Расчет активной реактивной и полной мощности
Для правильного выбора трансформатора любого вида по мощности подключаемых электроприборов к нему надо знать несколько важных правил. Это относится и к изучению теоретического материала, и к учету местных условий, параметров и «узких мест» местной электросети.
Из теоретических основ электротехники известно, что номинальная мощность любой обмотки простого двухобмоточного трансформатора одинакова и вычисляется по формуле SHOM = U*I (ВА) , как произведение напряжения обмотки на величину тока в ней. Однако, сам по себе такой трансформатор представляет собой две катушки индуктивности и его полная номинальная мощность складывается из двух составляющих - активной и реактивной мощности. Формула расчета полной мощности S2=P2+Q2 , её квадрат равен сумме квадратов составляющих, их принято изображать векторами под углом 900, гипотенузой этого прямоугольного треугольника является вектор полной мощности. Для удобства расчетов был введен нагрузочный коэффициент cosφ , где φ - угол между векторами активной и полной мощности.
Вы спросите - зачем нам это? А всё предельно просто - трансформатор выбирается с учетом максимально допустимого нагрева обмоток (иначе быстро стареет изоляция и выходит из строя весь трансформатор), а нагрев создается только активной составляющей мощности, которую можно рассчитать по формуле Р = UIcosφ , что такое cosφ нам уже известно, для трансформатора его расчетное значение принимается cosφ=0,8 . Значение Р в ваттах (Вт) является суммарной мощностью всех электроприборов, которые предполагается подключить к трансформатору, поскольку они, в подавляющем большинстве, потребители активной нагрузки. Но полная мощность трансформатора (которая пишется в его паспорте ) определена в единицах вольт-ампер (ВА, кВА) и соотношение её с активной мощностью потребителей на выходе можно определить по формуле S=P/0,8 , то есть выбирать мощность трансформатора надо примерно на 20% больше, чем та, которую вы предполагаете к нему подключить. Это строго по теории, но это не всё.
Для трансформаторов небольшой мощности важно учесть еще и собственное и внешнее рассеивание от магнитного поля. Нагрев от него в ограниченном пространстве и при отсутствии принудительного охлаждения тоже существенен. Лучшие показатели в этом отношении дает тороидальный трансформатор, где обмотки равномерно намотаны вдоль сердечника. Неплохо смотрятся стержневые трансформаторы и автотрансформаторы. И еще один важный момент - качество электроэнергии в сети!
Если трансформатор покупается для мест, где часто бывает понижение напряжения, то запас мощности следует увеличить, поскольку при сниженном напряжении увеличивается токовая составляющая мощности, а ведь именно она дает энергию нагрева обмоток. Итак, исходя из теоретического расчета и учета реального состояния электросети в районе установки трансформатора, можно однозначно рекомендовать приобретать трансформатор с 30% запасом по мощности от расчетного потребления. Это позволит работать ему долго и надежно.
