Расчет понижающего трансформатора
Выполнить самостоятельно расчет показателей мощности для однофазного трансформатора понижающего типа – достаточно легко. Поэтапное определение:
- показателей мощности на вторичной трансформаторной обмотке;
- уровня мощности на первичной трансформаторной обмотке;
- показателей поперечного сечения трансформаторного сердечника;
- фактического значения сечения трансформаторного сердечника;
- токовых величин на первичной обмотке;
- показателей сечения проводов на первичной и вторичной трансформаторных обмотках;
- количества витков на первичной и вторичной обмотках;
- общего числа витков на вторичных обмотках с учетом компенсационных потерь напряжения в кабеле.
На заключительном этапе определяются показатели площади окна сердечника и коэффициента его обмоточного заполнения. Определение сечения сердечника, как правило, выражается посредством его размеров, в соответствии с формулой: d1=А х В, где «А» — это ширина, а «В» — толщина.
Понятие мощности электродвигателя
Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.
На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность
. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р2.
Электрическая (потребляемая) мощность
двигателя Р1 всегда больше отдаваемой Р2, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:
КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S
(с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:
Формулы действительных чисел
Идеальный резистор не накапливает энергии; поэтому ток и напряжение совпадают по фазе. Следовательно, нет реактивной мощности и (используя соглашение о пассивном знаке ). Поэтому для идеального резистора
пзнак равноS{\ Displaystyle P = S}
- пзнак равноSзнак равноVрMSярMSзнак равноярMS2рзнак равноVрMS2р{\ displaystyle P = S = V _ {\ mathrm {RMS}} I _ {\ mathrm {RMS}} = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} R = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {R}} \, \!}.
Для идеального конденсатора или катушки индуктивности нет передачи полезной мощности; так что вся мощность реактивная. Следовательно, для идеального конденсатора или катушки индуктивности:
- пзнак равноQзнак равно|S|знак равноVрMSярMSзнак равноярMS2|Икс|знак равноVрMS2|Икс|{\ displaystyle {\ begin {align} P & = 0 \\ Q & = | S | = V _ {\ mathrm {RMS}} I _ {\ mathrm {RMS}} = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} | X | = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {| X |}} \ end {выравнивается}}}.
где — реактивное сопротивление конденсатора или катушки индуктивности.
Икс{\ displaystyle X}
Если определяется как положительный для катушки индуктивности и отрицательный для конденсатора, тогда знаки модуля могут быть удалены из S и X и получить
Икс{\ displaystyle X}
- Qзнак равноярMS2Иксзнак равноVрMS2Икс{\ displaystyle Q = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} X = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {X}}}.
Мгновенная мощность определяется как:
- п(т)знак равноv(т)я(т){\ Displaystyle п (т) = v (т) \, я (т)},
где и — изменяющиеся во времени формы сигналов напряжения и тока.
v(т){\ Displaystyle v (т)}я(т){\ Displaystyle я (т)}
Это определение полезно, потому что оно применимо ко всем сигналам, независимо от того, являются они синусоидальными или нет. Это особенно полезно в силовой электронике, где распространены несинусоидальные сигналы.
В общем, инженеров интересует активная мощность, усредненная за период времени, будь то цикл низкочастотной линии или период переключения высокочастотного преобразователя мощности. Самый простой способ получить этот результат — взять интеграл мгновенного расчета за желаемый период:
- пв среднемзнак равно1т2-т1∫т1т2v(т)я(т)dт{\ displaystyle P _ {\ text {avg}} = {\ frac {1} {t_ {2} -t_ {1}}} \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} v (t) \, i (t) \, \ mathrm {d} t}.
Этот метод расчета средней мощности дает активную мощность независимо от содержания гармоник в форме волны. В практических приложениях это будет выполняться в цифровой области, где расчет становится тривиальным по сравнению с использованием среднеквадратичных значений и фазы для определения активной мощности:
- пв среднемзнак равно1п∑kзнак равно1пVkяk{\ displaystyle P _ {\ text {avg}} = {\ frac {1} {n}} \ sum _ {k = 1} ^ {n} V I }.
Мощность тока
Разобравшись с понятием механической мощности, перейдём к рассмотрению электрической мощности (мощность электрического тока). Как Вы должны знать U — это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I — количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока.
