Потери и КПД трансформатора.

Трансформатор —статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей и, следовательно, механиче­ских потерь. Все потери в трансформаторе — это потери активной мощности, возникающие в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах его работы. Рас­смотрим эти потери.

Потери холостого хода. Мы видели, что в режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность расходу­ется только на покрытие потерь в стали магнитопровода и в первич­ной обмотке от тока холостого хода (I²_оr₁)- Потери, возникающие при этом в магнитопроводе, называют магнитными и обознача­ют Р_м. А суммарные потери в режиме холостого хода (при номи­нальных первичном напряжении и частоте) называют потерями холостого хода и обозначают Р_о:

P=P_м + I²_оr₁,

где r₁ — активное сопротивление первичной обмотки.

Особенностью потерь холостого хода являются их постоянство и независимость от режима нагрузки трансформатора. Действи­тельно, ток холостого хода I₀определяется геометрической суммой намагничивающей и активной составляющих (см. рис. 6). Ток I_нам создает основной поток Ф_о, а активная составляющая I_аопределя­ется только потерями в стали от гистерезиса и вихревых токов. Магнитный поток Ф_о, как мы установили, остается постоянным, как бы ни менялся режим нагрузки (токи I₁ и I₂) трансформатора. Сле­довательно, и ток I_нам останется неизменным при любой нагрузке.

Активная составляющая зависит только от магнитных потерь и для данного магнитопровода, выполненного из определенной марки стали (при номинальных первичном напряжении и частоте), является также неизменной. Естественно, что и потери в первичной обмотке от протекания тока I₀ останутся неизменными.

Таким образом, при номинальных первичном напряжении и ча­стоте потери холостого хода Р_о постоянны и не зависят от нагрузки трансформатора.

Основные потери в обмотках. Как мы установили, при включе­нии нагрузки, из первичной обмотки во вторичную передается электромагнитная мощность; во вторичной обмотке появляется ток I₂; одновременно в первичной обмотке возникает ток I₁ кото­рый находится в прямой зависимости от нагрузки, т. е. от тока I₂.При этом в обмотках теряется мощность, пропорциональная квад­ратам токов и сопротивлениям первичной и вторичной обмоток:

P_нагр = I²₁r₁+ I²₂r₂

где I₁ и I₂ — токи нагрузки; r₁ и r₂ — сопротивления соответствую­щих обмоток.

Естественно, что потери Р_нагр непосредственно зависят от вели­чины мощности, необходимой потребителю. Так, если в какой-либо момент потребляемая мощность составляет 0, 7 номинальной, т. е. токи равны 0, 7 своих номинальных значений, потери будут состав­лять 0, 7² = 0, 49, или только половину расчетных в номинальном режиме. А если учесть, что потребность в энергии в течение суток неодинакова, то очевидны значительные колебания нагрузочных потерь в обмотках, т. е. эти потери непостоянны и полностью зави­сят от режима нагрузки.

Добавочные потери в обмотках. Однако I₁ и I₂ — не единствен­ные токи, протекающие в обмотках трансформатора. Кроме токов нагрузки в обмотках трансформаторов обнаруживаются еще и дру­гие токи, которые замыкаются внутри отдельных проводов и между параллельными ветвями обмоток; эти токи в отличие от токов на­грузки не выходят за пределы обмоток.

Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называют вихревыми (аналогично токам внутри пластин магнитной системы). Токи, замыкающиеся между параллельно соединенными обмотками или частями обмоток, называют циркулирующими. Эти токи вызы­ваются полем рассеяния, т. е. той частью магнитного поля транс­форматора, силовые линии которой сцепляются не со всеми, а толь­ко с частью витков обмоток и проходят главным образом в немаг­нитной среде (в воздухе, масле и т. п.).

При расчете потерь в обмотках реальный ток, неравномер­но распределяющийся по сечению проводов и между параллель­ными ветвями обмоток, обычно рассматривают как сумму трех токов:

тока нагрузки, равномерно распределяющегося по поперечному сечению и между параллельными ветвями;

циркулирующего тока, замыкающегося внутри контура, образо­ванного параллельными ветвями;

вихревого тока, замыкающегося только в пределах каждого провода.