При проектировании трансформаторов основным параметром является его мощность. Именно она определяет габариты трансформатора. При этом основным определяющим фактором будет полная мощность, отдаваемая в нагрузку:
Для трансформатора с большим количеством вторичных обмоток полную мощность можно определить, просуммировав мощности, потребляемые нагрузками, подключенными ко всем его обмоткам:
(2)При полностью резистивной нагрузке (отсутствие индуктивной и емкостной составляющей в токе) потребляемая мощность активна и равна отдаваемой мощности S 2 . При расчете трансформатора важным параметром является типовая или габаритная мощность трансформатора. В этом параметре кроме полной мощности учитывается мощность, потребляемая трансформатором от сети по первичной обмотке. Типовая мощность трансформатора вычисляется следующим образом:
(3)
Определим типовую мощность для трансформатора с двумя обмотками. Полная мощность первичной обмотки S 1 = U 1 I 1 , где U 1 , I 1 — действующие значения напряжения и тока Именно этой мощностью определяются габариты первичной обмотки. При этом число витков первичной обмотки трансформатора зависит от входного напряжения, сечение провода от протекающего по ней максимального тока (действующее значение). Габаритная мощность трансформатора определяет необходимое сечение сердечника s с. Ее можно рассчитать следующим образом:
(4)
Напряжение на первичной обмотке трансформатора можно определить из выражения U 1 = 4k ф W 1 fs B m , где s – площадь сечения сердечника магнитопровода, определяемая как произведение ширины сердечника на его толщину. Эквивалентная площадь сечения сердечника трансформатора обычно меньше и зависит от толщины пластин или ленты и расстояния между ними, поэтому при расчете трансформатора вводится коэффициент заполнения сердечника, который определяется как отношение эквивалентной площади сечения сердечника магнитопровода к его геометрической площади . Его значение обычно равно k c = 1 ... 0,5 и зависит от толщины ленты. Для прессованных сердечников (изготовленных из феррита, альсифера или карбонильного железа) k c = 1. Таким образом, s = k c s c и выражение для напряжения первичной обмотки трансформатора принимает следующий вид:
U 1 = 4k ф k c W 1 fs c B m (5)Аналогичное выражение можно записать и для вторичной обмотки. В трансформаторе с двумя обмотками мощность первичной обмотки и типовая мощность трансформатора равны. Мощность первичной обмотки можно определить по следующему выражению:
U 1 = U 1 I 1 = 4k ф k c fs c B m W 1 I 1 (6)При этом типовая мощность трансформатора будет рассчитываться по следующей формуле:
(7)Отношение тока в проводе обмотки к его сечению называется плотностью тока. В правильно рассчитанном трансформаторе плотность тока во всех обмотках одинакова:
(8) где s обм1 , s обм2 — площади сечения проводников обмоток.Заменим токи I 1 = js обм1 и I 2 = js обм2 , тогда сумма в скобках выражения (7) может быть записана следующим образом: W 1 I 1 + W 2 I 2 = , j (s обм1 W 1 + s обм2 W 2) = js м, где s м — сечение всех проводников (меди) в окне сердечника трансформатора. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция трансформатора, где отчетливо видны площадь сердечника s с, площадь окна магнитопровода s ок и площадь, занимаемая проводниками первичной и вторичной обмоток s м.
Рисунок 1 Упрощенная конструкция трансформатора
Введём коэффициент заполнения окна медью . Его величина находится в пределах k м = 0,15 ... 0,5 и зависит от толщины изоляции проводов, конструкции каркаса обмоток, межслойной изоляции, способа намотки провода. Тогда js м = jk м s ок и выражение для типовой мощности трансформатора можно записать следующим образом:
(9)Из выражения (9) следует, что типовая мощность определяется произведением s с s ок. При увеличении линейного размера трансформатора в m раз, его объём (масса) увеличится в m³ раз, а мощность возрастёт в m 4 раз. Поэтому, удельные массо-габаритные показатели трансформаторов улучшаются с увеличением номинальной мощности. С этой точки зрения предпочтительны многообмоточные трансформаторы по сравнению с несколькими двухобмоточными.
При разработке конструкции трансформаторов стараются увеличить коэффициент заполнения окна сердечника обмотками, так как при этом возрастает значение номинальной мощности S тип. Для достижения этой цели применяются обмоточные проводники с прямоугольным сечением. Следует отметить, что при практических расчетах формулу (9) преобразуют к более удобному виду.
(10)
При расчете трансформатора по заданной мощности на нагрузке исходя из выражения (10) определяется произведение s с s ок. Затем по справочнику выбирается конкретный тип и размер магнитопровода трансформатора, у которого этот параметр будет больше или равен рассчитанному значению. Затем приступают к расчету количества витков в первичной и вторичной обмотках. Рассчитывают диаметр провода и проверяют, помещаются ли обмотки в окне магнитопровода.
