы физически реализуемы, а изоляционные свойства трансформатора сохранены».
^ ab Erickson & Maksimovic 2001, Глава 12 Основы магнитной теории, §12.2.3. Индуктивности рассеяния
↑ Ким 1963, стр. 3-12, Утечка магнитного поля в трансформаторах; стр. 13-19, Реактивное сопротивление утечки в трансформаторах.
^ Хамейер 2001, стр. 29, рис. 26
^ Ким 1963, стр. 4, Рис. 1, Магнитное поле, вызванное током во внутренней обмотке стержневого трансформатора; Рис. 2, Магнитное поле, вызванное током во внешней обмотке Рис. 1
^ Хамейер 2001, стр. 28, ур. 3-31
^ Хамейер 2001, стр. 28, ур. 3-32
^ Хамейер 2001, стр. 29, ур. 3-33
^ Ким 1963, стр. 10, уравнение 12
^ Хамейер 2001, стр. 29, ур. 3-34
^ Ким 1963, стр. 10, уравнение 13
^ Хамейер 2001, стр. 29, ур. 3-35
^ Хамейер 2001, стр. 29, ур. 3-36
^ Хамейер 2001, стр. 29, ур. 3-37
^ Проектирование LLC-преобразователя мощностью 11 кВт, 70 кГц с эффективностью 98%. 21-й семинар IEEE 2020 по управлению и моделированию для силовой электроники. Ноябрь 2020 г. С. 1–8 . doi :10.1109/COMPEL49091.2020.9265771. S2CID 227278364.
Библиография
Бреннер, Эгон; Джавид, Мансур (1959). «Глава 18 – Цепи с магнитной связью». Анализ электрических цепей . McGraw-Hill. стр. особенно 586–617.
Диденко, В.; Сиротин, Д. (9–14 сентября 2012 г.). «Точное измерение сопротивления и индуктивности обмоток трансформаторов» (PDF) . XX Всемирный конгресс IMEKO – Метрология для зеленого роста . Пусан, Республика Корея.
Эриксон, Роберт В.; Максимович, Драган (2001). "Глава 12: Базовая теория магнетизма (слайды инструктора только для книги)" (PDF) . Основы силовой электроники (2-е изд.). Боулдер: Университет Колорадо (слайды) / Springer (книга). стр. 72 слайда. ISBN978-0-7923-7270-7.
"Electropedia: The World's Online Electrotechnical Vocabulary". IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Архивировано из оригинала 2015-04-27.
Хамейер, Кей (2001). Электрические машины I: основы, конструкция, функции, эксплуатация (PDF) . RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-02-10.
Харрис, Форест К. (1952). Электрические измерения (5-е издание (1962) ред.). Нью-Йорк, Лондон: John Wiley & Sons.
Хейланд, А. (1894). «Графический метод прогнозирования силовых трансформаторов и многофазных двигателей». ETZ . 15 : 561–564 .
Хейланд, А. (1906). Графическое описание индукционного двигателя. Перевод Джорджа Герберта Роу; Рудольфа Эмиля Хеллмунда. McGraw-Hill. С. 48 страниц.
Ирвин, Дж. Д. (1997). Справочник по промышленной электронике . Справочник CRC. Тейлор и Фрэнсис. ISBN978-0-8493-8343-4.
Хурана, Рохит (2015). Электронные приборы и измерения . Издательство Vikas. ISBN9789325990203.
Ким, Джунг Чунг (1963). Определение реактивного сопротивления утечки трансформатора с использованием функции импульсного возбуждения. Университет Орегона.
MIT-Press (1977). "Самоиндукция и взаимная индуктивность". Магнитные цепи и трансформаторы. Первый курс для инженеров-энергетиков и инженеров связи . Кембридж, Массачусетс: MIT-Press. С. 433–466 . ISBN978-0-262-31082-6.
Пирхёнен, Дж.; Йокинен, Т.; Грабовцова, В. (2008). Проектирование вращающихся электрических машин. п. Глава 4. Утечка потока.
"Взаимная индуктивность" (PDF) . Rhombus Industries Inc. 1998 . Получено 4 августа 2018 .
Саарбафи, Карим; Маклин, Памела (2014). "Руководство по моделированию трансформаторов AESO" (PDF) . Калгари: AESO - Alberta Electric System Operator (подготовлено Teshmont Consultants LP). стр. 304 страницы . Получено 6 августа 2018 г.
Сингх, Махендра (2016). «Взаимная индуктивность». Учебники по электронике . Получено 6 января 2017 г.