Активная электрическая мощность (это мощность, которая безвозвратно преобразуется в другие виды энергии — тепловую, световую, механическую и т.д.) имеет свою единицу измерения — Вт (Ватт). Она равна произведению 1 вольта на 1 ампер. В быту и на производстве мощность удобней измерять в кВт (киловаттах, 1 кВт = 1000 Вт). На электростанциях уже используются более крупные единицы — мВт (мегаватты, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).
Будет интересно Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле
Реактивная электрическая мощность — это величина, которая характеризует такой вид электрической нагрузки, что создаются в устройствах (электрооборудовании) колебаниями энергии (индуктивного и емкостного характера) электромагнитного поля. Для обычного переменного тока она равна произведению рабочего тока I и падению напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = U*I*sin(угла). Реактивная мощность имеет свою единицу измерения под названием ВАр (вольт-ампер реактивный). Обозначается буквой «Q».
Простым языком активную и реактивную электрическую мощность на примере можно выразить так: у нас имеется электротехническое устройство, которое имеет нагревательные тэны и электродвигатель. Тэны, как правило, сделаны из материала с высоким сопротивлением. При прохождении электрического тока по спирали тэна, электрическая энергия полностью преобразуется в тепло. Такой пример характерен активной электрической мощности.
Электродвигатель этого устройства внутри имеет медную обмотку. Она представляет собой индуктивность. А как мы знаем, индуктивность обладает эффектом самоиндукции, а это способствует частичному возврату электроэнергии обратно в сеть. Эта энергия имеет некоторое смещение в значениях тока и напряжения, что вызывает негативное влияние на электросеть (дополнительно перегружая её).
Расчетные формулы мощности тока
Похожими способностями обладает и ёмкость (конденсаторы). Она способна накапливать заряд и отдавать его обратно. Разница ёмкости от индуктивности заключается в противоположном смещении значений тока и напряжения относительно друг друга. Такая энергия ёмкости и индуктивности (смещённая по фазе относительно значения питающей электросети) и будет, по сути, являться реактивной электрической мощностью.
Более подробно о свойствах реактивной мощности мы поговорим в соответствующей статье, а в завершении этой темы хотелось сказать о взаимном влиянии индуктивности и ёмкости. Поскольку и индуктивность, и ёмкость обладают способностью к сдвигу фазы, но при этом каждая из них делает это с противоположным эффектом, то такое свойство используют для компенсации реактивной мощности (повышение эффективности электроснабжения). На этом и завершу тему, электрическая мощность, мощность электрического тока.
Мощность двигателя
Расчет мощности двигателя автомобиля
5 популярных способа как вычислить мощность двигателя автомобиля используя такие данные как: — обороты двигателя, — объем мотора, — крутящий момент, — эффективное давление в камере сгорания, — расход топлива, — производительность форсунок, — вес машины — время разгона до 100 км.
Каждая из формул, по которой будет производиться расчет мощности двигателя автомобиля довольно относительная и не может со 100% точностью определить реальную лошадиную силу движущую машину. Но произведя подсчеты каждым из приведенных гаражных вариантов, опираясь не те или иные показатели, можно рассчитать, по крайней мене, среднее значение будь-то стоковый или тюнингованный движок, буквально с 10-ти процентной погрешностью. Мощность — энергия, вырабатываемая двигателем, она преобразуется в крутящий момент на выходном валу ДВС. Это не постоянная величина. Рядом со значениями максимальной мощности всегда указываются обороты, при которых можно её достигнуть. Точкой максимума достигается при наибольшем среднее эффективном давлении в цилиндре (зависит от качества наполнения свежей топливной смесью, полноты сгорания и тепловых потерь). Наибольшую мощность современные моторы выдают в среднем при 5500–6500 об/мин. В автомобильной сфере измерять мощность двигателя принято в лошадиных силах. Поэтому поскольку большинство результатов выводятся в киловаттах вам понадобится калькулятор перевода кВт в л.с
Как рассчитать мощность через крутящий момент
Самый простой расчет мощности двигателя авто можно определить по зависимости крутящего момента и оборотов. —Крутящий момент Сила, умноженная на плечо ее приложения, которую может выдать двигатель для преодоления тех или иных сопротивлений движению. Определяет быстроту достижения мотором максимальной мощности. Расчетная формула крутящего момента от объема двигателя: Мкр = VHхPE/0,12566, где VH – рабочий объем двигателя (л), PE – среднее эффективное давление в камере сгорания (бар). —Обороты двигателя — Скорость вращения коленчатого вала. Формула для расчета мощности двигателя внутреннего сгорания автомобиля имеет следующий вид: P = Mкр * n/9549 , где: Mкр – крутящий момент двигателя (Нм), n – обороты коленчатого вала (об./мин.), 9549 – коэффициент, дабы обороты подставлять именно в об/мин, а не косинусами альфа. Поскольку по формуле, результат получим у кВт, то при надобности также можно конвертировать в лошадиные силы или попросту умножать на коэффициент 1,36. Использование данных формул — это самый простой способ перевести крутящий момент в мощность. А дабы не вдаваться во все эти подробности быстрый расчет мощности ДВС онлайн, можно произвести, используя наш калькулятор. Но, к сожалению, данная формула отражает лишь эффективную мощность мотора которая не вся доходит именно до колес автомобиля. Ведь идут потери в трансмиссии, раздаточной коробке, на паразитные потребители (кондиционер, генератор, ГУР и т.п.) и это без учета таких сил как сопротивление качению, сопротивление подъему, аэродинамическое сопротивление.
