stringtranslate.com

Индуктивность утечки

Индуктивность рассеяния возникает из-за электрических свойств трансформатора с неидеальной связью , при котором каждая обмотка ведет себя как самоиндукция, включенная последовательно с соответствующей константой омического сопротивления обмотки . Эти четыре константы обмотки также взаимодействуют с взаимной индуктивностью трансформатора . Индуктивность рассеяния обмотки возникает из-за того, что поток рассеяния не связан со всеми витками каждой неидеально связанной обмотки.

Реактивное сопротивление утечки обычно является наиболее важным элементом трансформатора энергосистемы из-за коэффициента мощности , падения напряжения , потребления реактивной мощности и тока повреждения . [1] [2]

Индуктивность рассеяния зависит от геометрии сердечника и обмоток. Падение напряжения на реактивном сопротивлении рассеяния часто приводит к нежелательному регулированию напряжения при изменяющейся нагрузке трансформатора. Но это также может быть полезно для изоляции гармоник ( ослабления более высоких частот) некоторых нагрузок. [3]

Индуктивность рассеяния применима к любому устройству с неидеально связанной магнитной цепью, включая двигатели . [4]

Индуктивность утечки и коэффициент индуктивной связи

Рис. 1 L P σ и L S σ — первичная и вторичная индуктивности рассеяния , выраженные через коэффициент индуктивной связи в условиях разомкнутой цепи.

Поток магнитной цепи, который не соединяет обе обмотки, представляет собой поток рассеяния, соответствующий первичной индуктивности рассеяния L P σ и вторичной индуктивности рассеяния L S σ . Ссылаясь на рисунок 1, эти индуктивности рассеяния определяются через индуктивности холостого хода обмотки трансформатора и соответствующий коэффициент связи или коэффициент связи . [5] [6] [7]

Первичная самоиндукция разомкнутой цепи определяется выражением

------ (уравнение 1.1а)

где

------ (уравнение 1.1b)
------ (уравнение 1.1c)

и

  • первичная самоиндукция
  • — первичная индуктивность рассеяния
  • это индуктивность намагничивания
  • коэффициент индуктивной связи

Измерение базовой индуктивности трансформатора и коэффициента связи

Самоиндукции и взаимная индуктивность трансформатора при аддитивном и субтрактивном последовательном соединении двух обмоток определяются формулой [8]

в аддитивной связи,
, и,
в субтрактивной связи,
так что эти индуктивности трансформатора можно определить из следующих трех уравнений: [9] [10]
.

Коэффициент связи рассчитывается на основе значения индуктивности, измеренного на одной обмотке при короткозамкнутой другой обмотке в соответствии со следующим: [11] [12] [13]

По уравнению 2,7 ,
и
Такой, что

Мостовая схема Кэмпбелла также может использоваться для определения самоиндукции и взаимной индуктивности трансформатора с использованием пары переменных стандартных взаимных индукторов для одной из сторон моста. [14] [15]

Отсюда следует, что самоиндукция холостого хода и коэффициент индуктивной связи определяются выражением

------ (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] — приблизительный коэффициент трансформации

Электрическая достоверность схемы трансформатора, показанной на рис. 1, строго зависит от условий холостого хода для соответствующих рассматриваемых индуктивностей обмоток. Более обобщенные условия схемы описаны в следующих двух разделах.

Коэффициент индуктивной утечки и индуктивность

Неидеальный линейный двухобмоточный трансформатор можно представить двумя взаимными индуктивными контурами, соединяющими пять констант импеданса трансформатора, как показано на рис. 2. [6] [16] [17] [18]

Рис. 2 Принципиальная схема неидеального трансформатора

где

  • M - взаимная индуктивность
  • & — сопротивления первичной и вторичной обмоток.
  • Константы , , , & измеряются на клеммах трансформатора.
  • Коэффициент связи определяется как
, где 0 < < 1 ------ (уравнение 2.1)

Коэффициент витков намотки на практике определяется как

------ (уравнение 2.2) . [19]

где

  • N P & N S — витки первичной и вторичной обмотки.
  • v P & v S и i P & i S — напряжения и токи первичной и вторичной обмотки.

