Name: modeling transformer losses with equivalent circuits
Uploaded: 2024-11-21T14:54:19.000Z
Duration: 1 min 28 s
Channel: JoVE

Эквивалентные схемы практичных однофазных двухобмоточных трансформаторов отличаются от своих идеальных аналогов сопротивлением обмотки и конечной проницаемостью сердечника.
Неограниченный магнитный поток приводит к потерям реальной и реактивной мощности. Сопротивление и реактивное сопротивление утечки, последовательно с каждой обмоткой, объясняют резистивные потери, падение напряжения, вызванное потоком утечки, и потери реактивной мощности соответственно.
Конечная проницаемость ядра подразумевает ненулевую магнитодвижущую силу по закону Ома для магнитных цепей.
Перестановка и подстановка индуцированного напряжения на левой обмотке приводит к намагничивающему току, который отстает от индуцированного напряжения на 90 градусов, представленному шунтирующей катушкой индуктивности.
Кроме того, шунтирующая ветвь, представленная резистором, переносит ток потерь в сердечнике в фазе с индуцированным напряжением. Когда ток правой обмотки равен нулю, две составляющие тока левой обмотки - потери в сердечнике и токи намагничивания - отвечают за потери реальной мощности и реактивной мощности.
Эти потери можно свести к минимуму с помощью высокосортной легированной стали. Можно построить три альтернативные эквивалентные схемы, в том числе, когда сопротивление и реактивное сопротивление утечки относятся к левой обмотке, возбуждающий ток игнорируется, а сопротивление обмотки игнорируется.

Эквивалентные схемы для практических трансформаторов

Практические эквивалентные схемы однофазных двухобмоточных трансформаторов демонстрируют значительные отклонения от своих идеализированных версий из-за присущих им свойств сопротивления обмотки и конечной проницаемости сердечника. Эти свойства приводят к потерям активной и реактивной мощности, влияющим на производительность трансформатора. Понимание этих отклонений имеет решающее значение для проектирования более эффективных трансформаторов.

В практическом трансформаторе каждая обмотка проявляет сопротивление и реактивное сопротивление рассеивания. Сопротивление обмотки способствует резистивным потерям, проявляющимся в виде тепла, в то время как реактивное сопротивление рассеивания, связанное с потоком рассеивания, вызывает падение напряжения и приводит к потере реактивной мощности. Эти элементы моделируются последовательно, с каждой обмоткой в ​​эквивалентной схеме трансформатора, что обеспечивает более точное представление поведения трансформатора в условиях нагрузки.

Конечная проницаемость сердечника трансформатора подразумевает, что требуется ненулевая магнитодвижущая сила (МДС), как описано в законе Ома для магнитных цепей. Это требование приводит к току намагничивания, который необходим для установления магнитного потока в сердечнике. Когда рассматривается индуцированное напряжение на первичной обмотке, ток намагничивания отстает от индуцированного напряжения на 90 градусов. Эта связь представлена ​​шунтирующим индуктором в эквивалентной схеме, точно моделирующим реактивную составляющую мощности из-за намагничивания сердечника.

Потери в сердечнике, в первую очередь из-за гистерезиса и вихревых токов в материале сердечника, представлены шунтирующим резистором в эквивалентной схеме. Этот резистор моделирует ток потерь в сердечнике, который находится в фазе с индуцированным напряжением. Когда ток вторичной обмотки равен нулю, первичный ток состоит из двух компонентов: тока намагничивания и тока потерь в сердечнике. Эти компоненты отвечают за реактивные и активные потери мощности соответственно.

Для снижения этих потерь в качестве материала сердечника часто используется высококачественная легированная сталь. Этот материал обладает превосходными магнитными свойствами, снижая потери на гистерезис и вихревые токи, тем самым повышая эффективность трансформатора.

 Для практического трансформатора можно построить три основные альтернативные эквивалентные схемы:

<ol style="display: flex; flex-direction: column; gap: 10px;">
 <li>Когда сопротивление и реактивное сопротивление рассеивания относятся к первичной обмотке.</li>
 <li>Когда ток возбуждения (сумма токов намагничивания и потерь в сердечнике) для простоты пренебрегается.</li>
 <li>Когда сопротивление обмоток игнорируется, а внимание уделяется только реактивным составляющим.</li>
</ol>

Каждая из этих эквивалентных схем дает представление о различных аспектах производительности трансформатора и упрощает анализ для конкретных приложений. Понимая и моделируя эти неидеальные характеристики, инженеры могут проектировать трансформаторы, которые лучше соответствуют требованиям различных электрических систем.