Свойства трансформатора
В представленной выше схеме серийного изделия функциональность обеспечивают две катушки индукции, закрепленные на сердечнике из металла. При подключении к источнику питания переменного тока формируется электромагнитное поле, которое создает ток во второй обмотке по базовым законам электродинамики. В упрощенном варианте пренебрегают затратами энергии на повышение температуры проводников и потерями, которые обеспечивают вихревые токи. Для приблизительного расчета применяют формулу:
Ктр = Uвх/Uвых = N1/N2, где N – количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.
Масштабирование напряжения
Этот термин подчеркивает суть рассматриваемого явления. Фактически трансформация (преобразование) энергии в данном случае не происходит. Изменяется в сторону увеличения (уменьшения) определенный параметр. Несмотря на взаимную связь всех базовых компонентов, отдельно рассматривают только важнейший показатель для решения определенной инженерной задачи (напряжение, силу тока или электрическое сопротивление).
Если подключить трансформатор по схеме, показанной на картинке выше, формулу коэффициента трансформации можно определить следующим образом:
Ктр = Uвх/Uвых = (E*N1 + I1*R1)/ (E*N2 + I2*R2),
где
- E – электродвижущая сила, которая наводится в одиночном витке;
- I, R – токи, активные электрические сопротивления (значения для соответствующих обмоток).
Масштабирование силы тока
В этом примере первичную обмотку подключают к источнику питания последовательно через небольшую нагрузку (Ктр = I1/I2). Зависимость токов и количества витков:
I1*N1 = I2*N2 +Iх.
В этом выражении Ix – ток холостого хода, который обусловлен отмеченными выше вихревыми явлениями и потерями на повышение температуры магнитопровода. Простым математическим преобразованием можно получить значение коэффициента трансформации через количество витков (без учета сопутствующих энергетических затрат):
Ктр = N2/N1.
Масштабирование сопротивления
В отдельных ситуациях функциональность электротехнического устройства (отдельных блоков) будет определять именно сопротивление подключаемой нагрузки. Наглядный пример – согласование типовых низкоомных динамиков (6-8 Ом) и выходного тракта усилителя мощности звукового диапазона.
Согласующий трансформатор
При воспроизведении технологии сварки в рабочей области фактически поддерживается режим короткого замыкания. Если не отделить эту часть от источника питания, сеть будет подвергаться чрезмерным нагрузкам. В этой ситуации пригодится трансформатор, который сохраняет путь передачи электроэнергии с одновременным выполнением необходимых защитных функций.
Для этих примеров особое значение приобретает баланс:
W1 = W2 + Wп.
В этом выражении приведены обозначения мощностей:
- W1 – потребления;
- W2 – передаваемой в нагрузку;
- Wп – потерь.
Последовательность элементарных преобразований позволит получить следующие выражения, по которым будут вычисляться отдельные параметры:
- W1 = I1 * U1 = U12/Z1;
- W2 = I2 * U2 = U22/Z2;
- с исключением потерь: U12/Z1 = U22/Z2;
- Ктр (по сопротивлению) = U12/U22 = Z1/ Z2 = Ктр2 (по напряжению).
К сведению. В этих выражениях Z1 (Z2) – это сопротивления нагрузки для источника питания при подключенном трансформаторе или без него, соответственно.
Итоговые замечания
Следует подчеркнуть неизменность воспроизведения трансформатором рабочих процессов в любом из представленных выше примеров. Тип масштабирования будет определяться целевым назначением определенной схемы. В зависимости от необходимости учитывают коэффициент трансформатора по соответствующему параметру (U, I или Z). Способность повышать, понижать или поддерживать равный уровень напряжения объясняется только количеством витков.