Уравнения сетки неидеального трансформатора могут быть выражены следующими уравнениями напряжения и потокосцепления: [20]

------ (уравнение 2.3)
------ (уравнение 2.4)
------ (уравнение 2.5)
------ (уравнение 2.6) ,
где
  • это потокосвязь
  • является производной потокосцепления по времени.

Эти уравнения можно разработать, чтобы показать, что, пренебрегая соответствующими сопротивлениями обмоток, соотношение индуктивностей и токов цепи обмотки с другой короткозамкнутой обмоткой и при испытании на разомкнутую цепь выглядит следующим образом: [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 индуктивности рассеяния короткозамкнутого типа.

Индуктивность трансформатора можно охарактеризовать с помощью трех констант индуктивности следующим образом: [25] [26]

------ (уравнение 2.8)
------ (уравнение 2.9)
------ (уравнение 2.10) ,

где,

Рис. 3. Схема замещения неидеального трансформатора.
  • L M – индуктивность намагничивания, соответствующая реактивному сопротивлению намагничивания X M.
  • L P σ и L S σ — первичная и вторичная индуктивности рассеяния, соответствующие первичным и вторичным реактивным сопротивлениям утечки X P σ и X S σ .

Трансформатор удобнее представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 3, где вторичные константы относятся (т. е. с помощью штрихового верхнего индекса) к первичным, [25] [26]

.
Рис. 4. Схема замещения неидеального трансформатора по коэффициенту связи k [27]

С

------ (уравнение 2.11)

и

------ (уравнение 2.12) ,

у нас есть

------ (уравнение 2.13) ,


что позволяет выразить эквивалентную схему на рис. 4 через константы рассеяния обмотки и индуктивности намагничивания следующим образом: [26]

Рис. 5. Упрощенная схема замещения неидеального трансформатора.
------ (уравнение 2.14, уравнение 1.1b)
------ (уравнение 2.15, уравнение 1.1c) .

Неидеальный трансформатор на рис. 4 можно изобразить как упрощенную эквивалентную схему на рис. 5, с вторичными постоянными, относящимися к первичным, и без идеальной изоляции трансформатора, где

------ (уравнение 2.16)
  • — ток намагничивания, возбуждаемый потоком Φ M , который связывает как первичную, так и вторичную обмотки.
  • первичный ток
  • — вторичный ток, относящийся к первичной стороне трансформатора.

Уточненный коэффициент индуктивной утечки

Уточненный вывод коэффициента индуктивной утечки

а. По уравнению 2.1 и коэффициент индуктивной связи IEC IEV 131-12-41 определяется выражением

--------------------- (уравнение 2.1) :

б. По уравнению 2.7 и IEC IEV 131-12-42 Коэффициент индуктивной утечки определяется выражением

------ (уравнение 2.7) и (уравнение 3.7a)

в. умноженный на дает

----------------- (уравнение 3.7b)

д. По уравнению 2-8 и зная это

---------------------- (уравнение 3.7c)

е. умноженный на дает

------------------ (уравнение 3.7d)

ф. По уравнению 3.5 уравнение. 1.1b и уравнение. 2.14 и уравнение. 3.6 уравнение 1.1b и уравнение. 2.14:

--- (уравнение 3.7e)

Все уравнения в этой статье предполагают установившиеся условия формы сигнала с постоянной частотой, значения & которых безразмерны, фиксированы, конечны и положительны, но меньше 1.

Ссылаясь на диаграмму потока на рис. 6, справедливы следующие уравнения: [28] [29]

Рис. 6 Намагничивание и поток рассеяния в магнитной цепи [30] [28] [31]
σ P = Φ P σM = LP σ / L M [32] ------ (уравнение 3.1, уравнение 2.7)

Таким же образом,

σ S = Φ S σ'M = LS σ ' /L M [33] ------ (уравнение 3.2, уравнение 2.7)