Эквивалентные схемы практичных однофазных двухобмоточных трансформаторов отличаются от своих идеальных аналогов благодаря сопротивлению обмотки и конечному сердечнику...

equivalent-circuits-for-practical-transformers

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Электротехника

Unit 1

Раздел 1

Power Transformers

Силовые трансформаторы

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Equivalent Circuits for Practical Transformers

modeling transformer losses with equivalent circuits

Practical transformer equivalent circuits show how winding resistance, leakage reactance, and finite core permeability change transformer behavior. These non-ideal features create real and reactive power losses, so they matter when a transformer is under load.

Each winding has resistance and leakage reactance. Winding resistance causes resistive loss, which appears as heat. Leakage reactance comes from leakage flux, and it creates a voltage drop and reactive power loss. In the equivalent circuit, these elements are placed in series with each winding so the model matches real operation more closely.

The transformer core also needs a non-zero magnetomotive force, or MMF, because its permeability is finite. That need creates a magnetizing current, which establishes the magnetic flux in the core. When the induced voltage across the primary winding is considered, this magnetizing current lags the induced voltage by 90 degrees. It is shown as a shunt inductor in the circuit because it represents the reactive part of the core magnetization current.

Core losses are caused mainly by hysteresis and eddy currents in the core material. These losses are modeled with a shunt resistor. The core loss current through that resistor is in phase with the induced voltage, so it represents real power loss. When the secondary current is zero, the primary current contains both the magnetizing current and the core loss current. Together, these currents account for the reactive and real power losses in the transformer.

High-grade alloy steel is often used for the core to reduce these losses. Its better magnetic properties help lower hysteresis and eddy current loss, which improves efficiency. Engineers can also build three useful alternative equivalent circuits for a practical transformer. In one, the resistance and leakage reactance are referred to the primary winding. In another, the exciting current, which is the sum of magnetizing and core loss currents, is neglected for simplicity. In a third, winding resistances are ignored so the focus stays on the reactive components. Each form helps with a different kind of analysis and gives insight into transformer performance.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits

modeling-transformer-losses-with-equivalent-circuits

the ideal transformer

Transformer Core Flux and Turn Ratio

Single-phase two-winding transformers use two windings around a magnetic core. The core has a cross-sectional area A and magnetic permeability μ. A phasor current i1 enters the left winding, and i2 exits the right winding. These parts work together to move energy by electromagnetic means. Ampere’s law explains the magnetic field inside the transformer. It says that the closed-path integral of the magnetic field intensity’s tangential component equals the net current enclosed. For a...

equivalent circuits for practical transformers

Practical transformer equivalent circuits show how winding resistance, leakage reactance, and finite core permeability change transformer behavior. These non-ideal features create real and reactive power losses, so they matter when a transformer is under load. Each winding has resistance and leakage reactance. Winding resistance causes resistive loss, which appears as heat. Leakage reactance comes from leakage flux, and it creates a voltage drop and reactive power loss. In the equivalent...

three-winding transformers

Three-Winding Transformer Models

Three-winding transformer models show how three identical single-phase transformers can be combined into a three-phase transformer connection. The high-voltage windings are labeled A, B, and C. The low-voltage windings are labeled a, b, and c. This notation separates the high-voltage side from the low-voltage side and matches each phase to its own winding. For a grounded Y-Y three-phase transformer, the per-unit equivalent circuit uses common base quantities to simplify analysis. The base...

transformers with off-nominal turns ratios

transformers-with-off-nominal-turns-ratios

Modeling Parallel Transformers with Base Mismatch

Parallel transformers can be modeled with per-unit values even when the chosen voltage bases do not match the transformer ratings. This case creates an off-nominal turns ratio, which means the base voltages are not proportional to the rated voltages. To handle that mismatch, the transformer voltage relation is adjusted by using the ratio of the selected bases. One way to represent the transformer is as two series transformers. The first is the standard per-unit model, which includes the...

key terms and concepts

Learn how practical transformer equivalent circuits model winding resistance, leakage reactance, magnetizing current, and core losses for grades 9–12.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits

Description

Transcript