К сведению. При расчете измерительной аппаратуры и в других ситуациях для повышения точности учитывают энергетические потери, фазовый сдвиг электрических параметров и влияние внешних факторов.
Мощность переменного тока
В таких цепях применять формулы для мгновенных величин нельзя, так как итоговое значение будет изменяться от минимума до максимума с частотой сети. В стандартной однофазной сети 220 V поддерживается синусоидальная форма сигнала 50 Гц.
Однако допустимо использование рассмотренных выше простых соотношений (P = U * I и других) при подключении нагрузки с резистивными характеристиками:
- ТЭНов стиральных машин;
- нагревательных спиралей инфракрасных излучателей;
- лампочек с вольфрамовой нитью накаливания.
С помощью этого выражения выясняют, какая мощность будет выделяться в нагрузке.
Активная мощность
Ситуация меняется радикальным образом, если включается мощный электродвигатель или конденсатор. Подобные нагрузки формируют колебательный контур, который обменивается энергией с источником питания. Полезные функции в данном случае выполняются только активной компонентой (Pакт). Ее вычисляют следующим образом:
- U * I – постоянный ток (переменный при резистивной нагрузке);
- U * I * cos ϕ – для ~220V, одна фаза;
- U * √3 * cos ϕ = U * 1,7321 * cos ϕ – три фазы, U * √3 * ~380V.
Реактивная мощность
Этот параметр, несмотря на отсутствие полезной работы, следует учитывать для корректной оценки важных параметров сети. Дело в том, что проводники нагреваются при пропускании тока в любом направлении. Циклические энергетические воздействия при достаточно большой интенсивности:
- разрушают жилы и защитные оболочки кабелей;
- провоцируют короткое замыкание;
- повреждают обмотки электроприводов и трансформаторы.
Реактивная составляющая определяется формулой:
Pреакт = U * I * sin ϕ.
Она принимает отрицательное (положительное) значение при подключении нагрузки с емкостными (индукционными) характеристиками, соответственно.
В чем измеряется мощность тока для подобных ситуаций, понятно из определения. Так как речь идет об изменении параметров электрического (магнитного) поля, итоговый результат обозначают вольт-амперами реактивными (единица измерения сокр. – вар).
Полная мощность
Если рассматриваемые величины выразить векторами, образуется треугольник. Длина сторон будет соответствовать потреблению энергии определенной составляющей. Угол между полной (Pполн) и активной мощностью (ϕ) используется в расчетах для вычислений. Общая формула:
Pполн = √((Pакт)2 + (Pреакт)2).
Комплексная мощность
Потребление энергии можно выразить при необходимости комплексными величинами. Используют базовые соотношения. Вместо сопротивления применяют импеданс.
Определение
Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:
P=U*I
P=I2*R
P=U2/R
По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.
Нагрузку разделяют на два основных типа:
- Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
- Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).
Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.
Как найти активную, реактивную и полную мощность
Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.
В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.
При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.
Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.
Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).
https://youtube.com/watch?v=MdbG1f-SIC4
Зная, как рассчитать мощность трансформатора, можно самостоятельно выбрать и приобрести качественный прибор, позволяющий преобразовывать напряжение в большие или меньшие значения.
Перегрузки силовых трансформаторов
Перегрузки определяются преобразованием заданного графика нагрузки в эквивалентный в тепловом отношении (рис. 3.5). Допустимая нагрузка трансформатора зависит от начальной нагрузки, максимума нагрузки и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения нагрузки:
Допустимые систематические перегрузки трансформаторов определяются из графиков нагрузочной способности трансформаторов, задаваемых таблично или графически. Коэффициент перегрузки передается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха /сп вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузки кн н и продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузки tmах.
Если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается длительная 1%я перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15 %. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150 %. При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5 % выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинальное.
Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствии с указаниями заводом — изготовителя. Так, трехфазные трансформаторы с расщепленной обмоткой 110 кВ мощностью 20, 40 и 63 М ВА допускают следующие относительные нагрузки: при нагрузке одной ветви обмотки 1,2; 1,07; 1,05 и 1,03 нагрузки другой ветви должны составлять соответственно 0; 0,7; 0,8 и 0,9.
Читать также: Удельный вес листа стального
Что такое реактивная мощность?
Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.
Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.
При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.
На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.
К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:
- электромоторы;
- дроссели;
- трансформаторы;
- электромагнитные реле и другие устройства, содержащие обмотки.
Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.
