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.
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]
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]
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 σ /Φ M = LP σ / L M [32] ------ (уравнение 3.1, уравнение 2.7)
Таким же образом,
σ S = Φ S σ' /Φ 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 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] ------ (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.
^ Равенство достигается, когда индуктивности рассеяния малы.
Рекомендации
^ Ким 1963, с. 1
^ ab Saarbafi & Mclean 2014, Руководство по моделированию трансформатора AESO, стр. 9 из 304
^ Ирвин 1997, с. 362.
^ Пирхёнен, Йокинен и Грабовцова 2008, Глава 4 Утечка потока
^ 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».
^ 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) .
^ Харрис 1952, с. 723, рис. 42
^ Хурана 2015, с. 254, рис. 7.33
^ Бреннер и Джавид 1959, §18-5 Линейный трансформатор, стр. 595-596.
^ Хамейер 2001, с. 24
^ Сингх 2016, Взаимная индуктивность
^ 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.
^ Хамейер 2001, с. 24, экв. 3-1 по Ур. 3-4
^ Хамейер 2001, с. 25, экв. 3-13
^ 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.
^ IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 131-12: Теория цепей / Элементы цепей и их характеристики, IEV исх. 131-12-42: «Коэффициент индуктивной утечки
^ 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.
^ аб Хамейер 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, с. 602, «Рис. 18-18. В этой эквивалентной схеме (неидеального) трансформатора элементы физически реализуемы, и свойства изоляции трансформатора сохранены».
^ ab Erickson & Maximovic 2001, глава 12 «Основы магнитной теории», §12.2.3. Индуктивность утечки
^ Ким 1963, стр. 3-12, Утечка магнитного поля в трансформаторах; стр. 13-19, Реактивное сопротивление утечки в трансформаторах.
^ Хамейер 2001, с. 29, рис. 26
^ 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.
^ Hameyer 2001, стр. 28, экв. 3-31
^ Hameyer 2001, стр. 28, экв. 3-32
^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-33
^ Ким 1963, с. 10, экв. 12
^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-34
^ Ким 1963, с. 10, экв. 13
^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-35
^ Hameyer 2001, стр. 29, ур. 3-36
^ Хамейер 2001, с. 29, экв. 3-37
^ 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
Бреннер, Эгон; Джавид, Мансур (1959). «Глава 18 – Цепи с магнитной связью». Анализ электрических цепей . МакГроу-Хилл. стр. особ. 586–617.
Диденко В.; Сиротин Д. (9–14 сентября 2012 г.). «Точное измерение сопротивления и индуктивности обмоток трансформатора» (PDF) . XX Всемирный конгресс IMEKO – Метрология для зеленого роста . Пусан, Республика Корея.
Эриксон, Роберт В.; Максимович, Драган (2001). «Глава 12: Основная теория магнетизма (слайды для преподавателя только для книги)» (PDF) . Основы силовой электроники (2-е изд.). Боулдер: Университет Колорадо (слайды) / Спрингер (книга). стр. 72 слайда. ISBN 978-0-7923-7270-7.
«Электропедия: мировой онлайн-электротехнический словарь». МЭК 60050 (Дата публикации: 1990-10). Архивировано из оригинала 27 апреля 2015 г.
Хамейер, Кей (2001). Электрические машины I: основы, конструкция, функции, работа (PDF) . RWTH Ахенский университет, Институт электрических машин. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2013 г.
Харрис, Форест К. (1952). Электрические измерения (5-е издание (1962 г.) изд.). Нью-Йорк, Лондон: Джон Уайли и сыновья.
Хейланд, А. (1894). «Графический метод прогнозирования силовых трансформаторов и многофазных двигателей». ЭТЗ . 15 : 561–564.
Хейланд, А. (1906). Графическое изображение асинхронного двигателя. Перевод Джорджа Герберта Роу; Рудольф Эмиль Хельмунд. МакГроу-Хилл. стр. 48 страниц.
Ирвин, доктор юридических наук (1997). Справочник по промышленной электронике . Справочник CRC. Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-8493-8343-4.
Хурана, Рохит (2015). Электронные приборы и измерения . Издательство Викас. ISBN 9789325990203.
Ким, Джун Чунг (1963). Определение реактивного сопротивления утечки трансформатора с использованием функции импульсного управления. Университет Орегона.
Ноултон, А.Е., изд. (1949). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 802, § 8–67: Фактор утечки.
МИТ-Пресс (1977). «Само- и взаимная индуктивность». Магнитные цепи и трансформаторы – первый курс для инженеров энергетики и связи . Кембридж, Массачусетс: MIT-Press. стр. 433–466. ISBN 978-0-262-31082-6.
Пирхёнен, Дж.; Йокинен, Т.; Грабовцова, В. (2008). Проектирование вращающихся электрических машин. п. Глава 4. Утечка потока.
«Взаимная индуктивность» (PDF) . Ромбус Индастриз Инк., 1998 г. Проверено 4 августа 2018 г.