При этом сумма потерь от трех указанных токов равна реаль­ным потерям в обмотках трансформатора.

Кроме потерь в обмотках поля рассеяния вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери сни­жают эффективность трансформатора; с ними ведется постоянная борьба с целью добиться их минимальной величины.

Итак, в трансформаторе различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р_о); нагрузочные (Р_нагр) и добавочные (Р_доб) потери, определяемые режимом работы (величиной нагруз­ки) трансформатора:

Σ P=P₀+P_нагр+Р_доб

Коэффициент полезного действия

Мощность Р₁, получаемая трансформатором из сети, расходу­ется на полезную мощность Р₂, передаваемую потребителю, и на суммарные потери Σ P:

Р₁ = Р₂ + Σ P

Отсюда КПД трансформатора определяется формулой

Полезная мощность, передаваемая потребителю, определяется как Р₂=U₂I₂соsφ ₂, где U₂ и I₂ — вторичные напряжение и ток на­грузки, а соsφ ₂— коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки (активная, индуктивная, смешанная). При «чисто» актив­ной нагрузке (например, осветительная электросеть) угол сдвига векторов вторичных тока и напряжения равен нулю, т. е. соsφ ₂=1 и Р₂ = U₂I₂.

Однако на практике «чисто» активная нагрузка встречается очень редко. Чаще всего приходится иметь дело со смешанной на­грузкой (например, активная и индуктивная), при которой соsφ ₂ меньше единицы и, следовательно, полезная мощность, передавае­мая потребителю, меньше U₂I₂.

Но при изготовлении трансформатора неизвестно, для какой нагрузки он будет использован, поэтому в табличке паспортных данных при выпуске с завода всегда указывают так называемую полную (или кажущуюся) мощность трансформатора в киловольт-амперах, т. е.

S=U₂I₂· 10^-3, кВ· А

где U₂ и I₂ — указанные в табличке паспортных данных вторичные токи и напряжения трансформатора.

В свою очередь получаемую трансформатором мощность можно записать как

Р₁=U₁I₁ соsφ ₁, кВ· А,

где U₁ и I₁ — номинальные значения первичных напряжения и тока; φ ₁ — угол сдвига векторов первичных напряжений и тока, опреде­ляемый величиной потребляемой трансформатором реактивной мощности.

Учитывая, что кпд трансформаторов обычно очень высок и до­стигает 99, 5%, и пренебрегая на этом основании потерями, можно записать, что Р₁ = Р₂ или U₁I₁= U₂I₂ (при близких значениях углов φ ₁ и φ ₂ ).

Разделив последнее равенство на , U₁I₂ получим

Вспомним что напряжения (или ЭДС) обмоток пропорциональны числу витков

Токи же в обмотках, как видно из предыдущего равенства, об­ратно пропорциональны напряжениям и, следовательно, числам витков:

или I₁ w₁=I₂ w₂

т. е. намагничивающая сила (ампер-витки) первичной обмотки равна намагничивающей силе (ампер-виткам) вторичной обмотки.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. O.2. Потери и искажение информации при общении оппонентов
2. Вопрос. КПД ведущего колеса.
3. ДВС схемы, циклы и термический кпд двигатель внутреннего сгорания
4. Для уменьшения не линейных искажении и повышения КПД
5. Добавочные потери в обмотках
6. И33. Местные гидравлические сопротивления.Потери по длине.
7. Клиника кровотечения и кровопотери
8. Кто имеет право на государственную пенсию по случаю потери кормильца
9. Ли Цзы-чэн, правильно оценив неблагоприятно складывавшуюся обстановку, своевременно приказал своим войскам отступать в крепость Ионпинг. Потери крестьянского войска достигали 30 тыс. человек.
10. Македоняне в общей сложности потеряли 13 тысяч человек убитыми, ранеными и пленными. Потери римлян не превышали 700 человек убитыми.
11. Монопольная власть и потери общества (графический анализ)
12. Оборонявшиеся на р. Вороньей как в пехоте, так и в коннице понесли значительные потери убитыми и пленными. В город отступило около 10 тыс. человек.