Литература:
Вместе со статьей "Мощность трансформатора" читают:
http://сайт/BP/KlassTransf/
http://сайт/BP/SxZamTransf/
Хочу привести реальный пример выбора мощности силового трансформатора в одном из недавно выпущенных мною проектов. Проект проходил экспертизу и получил замечание по выбору силового трансформатора, вернее нужно было обосновать мощность силового трансформатора.
По техническим условиям было разрешено 180 кВт по третьей категории электроснабжения. На данном этапе я делал лишь одну позицию (склад) с потребляемой мощностью 20 кВт, остальные позиции будут запроектированы позже.
Естественно выбор силового трансформатора я делал исходя из мощности 180 кВт.
Вы, наверное, помните, что у меня же есть статья:
На эту тему имеется еще одна статья:
Так что обязательно ознакомьтесь, о чем я писал ранее.
В общем, суть такая, что если выбирать трансформатор по методическим указанием, то нам достаточно мощности силового трансформатора 160 кВА. Именно на это и ссылался эксперт. В проекте выбрана трансформаторная подстанция 250 кВА в металлическом корпусе. Самый дешевый вариант.
Я в свою очередь привел ссылку из ТКП 45-4.04-297-2014 п.11.20. Там сказано, что коэффициент загрузки однотрансформаторной подстанции должен быть 0,9-0,95. Там же написано, что выбор трансформатора должен производиться на основании технических характеристик трансформаторов от заводов-изготовителей.
Рассчитаем коэффициент загрузки трансформатора.
Кз=Sр/Sтр
Sр – полная расчетная мощность, кВА;
Sтр – мощность силового трансформатора, кВА.
Sр=Р/cos=180/0,8=225кВА.
Коэффициент мощности я принял 0,8.
Кз(250)=225/250=0,9
Кз(160)=225/160=1,4
А теперь представим, лето, температура воздуха 30 градусов. Как вы думаете, металлическая оболочка будет сильно греться на солнце? В таких условия воздух вокруг трансформатора, на мой взгляд, будет тоже не менее 30 градусов, а скорее всего и больше, т.к. КТП будет под прямыми солнечными лучами. Утверждать не буду, это лишь мои догадки.
Следующая таблица показывает нормы максимально допустимых систематических нагрузок при температуре 30 градусов.
Проверим трансформатор 160 кВА. Sр=225 кВА – это не значит, что трансформатор постоянно будет загружен на такую мощность. На такую мощность он будет загружен лишь пару часов в день. В остальное время он будет загружен, скажем на 65 % от этой расчетной мощности.
225*0,65=146,25 кВА.
Тогда К1=146,25/160=0,91, примем значение К1=0,9 – начальная загрузка трансформатора.
Согласно приведенной таблице и при температуре окружающей среды 30 градусов, К1=0,9 трансформатор 160 кВА в нормальном режиме с Sр=225 кВА (Кз=К2=1,4) сможет работать около…0 часов. В таких условиях максимальный коэффициент загрузки трансформатора 1,27 в течение 0,5 часа.
Конечно, следует еще привести таблицу норм допустимых аварийных перегрузок.
По этой таблице наш трансформатор сможет работать чуть больше 2 часов.
Не смотря на то, что трансформатор способен выдерживать аварийные перегрузки, следует иметь ввиду, что в таких режимах трансформатор очень сильно изнашивается и срок эксплуатации его сокращается.
Разумеется, по графику нагрузки значительно проще выбрать мощность силового трансформатора. В наших условиях проектирования, я считаю всегда должен быть небольшой запас прочности оборудования (резерв мощности), поскольку энергосистема развивается, количество потребляемой электроэнергии увеличивается и все чаше в ТУ пишут одним из требований: проверка существующих трансформаторов, т.е. многие подстанции загружены до предела, а для небольших предприятий это может оказаться проблемой.
Вывод: трансформатор 160 кВА не сможет нормально работать при наших условиях эксплуатации, поэтому в проекте выбран трансформатор 250 кВА.
Кстати, энергонадзор согласовал КТП без проблем.
Вы согласны со мной либо нужно тупо руководствоваться методическими указаниями?
Статьи по теме