И поэтому,

Φ P = Φ M + Φ P σ = Φ M + σ P Φ M = (1 + σ PM [34] [35] ------ (уравнение 3.3)
Φ S ' = Φ M + Φ S σ' = Φ M + σ S Φ M = (1 + σ SM [36] [37] ------ (уравнение 3.4)
L P = L M + L P σ = L M + σ P L M = (1 + σ P )L M [38] ------ (уравнение 3.5 , уравнение 1.1b и уравнение 2.14)
L S ' = L M + L S σ' = L M + σ S L M = (1 + σ S )L M [39] ------ (уравнение 3.6 , уравнение 1.1b и уравнение 2.14) ,

где

  • σ P и σ S — 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 — соответственно первичный поток рассеяния и первичная индуктивность рассеяния.
  • Φ S σ' и L S σ' представляют собой соответственно вторичный поток рассеяния и вторичную индуктивность рассеяния, относящиеся к первичной обмотке.

Таким образом, коэффициент утечки σ можно уточнить с точки зрения взаимосвязи приведенных выше уравнений индуктивности, специфичной для обмотки, и коэффициента индуктивной утечки следующим образом: [40]

------ (уравнения с 3.7a по 3.7e) .

Приложения

Индуктивность рассеяния может быть нежелательным свойством, поскольку она вызывает изменение напряжения при нагрузке.

Трансформатор с высокой утечкой

Во многих случаях это полезно. Индуктивность рассеяния имеет полезный эффект, ограничивая протекание тока в трансформаторе (и нагрузке) без рассеивания мощности (за исключением обычных неидеальных потерь в трансформаторе). Трансформаторы обычно проектируются так, чтобы иметь определенное значение индуктивности рассеяния, так что реактивное сопротивление рассеяния, создаваемое этой индуктивностью, имеет определенное значение на желаемой частоте работы. В этом случае реально работающим полезным параметром является не значение индуктивности рассеяния, а значение индуктивности короткого замыкания .

Коммерческие и распределительные трансформаторы мощностью, скажем, до 2500 кВА обычно проектируются с сопротивлением короткого замыкания примерно от 3% до 6% и с соответствующим соотношением (отношение реактивного сопротивления обмотки к сопротивлению обмотки) примерно от 3 до 6, которое определяет процент Изменение вторичного напряжения между холостым ходом и полной нагрузкой. Таким образом, для чисто резистивных нагрузок регулирование напряжения при полной нагрузке и холостом ходе таких трансформаторов будет составлять примерно от 1% до 2%.

Трансформаторы с высоким реактивным сопротивлением утечки используются в некоторых приложениях с отрицательным сопротивлением, например, в неоновых вывесках, где требуется усиление напряжения (трансформаторное действие), а также ограничение тока. В этом случае реактивное сопротивление рассеяния обычно составляет 100% полного сопротивления нагрузки, поэтому даже если трансформатор будет закорочен, он не будет поврежден. Без индуктивности рассеяния отрицательное сопротивление, характерное для этих газоразрядных ламп, привело бы к тому, что они будут проводить чрезмерный ток и выйдут из строя.

Трансформаторы с переменной индуктивностью рассеяния используются для регулирования тока в дуговых сварочных установках. В этих случаях индуктивность рассеяния ограничивает ток до желаемой величины. Реактивное сопротивление утечки трансформатора играет большую роль в ограничении тока повреждения цепи в пределах максимально допустимого значения в энергосистеме. [2]

Кроме того, индуктивность рассеяния ВЧ-трансформатора может заменить последовательный дроссель 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.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Равенство достигается, когда индуктивности рассеяния малы.

Рекомендации

  1. ^ Ким 1963, с. 1
  2. ^ ab Saarbafi & Mclean 2014, Руководство по моделированию трансформатора AESO, стр. 9 из 304
  3. ^ Ирвин 1997, с. 362.
  4. ^ Пирхёнен, Йокинен и Грабовцова 2008, Глава 4 Утечка потока
  5. ^ Термины «коэффициент индуктивной связи» и «коэффициент индуктивной утечки» приведены в этой статье в соответствии с определениями в IEV-131-12-41 Международной электротехнической комиссии Electropedia «Коэффициент индуктивной связи» и IEV-131-12-42 «Коэффициент индуктивной утечки».
  6. ^ ab Brenner & Javid 1959, §18-1 Взаимная индуктивность, стр. 587-591.
  7. ^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 131-12: Теория цепей / Элементы цепей и их характеристики, IEV 131-12-41 Коэффициент индуктивной связи
  8. ^ Бреннер и Джавид 1959, §18-1 Взаимная индуктивность - последовательное соединение взаимной индуктивности, стр. 591-592
  9. ^ Бреннер и Джавид 1959, стр. 591-592, рис. 18-6.
  10. ^ Харрис 1952, с. 723, рис. 43
  11. ^ Voltech 2016, Измерение индуктивности утечки
  12. ^ Rhombus Industries 1998, Тестирование индуктивности
  13. ^ Это измеренное значение индуктивности короткого замыкания часто называют индуктивностью рассеяния. См., например, «Измерение индуктивности утечки», «Проверка индуктивности». Формальная индуктивность рассеяния определяется выражением (уравнение 2.14) .
  14. ^ Харрис 1952, с. 723, рис. 42
  15. ^ Хурана 2015, с. 254, рис. 7.33
  16. ^ Бреннер и Джавид 1959, §18-5 Линейный трансформатор, стр. 595-596.
  17. ^ Хамейер 2001, с. 24
  18. ^ Сингх 2016, Взаимная индуктивность
  19. ^ Бреннер и Джавид 1959, §18-6 «Идеальный трансформатор», стр. 597-600: уравнение. 2.2 справедлив в точности для идеального трансформатора, где в пределе, когда самоиндукция приближается к бесконечному значению ( → ∞ & → ∞), отношение приближается к конечному значению.
  20. ^ Хамейер 2001, с. 24, экв. 3-1 по Ур. 3-4
  21. ^ Хамейер 2001, с. 25, экв. 3-13
  22. ^ Ноултон 1949, стр. §8–67, стр. 802: Ноултон описывает коэффициент утечки как «Общий 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 превышает 1». Этот коэффициент явно отличается от коэффициента индуктивной утечки, описанного в этой статье об индуктивности утечки.
  23. ^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 131-12: Теория цепей / Элементы цепей и их характеристики, IEV исх. 131-12-42: «Коэффициент индуктивной утечки
  24. ^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 221-04: Магнитные тела, IEV исх. 221-04-12: "Коэффициент магнитной утечки - отношение полного магнитного потока к полезному магнитному потоку магнитопровода". Этот коэффициент также отличается от коэффициента индуктивной утечки, описанного в этой статье об индуктивности утечки.
  25. ^ аб Хамейер 2001, стр. 27
  26. ^ abc Brenner & Javid 1959, §18-7 Эквивалентная схема для неидеального трансформатора, стр. 600-602 и рис. 18-18
  27. ^ Бреннер и Джавид 1959, с. 602, «Рис. 18-18. В этой эквивалентной схеме (неидеального) трансформатора элементы физически реализуемы, и свойства изоляции трансформатора сохранены».
  28. ^ ab Erickson & Maximovic 2001, глава 12 «Основы магнитной теории», §12.2.3. Индуктивность утечки
  29. ^ Ким 1963, стр. 3-12, Утечка магнитного поля в трансформаторах; стр. 13-19, Реактивное сопротивление утечки в трансформаторах.
  30. ^ Хамейер 2001, с. 29, рис. 26
  31. ^ Ким 1963, с. 4, рис. 1, Магнитное поле тока во внутренней обмотке сердечникового трансформатора; Рис. 2. Магнитное поле, создаваемое током во внешней обмотке рис. 1.
  32. ^ Hameyer 2001, стр. 28, экв. 3-31
  33. ^ Hameyer 2001, стр. 28, экв. 3-32
  34. ^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-33
  35. ^ Ким 1963, с. 10, экв. 12
  36. ^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-34
  37. ^ Ким 1963, с. 10, экв. 13
  38. ^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-35
  39. ^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-36
  40. ^ Хамейер 2001, с. 29, экв. 3-37
  41. ^ Конструкция преобразователя LLC 11 кВт, 70 кГц с КПД 98%. 21-й семинар IEEE 2020 по управлению и моделированию силовой электроники. Ноябрь 2020 г. стр. 1–8. doi : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771. S2CID  227278364.

Библиография

Внешние ссылки

Ссылки на IEC Electropedia: