КПД трансформатора | ООО «НОМЭК»

При работе в трансформаторе возникают потери энергии. Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) называют отношение отдаваемой мощности Р2 к мощности Р1 поступающей в первичную обмотку:

η = P2/P1 = (U2I2 cos φ2)/(U1I1 cos φ1)

или

η = (Р1 — ΔР)/Р1 = 1 — ΔР/(Р2 + ΔР),                                 (2.49)

где ΔР — суммарные потери в трансформаторе.

Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.

Рис. 2.38. Энергетическая диаграмма трансформатора

Процесс преобразования энергии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма (рис. 2.38). При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ΔРэл1 и ΔРзл2, а также магнитные потери в стали магнитопровода ΔРм (от вихревых токов и гистерезиса).

Поэтому

Р2 = Р1 — ΔРэл1 — ΔРэл2 — ΔРм                                              (2.50)

и формулу (2.49) можно представить в виде

η =

P2 P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм

= 1 —

ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм

(2.51)

Величину Рэм = Р1 — ΔРэл1 — ΔРм, поступающую во вторичную обмотку, называютвнутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора.

Определение потерь мощности. Согласно требованиям ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. Полу­чаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке. Следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

При опыте холостого хода ток I0 невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В то же время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его величина определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорциональны квадрату значения магнитного потока. Следовательно, с достаточной точностью можно считать, что магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе и номинальном первичном напряжении, т. е.

ΔРм ≈ Р0.                                                          (2.52)

Для определения суммарных электрических потерь согласно упрощенной схеме замещения (см. рис. 2.33,a) полагают, что 1’2 = 11. При этом

ΔPэл = ΔPэл1 + ΔPэл2 = I12R1 + I’22R2 ≈ I’22 (R1 + R’2) ≈ I’22Rк, (2. 53)

или

ΔРэл ≈ β2I’22номRк ≈ β2ΔPэл.ном,(2.54)

где ΔPэл.ном — суммарные электрические потери при номинальной нагрузке.

За расчетную температуру обмоток — условную температуру, к которой должны быть отнесены потери мощности ΔРэл и напряжение ик, принимают: для масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В (см. § 12.1) температуру 75°С; для трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости F, Н — температуру 115 °С.

Величину ΔРэл.ном ≈ I’22номRк ≈ I12номRк  можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Рк, потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ΔРмвесьма малы по сравнению с потерями ΔPэл из-за сильного уменьшения напряжения U1, a следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом,

ΔРэл = β2Pк(2.55)

Полные потери  

ΔP = Po + β2Pк (2.56)

Подставляя полученные значения Р в (2.

51) и учитывая, что Р2 = U2I2cosφ2 ≈ βSномcosφ2, находим

η = 1 — (β2Pк + P0)/(βSномcosφ2 + β2Pк + P0).

(2.57)

Эта формула рекомендуется ГОСТом для определения КПД трансформатора. Значения Ро и Рк для силовых трансформаторов приведены в соответствующих стандартах и каталогах.

Зависимость КПД от нагрузки. По (2.57) можно построить зависимость КПД от нагрузки (рис. 2.39, а). При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении βопт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т. е. пропорционально β2, в то время как полезная мощность Р2возрастает только пропорционально β.

Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98—0,99).

Рис. 2.39. Зависимость КПД трансформаторов η от нагрузки β

Оптимальный коэффициент нагрузки βопт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле (2.57) и приравняв ее нулю. При этом

β2оптPк = P0   или   ΔРэл = ΔРм

(2.58)

Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнит ным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов

βопт = √P0/Pк ≈ √0,2 ÷ 0,25 ≈ 0,45 ÷ 0,5(2.59)

Указанные значения βопт получены при проектировании трансформаторов на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует β = 0,5 ÷ 0,7. 

В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4 < β < 1,5). При уменьшении cosφ2 КПД снижается (рис. 2.39,6), так как возрастают токи 12 и I1 при которых трансформатор имеет заданную мощность Р2.

В трансформаторах малой мощности в связи с относительным увеличением потерь КПД существенно меньше, чем в трансформаторах большой мощности. Его значение составляет 0,6—0,8 для трансформаторов, мощность которых менее 50 Вт; при мощности 100-500 Вт КПД равен 0,90-0,92.

КПД трансформатора, потери в стали

КПД трансформатора всегда будет меньше 100% т.к. в каждом трансформаторе всегда имеются потери электрической энергии, вследствие чего из первичной обмотки во вторичную передаётся не вся энергия, а лишь бОльшая её часть.

Различают два вида потерь в трансформаторе — потери в меди (в проводах, которыми он намотан) и потери в стали (в сердечнике).

Потери в меди обуславливаются наличием в проводах обмоток трансформатора электрического сопротивления. Ток, протекающий в обмотке, создаёт на таком проводнике падение напряжения. На обмотке развивается некоторая электрическая мощность и часть энергии преобразуется в тепло, нагревающее обмотку.

Потери в стали

Потери в стали состоят из двух видов потерь:

• потери из-за вихревых токов;
• потери на циклическое перемагничивание.

Возникновение вихревых токов в сердечнике можно объяснить следующим образом. Сердечник, изготовленный из стали, представляет собой металлический проводник, помещённый в переменное магнитное поле. В сердечнике так же, как и в витках любой обмотки, будет создаваться индуктированная Э.Д.С., и по сердечнику будет протекать ток. Так как сечение сердечника велико, то его электрическое сопротивление мало. Поэтому токи, протекающие в сердечнике, достигают больших величин. При этом происходит активное расходование энергии и преобразование её в тепло, которое нагревает сердечник.

Величина потерь второго вида, т.е. потерь, возникающих при циклическом перемагничивании, сильно зависят от материала сердечника. Материал сердечника можно представить как бы состоящим из большого числа элементарных магнитиков (магнитных диполей), которые в обычном состоянии расположены хаотически. При внесении такого материала в магнитное поле магнитные диполи начинают поворачиваться в направлении действия магнитного поля. Если магнитное поле переменное, то диполи будут периодически поворачиваться сначала в одну, а потом в другую сторону с частотой изменения данного поля. При этом возникают силы трения и энергия магнитного поля также переходит в тепло, нагревающее сердечник.

Для увеличения КПД трансформатора нужно уменьшить все виды потерь. Потери в меди можно уменьшить путём увеличения сечения проводов обмоток. Однако при этом значительно увеличатся размеры, вес и стоимость трансформатора. Поэтому увеличение сечения проводов производится лишь до такой величины, при которой не наблюдается заметного нагрева обмоток. Потери на перемагничивание значительно уменьшаются, если в качестве материала сердечника трансформаторов применить специальную магнитомягкую сталь, имеющую определённый состав и структуру.

Наконец, для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собирается не из монолитных стальных брусков, а из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Кроме того, в состав материала сердечника вводится в качестве присадки кремний. И то и другое способствует увеличению электрического сопротивления сердечника, которое, в свою очередь, влечёт за собой уменьшение величины вихревых токов.

В результате всех этих мер КПД трансформатора обычно равен 85-90%.

Коэффициент полезного действия трансформатора — Справочник химика 21

    Мощность трансформатора выбирают с таким расчетом, чтобы его загрузка находилась в пределах 75—85% от номинальной мощности. При такой загрузке трансформаторы имеют наилучший коэффициент полезного действия.  [c.136]

    Мощность трансформаторов выбирают с таким расчетом, чтобы его загрузка находилась в пределах 75— 85% от номинальной мощности. При такой загрузке трансформаторы имеют наилучший коэффициент полезного действия и некоторый запас мощности на случай роста нагрузки. Трансформаторы в случае необходимости допускают перегрузку — систематическую и аварийную. [c.151]

    Коэффициент полезного действия маломощных трансформаторов изменяется обычно от 70 до 90 /о. Для трансформаторов мощностью до 1000 вт его можно принять равным 80°/о- Поэтому мощность потребляемая первичной обмоткой от сети, определяется так  [c.279]

    Коэффициент полезного действия трансформаторов тепла на эффекте Эттингсхаузена, как и ТЭ-систем, не превышает нескольких процентов здесь сказываются те же необратимые эффекты — теплопроводность и джоулево тепло. [c.293]

    Коэффициент полезного действия трансформатора при работе на активную нагрузку равен отношению активной мощности в нагрузке к полной активной мощности, потребляемой из сети  [c. 65]

    Коэффициент полезного действия полупроводникового трансформатора тепла определяется как отношение коэффициентов трансформации действительного и идеального трансформаторов при заданных температурах верхнего теплоприемника Гг и нижнего источника тепла Го.с Т1е = Цд/М ИД = Лд/ (1+То.с/АГ), [c.291]

    Коэффициент полезного действия электротермических установок, в зависимости от их типа и характера процесса, обычно находится в пределах от 30 до 85%. Однако, если учесть к. п. д. тепловой станции, а также к. п. д. линии передачи, сети и преобразователей (например трансформаторов), то оказывается, что коэффициент использования топлива при электротермическом варианте составляет от 8 до 18%. [c.27]

    Предварительный усилитель подгоняется под трансформатор Тг1 (в конечном усилителе), настроенном в резонанс. Конечный усилитель, состоящий из двух RG — связанных ступеней пентодов (R62, R63), представляет собой кольцевой демодулятор (Gri), который дает фазовое выпрямление с высоким коэффициентом полезного действия. Управляющее напряжение (100 гц), необходимое для кольцевого демодулятора, возникает в резонансном звене анодной цепи. [c.126]

    ПОМОЩИ транзистора Т, что полностью исключает потери в шунтирующем резисторе и уменьшает потери в трансформаторе. Поэтому коэффициент полезного действия устройства, изготовленного по этой схеме, примерно в два раза выше. [c.361]

    При выборе напряжения следует учитывать, что при постоянной мощности с увеличением напряжения соответственно снижаются сила и потери тока, а следовательно, повышается коэффициент полезного действия (к. п. д.) печи. При увеличении размеров и мощности печи напряжение обычно увеличивается. Следует, однако, учитывать, что при чрезмерном увеличении напряжения затрудняется эксплуатация печи. Поэтому при выборе напряжения печного трансформатора исходят из оптимального соотношения силы тока и напряжения, устанавливаемого на основании расчетных и опытных данных. [c.20]

    Ток к токопроводяще му покрытию на изделиях подводится при помощи силикатно-серебряных шинок, на которых закрепляются съемные металлические контакты, подсоединяемые к источнику электрического тока. Наиболее удобно присоединять электропровода непосредственно к шинкам. Для регулирования степени нагревания изделия с токопроводящими покрытиями включают в сеть через лабораторный трансформатор. На рис. 132 показаны изделия из стекла с токопроводящими покрытиями колба-куб вместимостью 2 л для ректификационных установок РУТ, УФП, УЧВ сосуд прибора для определения фазового равновесия Жидкость — пар ПФР и теплообменник из кварцевого стекла. Теплообменник предназначен для нагревания деионизованной воды в протоке, его применяют для комплектации установок НВ-150. Теплообменник имеет силикатно-серебряные шинки, на которых закрепляют съемные металлические контакты для присоединения к источнику электрического тока. Производительность теплообменника при температуре воды +70 °С составляет 50 л/ч, потребляемая мощность 3 кВт, коэффициент полезного действия 97 %. [c.182]

    Коэффициент полезного действия анодного трансформатора для электротермических установок находится в пределах Э1-9Ъ%. Снижение его вызвано уменьшением габаритов блока питания. С повышением мощности трансформаторов увеличивают габариты блока питания, чтобы снизить потери мощности, которые могут составить значительную величину. На некоторых предприятиях можно не использовать повывающий анодный трансформатор, а подвести к выпрямителю высокое напряжение непосредственно с подстанции и увеличить общий к.п.д. этого участка цепи до 97%. Коэффициент полезного действия высоковольтного выпрямителя без учета мощности, расходуемой на накал, достигает 99,5%. Наиболее сложным и важным является вопрос повышения который может достигать 90%. [c.42]

    В качестве изолирующего материала фторопласт-4 применяется для кабелей и проводов высокого напряжения. Изоляция из каучука, из полиэтилена обеспечивает нормальную работу кабеля до 85°С. При более высоких температурах требуется охлаждение. Использование фторопласта резко снижает потребность в охлаждении. Провода, покрытые фторопластом, могут использоваться при 180—190°С. Трансформаторы с изоляцией из фторопласта могут работать при 200°С, это позволяет резко увеличить мощность и коэффициент полезного действия машин без изменения их габарита. [c.47]

    Предполагается, что механизм этого процесса сводится к возбуждению электронов полупроводника, которые захватываются на границе окись цинка — раствор адсорбированными молекулами кислорода последние вступают в реакцию с водой и образуют перекись. В данном случае окись цинка выполняет роль трансформатора энергии — 7-кванты, поглощенные полупроводником, превращаются в энергию возбуждения электронов полупроводника. В отличие от действия фотонов оптических частот, 7-кванты, поглощенные полупроводником, приводят к возбуждению большого числа электронов. В связи с этим оказалось полезным использовать для оценки эффективности трансформации энергии так называемый коэффициент умножения. Этот коэффициент показывает, какое число возбужденных электронов полупроводника принимает участие в сенсибилизированной реакции при действии 7-квантов.  [c.373]

    Для питания током крупных электролизных установок служат выпрямители. Коэффициент полезного действия выпрямителей тем больше, чем выше напряжение выпрямленного тока. Наиболее выгодно применять выпрямители с номинальным напряжением 500 В, так как при более высоком напряжении непропорционально растет ущерб, наносимый токами утечки, и увеличивается опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Выпрямители включаются в электрическую цепь по схеме моста Уитстона, и в каждое плечо моста включается вентиль — устройство, пропускающее электрический ток лишь в одном направлении. Такое подключение обеспечивает выпрямление обоих полупериодов переменного тока. При зтом напряжение выпрямленного тока равно фазовому напряжению переменного тока. На рис. 175 показана схема выпрямления однофазного тока и диаграмма изменения во времени силы выпрямленного однофазного тока. Как видно из рис. 175, сила выпрямленного однофазного тока пульсирует во времени. Чтобы сгладить пульсации, выпрямляют трех-, шести- и двенадцатифазный переменный ток. При этом схема моста усложняется. Шести- и двенадцатифазные системы переменного тока получают из трехфазной за счет соответствующего подсоединения катушек трансформатора. [c.409]

    Коэффициент полезного действия селеновых вентилей очень незначительно отличается от к. п. д. меднозг-кисных вентилей. На рис. 2-19 приведены сравнительные кривые к. п. д. селенового и меднозакисного вентилей, снятые при полной нагрузке для различных значений напряжения при разных типах соединений вторичной обмотки трансформатора и пластин А и ). [c.68]

    Коэффициент полезного действия автотрансформатора больше, чехм трансформатора той же вторичной мощности. [c.103]

    Электрические характеристики руднотермических печей — это зависимость мощности, потребляемой из сети Рс, полезной мощности печи Ра, напряжения на электродах Уп, коэффициента мощности созф, электрического коэффициента полезного действия ц и мощности потерь Рпот от тока в электроде / в рабочем диапазоне напряжений трансформатора.  [c.144]

    Схема с удвоенным напряжением. Дальнейшим развитием схемы с фильтровой емкостью является схема с удвоением напряжения на выходе (рис. V. 9, г). Накопительная рабочая емкость Ср через управляемые разрядники и искровой промежуток в жидкости заряжается от фильтровой емкости. Затем рабочая емкость Ср переключается так, что на искровой промежуток в жидкости действует сумма напряжений на рабочей и фильтровой емкости. При этом происходит пробой промежутка в жидкости и перезарядка рабочей емкости. Дальше процесс повторяется. Для обеспечения высокого к. п. д. зарядного контура фильтровая емкость должна быть в 15—20 раз больше накопительной. Рассматриваемая схема обладает всеми преимуществами схемы без удвоения напряжения на выходе, кроме того трансформатор и фильтровая емкость в ней рассчитаны на половину выходного напряжения генератора импульсов тока, что значительно уменьшает их вес и габариты. Коэффициент полезного действия схемы 90%. Обе схемы с фильтровой емкостью применяются в установках, использующих высокую частоту разрядов, до 30— 50 гц, в технологических установках для очнсткн литья, дробления и термомеханической обработки.  [c.288]

    Важнейщим технико-экономическим показателем работы трансформатора является коэффициент полезного действия т]. Наибольший коэффициент полезного действия получается при равенстве потерь холостого хода и короткого замыкания. Исходя из этого можно составить уравнение, позволяющее определить наиболее экономичную нагрузку одного трансформатора. При составлении уравнения необходимо реактивные потери холостого хода и короткого замыкания -привести к активным потерям. Это делается путем умножения реактивных потерь на экономический эквивалент Кэ реактивной мощности, который показывает, сколько требуется киловатт активной мощности для выработки и распределения 1 кв-ар реактивной мощности. Величина экономического эквивалента реактивной мощности зависит от расположения трансформаторов в энергосистеме и от высшего напряжения. Трансформаторные подстанции, как правило, питаются от сети 6—10 кв районной подстанции. В этом случае экономический эквивалент реактивной мощности можно принять равным /Сэ=0,12. Уравнение, выражающее наивыгоднейший режим работы одного трансформатора, можно записать так  [c.180]

    Согласующий элемент представляет собой диафрагму (мембрану) с сильноразвитой излучающей способностью. Диафрагма (мембрана) увеличивает коэффициент полезного действия и полезную мощность преобразователя. Диафрагму (мембрану) иногда называют трансформатором упругих колебаний. [c.88]

---

Потери и КПД трансформатора — презентация онлайн

1. ПОТЕРИ И КПД ТРАНСФОРМАТОРА

ЦОР №3 по дисциплине
«Электрические машины»
преподаватель
Хохлова Т.Б.
ПОТЕРИ И КПД
ТРАНСФОРМАТОРА

2. СОДЕРЖАНИЕ.

1. ПОТЕРИ:
— ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
— МАГНИТНЫЕ
2. КПД

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

СОДЕРЖАНИЕ
Обусловлены нагревом обмоток
трансформаторов при прохождении по этим
обмоткам электрического тока.
Мощность электрических потерь Рэ
пропорциональна квадрату тока и определяется
суммой электрических потерь в первичной Рэ1 и
во вторичной Рэ2 обмотках:
Рэ Рэ1 Рэ 2 mI r mI 2 r2
2
1 1
2
(1)
где m – число фаз в обмотках трансформатора (для
однофазного трансформатора m = 1, для
трёхфазного m = 3).
СОДЕРЖАНИЕ

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

СОДЕРЖАНИЕ
При проектировании трансформатора величину
электрических потерь определяют по (1) а, для
изготовленного трансформатора эти потери
определяют опытным путем, измерив мощность к.з.
при номинальных токах в обмотках Рк.ном.
2
(2)
Рэ Рк .ном
Электрические потери называют
переменными, так как их величина зависит от
нагрузки трансформатора.
Смотреть рисунок 1.
СОДЕРЖАНИЕ

7. МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ

СОДЕРЖАНИЕ
Происходят главным образом в
магнитопроводе трансформатора.
Причина этих потерь – систематическое
перемагничивание магнитопровода
переменным магнитным полем. Это
перемагничивание вызывает в
магнитопроводе два вида магнитных
потерь.
СОДЕРЖАНИЕ
1 вид: потери от гистерезиса Рг, связанные с
затратой энергии на уничтожение
остаточного магнетизма в ферромагнитном
материале магнитопровода;
2 вид: потери от вихревых токов Рв. т.,
наводимые переменным магнитным полем в
пластинах магнитопровода:
РМ РГ РВ.Т .
СОДЕРЖАНИЕ

10. МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ.

Суммарные магнитные потери принято считать
пропорциональными частоте тока в степени 1,3,
т.е. Рм ≡ f1,3.
Величина магнитных потерь зависит так же
и от магнитной индукции в стержнях и ярмах
магнитопровода (Рм ≡ В2). При неизменном
первичном напряжении (U1=const) магнитные
потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки
трансформатора. (см. рис 1 а).
СОДЕРЖАНИЕ
Для изготовленного трансформатора
магнитные потери определяют опытным
путем, измерив мощность х.х. при
номинальном первичном напряжении Р0ном.
Таким образом, активная мощность
Р1, поступающая из сети в первичную
обмотку трансформатора, частично
расходуется на электрические потери в
обмотке Рэ1. Переменный магнитный поток
вызывает в магнитопроводе
трансформатора магнитные потери Рм.
СОДЕРЖАНИЕ
Оставшаяся после этого мощность,
называемая электромагнитной
мощностью Рэм = Р1 — Рэ1 — Рм,
передаётся во вторичную обмотку.
Во вторичной обмотке она частично
расходуется на электрические потери в
этой обмотке Рэ2.
СОДЕРЖАНИЕ
Активная мощность, поступающая в
нагрузку трансформатора,
Р2 Р1 Р
Где
Р Р
э1
Рм Рэ2
суммарные потери в трансформаторе.
Все виды потерь, сопровождающие рабочий
процесс трансформатора, показаны на
энергетической диаграмме. (см. рис. 1, б)
СОДЕРЖАНИЕ

14. Коэффициент полезного действия

СОДЕРЖАНИЕ
Коэффициент полезного действия
трансформатора определяется как
отношение активной мощности на выходе
вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к
активной мощности на входе первичной
обмотки Р1 (подводимая мощность):
Р1 Р
Р2
Р
1
Р1
Р1
Р1
Сумма потерь
Р Р
0 ном
Рк.ном.
2
СОДЕРЖАНИЕ
(3)
(4)
Активная мощность на выходе вторичной
обмотки трехфазного трансформатора (Вт)
Р2 3U 2 I 2 cos 2 Sном cos 2
(4)
где, Sном 3U 2ном I 2ном номинальная мощность
трансформатора, В*А,
I2 – линейные значения тока, А,
U2 – напряжения В.
Учитывая, что Р1 Р2 Р получаем
выражение для расчёта КПД трансформатора
S ном cos 2
S ном cos 2 Р0 ном 2 Рк .ном
(5)
СОДЕРЖАНИЕ
Анализ выражения (5) показывает, что КПД
трансформатора зависит как от величины (β), так и
от характера (cosφ2) нагрузки. Эта зависимость
иллюстрируется графиками (см. рис 2).
Максимальное значение КПД соответствует
нагрузке, при которой магнитные потери равны
электрическим: Р0 ном 2 Рк .ном
отсюда значение коэффициента нагрузки,
соответствующее максимальному значению КПД :
Р0 ном
Рк .ном
(6)
СОДЕРЖАНИЕ
Обычно КПД трансформатора имеет максимальное
значение при 0,45 0,65 . Подставив в (5) вместо β
значение β’ по (6) получим выражение максимального
КПД трансформатора
S ном cos 2
2
S ном cos 2 Р0 ном Рк.ном
СОДЕРЖАНИЕ
(7)

19. Рисунок 1.

Зависимость потерь трансформатора от его нагрузок (а) и
энергетическая диаграмма (б) трансформатора.
СОДЕРЖАНИЕ

20. Рисунок 2.

График зависимости КПД трансформатора от
нагрузки
СОДЕРЖАНИЕ

21. Спасибо за внимание!!! Презентацию составил Мезенцев Е. 12.2005 г.

Определение КПД трансформатора

Трансформатор – это электрическая машина, устройство которой предназначено для преобразования одной величины переменного тока в другую. Трансформаторы работают на переменном токе. Распространение эти машины получили широчайшее, так как электроэнергию на большие расстояния нужно передавать на напряжениях, значительно больших, чем уровень, который необходим для питания промышленности или для использования в домашних условиях. Таким образом, использование трансформатора позволяет снизить потери электроэнергии при ее передаче и увеличить качество процесса. Одной из самых важных характеристик этой машины является КПД трансформатора, то есть коэффициент полезного действия. Также важной характеристикой можно назвать и коэффициент трансформации, определяемый отношением напряжения входного к выходному.

Трансформатор – это, как правило, статическое устройство. Состоит обычный трансформатор (а они бывают нескольких видов) из сердечника, который набирается из ферромагнитных пластинок, а также вторичной и первичной обмоток, которые расположены противоположно сердечнику. Как уже говорилось, есть основные виды трансформаторов: повышающие (напряжение на выходе больше, чем на входе) и понижающие (напряжение на выходе меньше, чем на входе). Одним из важных условий работы устройства является одна частота напряжения.

Для определения КПД трансформатора введем такие обозначения:

В этом случае закон сохранения энергии примет вид: P1= P2+ PL. С помощью этих обозначений легко вывести формулу КПД трансформатора. Формула КПД будет иметь такой вид: n= P2/ P1=(P1- PL)/ P1= 1- PL/ P1. Как видим, ее можно представить в нескольких вариантах. Из последней формулы видно, что КПД трансформатора не может быть больше, чем 1 (то есть невозможно получить коэффициент полезного действия, превышающий сто процентов). Это и понятно.

Правильный расчет КПД трансформатора – это вопрос более сложный, чем могло показаться на первый взгляд. При проектировании и разработке схем и общей конструкции трансформатора либо серии трансформаторов определенного вида инженеры-проектировщики часто сталкиваются с определенными проблемами. Например, для уменьшения стоимости трансформатора нужно минимизировать расход материалов. Однако, с другой стороны, для того чтобы сделать устройство более надежным в эксплуатации, расход этих материалов придется увеличить.

Именно по этим противоречивым причинам значение КПД трансформатора обычно делают стандартным, тем самым нормируя потери. При определении значения коэффициента полезного действия трансформатора нужно учитывать стоимость материалов, стоимость электроэнергии и линий передач, то есть принимать во внимание множество экономических факторов. КПД трансформатора может меняться в зависимости от нагрузки, и этот фактор также нужно учитывать при разработке конструкции данного устройства.

Потери и КПД трансформатора

 

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:

1). Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Рэ1 и во вторичной обмотке Рэ2:

Рэ = Рэ1+Рэ2.

Электрические потери называют переменными, т. к. их величина зависит от нагрузки трансформатора. При номинальном токе для мощных трансформаторов они обычно составляют (0,5÷2)% номинальной мощности. Уменьшение электрических потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформатора (снижение электрических потерь в проводах).

2). Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Рм равна сумме потерь от гистерезиса Рг и от вихревых токов Рв. т.

Рм = Рг+Рв. т.

Магнитные потери для мощных трансформаторов составляют (0,3÷0,5)% номинальной мощности. С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготовляют из электротехнической стали (снижение потерь от перемагничивания) и делают его шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон (снижение потерь от вихревых токов).

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):

Ƞ = Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ+Рм).

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нём по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высок и достигает в трансформаторах большой мощности (0,98÷0,99). В трансформаторах малой мощности КПД достигает (0,5÷0,7). Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери Рэ равны магнитным потерям Рм. При проектировании трансформаторов стремятся, чтобы максимальное значение КПД достигалось при нагрузке (50÷75)% номинальной; это соответствует наиболее вероятной средней нагрузке работающего трансформатора, называемой экономической.

Трансформатор

— потери и КПД

Потери в трансформаторе

В любой электрической машине «потери» можно определить как разницу между входной и выходной мощностью. Электрический трансформатор представляет собой статическое устройство , поэтому механические потери (такие как потери на ветер или трение) в нем отсутствуют. Трансформатор состоит только из электрических потерь (потерь в стали и в меди). Потери в трансформаторе аналогичны потерям в машине постоянного тока, за исключением того, что трансформаторы не имеют механических потерь.
Потери в трансформаторе поясняются ниже —

(i) Потери в сердечнике или железе

Потери на вихревые токи и гистерезисные потери зависят от магнитных свойств материала, из которого изготовлен сердечник. Следовательно, эти потери также известны как потери в сердечнике или потери в стали .

• Потери на гистерезис в трансформаторе : Потери на гистерезис вызваны изменением намагниченности в сердечнике трансформатора. Эти потери зависят от объема и марки чугуна, частоты перемагничивания и величины магнитной индукции.Его можно получить по формуле Штейнмеца:
  Вт _ч = ηB _max ^1,6 фВ (Вт)
  где η = постоянная гистерезиса Штейнмеца
  В = объем сердечника в м ³
• Потери на вихревые токи в трансформаторе : В трансформаторе переменный ток подается на первичную обмотку, которая создает переменный магнитный поток. Когда этот поток соединяется со вторичной обмоткой, он создает в ней наведенную ЭДС. Но некоторая часть этого потока также связана с другими проводящими частями, такими как стальной сердечник, железный корпус или трансформатор, что приведет к наведенной ЭДС в этих частях, вызывая в них небольшой циркулирующий ток. Этот ток называется вихревым током. Из-за этих вихревых токов некоторая энергия будет рассеиваться в виде тепла.

(ii) Потери в меди в трансформаторе

Потери в меди возникают из-за омического сопротивления обмоток трансформатора. Потери в меди для первичной обмотки I ₁ ² R ₁ , а для вторичной обмотки I ₂ ² R ₂ . Где I ₁ и I ₂ — ток первичной и вторичной обмоток соответственно, R ₁ и R ₂ — сопротивления первичной и вторичной обмоток соответственно.Понятно, что потери Cu пропорциональны квадрату тока, а ток зависит от нагрузки. Следовательно, потери в меди в трансформаторе зависят от нагрузки.

КПД трансформатора

Как и любая другая электрическая машина, КПД трансформатора можно определить как выходную мощность, деленную на входную. То есть эффективность = выход / вход.

Трансформаторы — самые эффективные электрические устройства. Большинство трансформаторов имеют КПД при полной нагрузке от 95% до 98.5%. Поскольку трансформатор является высокоэффективным, выход и вход имеют почти одинаковое значение, и, следовательно, непрактично измерять эффективность трансформатора, используя выход / вход. Лучшим методом определения КПД трансформатора является использование КПД = (вход — потери) / вход = 1 — (потери / вход).

Условия максимальной эффективности

Пусть,

Потеря меди = I12R1

Потери в железе = Wi

Следовательно, КПД трансформатора будет максимальным, когда потери в меди и потери в стали равны.
То есть потеря меди = потеря железа.

Работоспособность трансформатора

в течение всего дня Как мы видели выше, обычный или коммерческий КПД трансформатора можно представить как
Но в некоторых типах трансформаторов об их работоспособности нельзя судить по этому КПД. Например, первичные обмотки распределительных трансформаторов постоянно находятся под напряжением. Но их вторичные сети обеспечивают небольшую нагрузку без нагрузки большую часть времени в течение дня (поскольку использование электроэнергии в жилых домах наблюдается в основном с вечера до полуночи).
То есть, когда вторичные обмотки трансформатора не питают нагрузку (или подают только небольшую нагрузку), тогда только потери в сердечнике трансформатора являются значительными, а потери в меди отсутствуют (или очень малы). Потери в меди значительны только при нагрузке трансформаторов. Таким образом, для таких трансформаторов потери в меди относительно менее важны. Производительность таких трансформаторов сравнивается на основе энергии, потребляемой за один день.
Общий КПД трансформатора всегда меньше его обычного КПД.

Как определить КПД трансформатора?

Следующая статья расскажет, как определить КПД трансформатора.

Значение КПД трансформатора:

Номинальная мощность трансформатора определяется как произведение номинального напряжения и тока полной нагрузки (номинального) на выходной стороне. Выходная мощность зависит от коэффициента мощности нагрузки.

КПД (η) трансформатора, как и любого другого устройства, определяется как отношение полезной выходной мощности к входной, причем эти два значения измеряются в одних и тех же единицах (ваттах или киловаттах).

Теперь выходная мощность = В ₂ I ₂ cos ɸ

Где V ₂ — напряжение вторичной обмотки под нагрузкой, I ₂ — вторичный ток под нагрузкой, а cos ɸ — коэффициент мощности нагрузки.

Потери в стали, P _i = потеря на гистерезис + потеря на вихревые токи

Потери меди = I ₁ ² R ₁ + I ₂ ² R ₂ = I ₁ ² R ₀₁ = I ₂ ² R ₀₁

Определение КПД трансформатора:

Обычный трансформатор имеет очень высокий КПД (в диапазоне 96–99%).Следовательно, КПД трансформатора не может быть определен с высокой точностью прямым измерением выхода и входа, поскольку потери составляют всего лишь 1-4%. Тогда разница между показаниями выходных и входных инструментов настолько мала, что ошибка инструмента всего 0,5% вызовет ошибку порядка 15% в потерях.

Кроме того, неудобно и дорого иметь необходимые загрузочные устройства с правильными номинальными значениями тока и напряжения и коэффициентом мощности для нагрузки трансформатора.Также имеет место большое количество потерь мощности (равное выходной мощности + потери), и такой тест не дает информации о пропорции потерь в меди и железе.

Лучшим и точным методом определения КПД трансформатора было бы вычисление потерь при испытаниях на обрыв и короткое замыкание и определение КПД следующим образом:

Потери в железе, P ₁ = W ₀ или P ₀ , определено при испытании на обрыв цепи

Потери в меди при полной нагрузке, P _c = W _c или P _s , определено при испытании на короткое замыкание

Потери меди при нагрузке x ​​умножить на полную нагрузку = I ₂ ² R ₀₂ = x ² P _c

Где x — отношение тока нагрузки I ₂ к вторичному вторичному току полной нагрузки.

В уравнении. (10.45) влияние показаний прибора ограничивается только потерями, так что общий КПД, полученный с его помощью, намного более точен, чем полученный при прямой нагрузке. Еще одним большим преимуществом этого метода является то, что нет необходимости загружать трансформатор до его полной нагрузки во время испытаний, а номинальная мощность испытательной установки в кВт должна быть равна величине потерь отдельного трансформатора.

Эффективность в зависимости от нагрузки:

Было отмечено, что при постоянном напряжении взаимный поток трансформатора практически постоянен от холостого хода до полной нагрузки (максимальное отклонение составляет от 1 до 3%).Поэтому потери в сердечнике или в стали считаются постоянными независимо от нагрузки. Потери в меди зависят от квадрата тока нагрузки или выходной мощности в кВА. Изменение потерь в меди с увеличением тока нагрузки (или кВА) показано на рис. 10.25.

Кривая зависимости КПД от нагрузки, выведенная из них, также показана на рисунке. Из кривой КПД-нагрузка, показанной на рисунке 10.25, очевидно, что КПД очень высок даже при небольшой нагрузке, всего лишь 10% от номинальной нагрузки. . КПД практически постоянен от примерно 20% номинальной нагрузки до примерно 20% перегрузки.

При малых нагрузках КПД низок из-за постоянных потерь в стали, тогда как при высоких нагрузках КПД падает из-за увеличения потерь в меди как квадрата нагрузки. Из рис. 10.25 также очевидно, что КПД трансформатора максимален в точке пересечения кривых потерь в меди и потерь в стали, т.е. когда потери в меди равны потерям в стали.

Условие максимальной эффективности :

Где P равно полной нагрузке (номинальная выходная мощность в вольт-амперах или кВА) × коэффициент мощности нагрузки (cos ɸ), P _i — общие потери в стали, P _c — потери в меди при полной нагрузке и x — доля полной нагрузки в кВА, при которой КПД максимален.

Дифференцируя обе стороны уравнения. (10.46) получаем:

Выходной ток, соответствующий максимальной эффективности, определяется следующим образом:

Потери в меди при данной нагрузке, при которой КПД максимален = I ₂ ² R ₀₂

А поскольку для достижения максимальной эффективности необходимо, чтобы потери в меди были равны P _i

Итак I ₂ ² R ₀₂ = P _i

Силовые трансформаторы, используемые для передачи большой мощности, работают непрерывно почти при полной нагрузке и, следовательно, спроектированы так, чтобы иметь максимальный КПД при полной нагрузке.С другой стороны, распределительные трансформаторы, которые питают нагрузку, меняющуюся в течение дня в широком диапазоне, спроектированы так, чтобы иметь максимальный КПД примерно при трех четвертях полной нагрузки.

Важно понимать, что, поскольку потери в меди зависят от тока, а потери в железе зависят от напряжения, общие потери в трансформаторе зависят от произведения вольт-ампер, а не от фазового угла между напряжением и током, т. Е. не зависит от коэффициента мощности нагрузки. Поэтому трансформаторы рассчитываются в киловольт-амперах (кВА), а не в киловаттах.

Зависимость КПД от коэффициента мощности:

КПД трансформатора определяется как:

Вариации КПД в зависимости от коэффициента мощности при различных нагрузках для типичного трансформатора показаны на рис. 10.26.

Эффективность в течение всего дня (или энергоэффективность) :

Обсуждаемый до сих пор КПД трансформатора является обычным, также называемым коммерческим КПД, который определяется как отношение выходной мощности к потребляемой мощности.

Существуют трансформаторы определенных типов, о характеристиках которых нельзя судить по обычной или коммерческой эффективности. Например, распределительные трансформаторы находятся под напряжением в течение 24 часов, но большую часть дня они доставляют очень легкие нагрузки.

Таким образом, потери в железе или сердечнике происходят в течение всего дня, а потери в меди происходят только при нагрузке трансформатора. Рабочие характеристики такого трансформатора следует оценивать по его эффективности в течение всего дня, также называемой энергоэффективностью или производственной эффективностью, которая рассчитывается на основе энергии, потребляемой в течение всего дня (24 часа).

Эффективность в течение всего дня определяется как отношение выработанной энергии (кВтч) за 24 часа к затраченной энергии за тот же период.

Поскольку распределительный трансформатор не обеспечивает номинальную нагрузку в течение всего дня, дневная эффективность такого трансформатора будет ниже обычной или коммерческой эффективности.

Для определения эффективности трансформатора в течение всего дня необходимо, конечно, знать, как нагрузка меняется от часа к часу в течение дня.

Более высокая энергоэффективность достигается за счет разработки распределительных трансформаторов, обеспечивающих максимальную коммерческую эффективность при нагрузке менее полной (обычно 50-75 процентов от полной нагрузки). Это достигается ограничением плотности потока сердечника до более низких значений за счет использования относительно большего x-сечения. Таким образом уменьшается отношение потерь в стали к потерям в меди.

Пример:

Трансформатор 100 кВА имеет максимальный КПД 98% при полной нагрузке и единице pf.Днем загружается следующим образом:

12 часов — 20 кВт при задержке коэффициента мощности 0,5

6 часов — 50 кВт при задержке 0,9

6 часов — 75 кВт при задержке 0,8

Рассчитайте «КПД трансформатора в течение всего дня»:

Раствор:

Для максимальной эффективности:

КПД трансформатора

— Руководство электрика по однофазным трансформаторам

Хотя мы говорим, что трансформаторы очень эффективны, мы знаем, что они не на 100% эффективны.

Есть два основных способа потери мощности трансформаторами: потери в сердечнике и потери в меди. Потери в сердечнике — это потери на вихревые токи и гистерезисные потери сердечника. Они измеряются с помощью теста на разрыв цепи. Потери в меди — это потери I ² R в первичной и вторичной обмотках. Потери в меди можно измерить с помощью теста на короткое замыкание.

Испытание обрыва цепи на потери в сердечнике Рисунок 15. Испытание на разрыв цепи

• Подключите трансформатор и ваттметр, амперметр и вольтметр, как показано.
• При номинальном первичном напряжении первичной обмотки и разомкнутой вторичной обмотке ток во вторичной обмотке равен нулю. Ток в первичной обмотке будет минимальным (примерно 2% -5% от полной номинальной нагрузки).
• Ток из первичной обмотки вызывает в сердечнике небольшие циркулирующие токи. Это так называемые вихревые токи. Ваттметр считывает потери тепла в сердечнике.

Тест короткого замыкания на потери в меди Рисунок 16. Испытание на короткое замыкание

• Потери в меди состоят из потерь I ² R в обмотке высокого напряжения и потерь I ² R в обмотке низкого напряжения.
• Для проверки на короткое замыкание подключите трансформатор, как показано.
• Медленно увеличивайте напряжение до тех пор, пока в первичной обмотке не пройдет номинальный ток. Как только номинальный ток течет в первичной обмотке, номинальный ток течет во вторичной обмотке. Протекающий ток вызовет нагрев обмоток. Ваттметр покажет тепловые потери обмотки.
• Вольтметр показывает то, что называется напряжением короткого замыкания. Это напряжение, которое позволяет протекать номинальному току при расчете короткого замыкания.Это число используется позже, чтобы определить процентное сопротивление трансформатора.

КПД трансформатора

КПД всегда равен выходной мощности (P _{на выходе} ), деленной на входную мощность (P _в ). Процентная эффективность (ч):

η = x100

Входная мощность всегда равна выходной мощности плюс потери мощности (P _потери ).

Входная мощность = Мощность (выход) + Мощность (потери)

η =

Трансформатор на 150 кВА испытан и имеет потери в сердечнике 800 Вт.Он также имеет потери в меди 1800 Вт в первичной обмотке и 2000 Вт во вторичной обмотке.

η =

η = 97%

Каков КПД трансформатора? (Руководство 2021)

КПД трансформатора представлен как отношение полезной выходной мощности к входной. Входная и выходная мощность определяется одним и тем же блоком, и его единица измерения выражается в киловаттах или ваттах (Вт). КПД трансформатора выражается η. В этом посте мы полностью объясним этот термин, используя его уравнения, и обсудим потери, которые снижают эту эффективность.

Каков КПД трансформатора?

КПД трансформатора представлен как отношение полезной выходной мощности к входной. Входная и выходная мощность определяется одним и тем же блоком. Его единица измерения — кВт или ватт (Вт). КПД трансформатора выражается η. В этом посте мы объясним этот термин, используя его уравнения, и обсудим потери, которые снижают эту эффективность.

Каков КПД трансформатора?

Подобно электрическому устройству, КПД трансформатора также представлен как такое же отношение выходной энергии к входной (КПД = выход / вход).Электрические машины, такие как трансформаторы, — очень эффективные инструменты. Мы знаем, что на рынке существуют различные типы трансформаторов в зависимости от области применения, где полный КПД этих трансформаторов варьируется от 95% до 98,5%. Как только трансформатор обычно эффективен, выходная и входная мощность имеют почти одинаковое значение. Следовательно, не принято рассчитывать КПД трансформатора, используя выход / вход. Итак, этот пост объясняет полный обзор эффективности трансформатора.

КПД трансформатора можно выразить как интенсивность или стоимость потерь энергии через трансформатор. Таким образом, можно получить отношение выходной мощности вторичной секции к входной мощности первичной секции. КПД можно представить следующим образом:

КПД (η) = (Выходная мощность / Потребляемая мощность)

В общем, КПД можно выразить с помощью «η». Вышеприведенное уравнение применимо для идеального трансформатора, где не будет потерь трансформатора, а также когда вся энергия на входе будет перемещена на выход.

В результате, если учитываются отходы трансформатора и если эффективность трансформатора анализируется в практических состояниях, в основном используется следующее уравнение.

КПД = ((Мощность O / P) / (Мощность O / P + потери в меди + потери в сердечнике)) × 100%

Или иначе его можно выразить как

КПД = (Мощность i / p — потери) / Мощность i / p × 100 = 1- (Потери / мощность i / p) × 100

Итак, все входные, o / p и потери обычно выражаются в единицах мощности (Вт).

Мощность трансформатора

Всякий раз, когда рассматривается идеальное устройство без потерь, мощность трансформатора будет стабильной, поскольку напряжение V умножается на стабильный ток I.

Итак, мощность на первичной обмотке обмотка идентична силовой через вторичную часть. Если напряжение устройства увеличится, то ток уменьшится. В противном случае, если напряжение снижается, ток будет увеличиваться, так что мощность может оставаться постоянной.Таким образом, первичная мощность такая же, как и вторичная.

{P} _ {primary} = {P} _ {secondary}

{V} _ {P} {I} _ {P} Cos ({\ phi} _ {P}) = {V} _ {S} {I} _ {S} Cos ({\ phi} _ {S})

Где ∅ _s и ∅ _P являются вторичными, а также первичными фазовыми углами.

Определение КПД трансформатора

Трансформаторы создают важнейшее соединение между нагрузкой и системами питания. КПД трансформатора напрямую влияет на его работу и старение.КПД трансформатора обычно находится в диапазоне 95–99%. Для трансформаторов большой мощности с очень низким уровнем отходов КПД может достигать 99,7%. Измерения на входе и выходе трансформатора не выполняются в условиях нагрузки, так как измерение ваттметра неизбежно имеет погрешности в 1-2%.

КПД трансформатора (Ссылка: elprocus.com)

Таким образом, с целью измерения КПД используются тесты SC (короткое замыкание) и OC (разомкнутая цепь) для измерения номинальных потерь сердечника и обмотки в трансформаторе.Отходы сердечника основаны на номинальном напряжении трансформатора, а отходы меди основаны на токах на первичной и вторичной сторонах трансформатора.

Следовательно, эффективность трансформатора имеет первостепенное значение для работы в условиях фиксированного напряжения и частоты. Повышение температуры трансформатора из-за выделяемого тепла влияет на срок службы масляных характеристик устройства и определяет вид применяемого метода охлаждения. Повышение температуры ограничивает уровень оборудования.КПД трансформатора просто определяется как:

\ eta = \ frac {{P} _ {O}} {{P} _ {O} + Loss} \ times 100

Выходная мощность — это произведение коэффициента мощности нагрузки и доли номинальной нагрузки (вольт-ампер), а отходы представляют собой сумму потерь в железе, потерь меди в обмотках, диэлектрических отходов и паразитных потерь нагрузки.

Отходы железа содержат в приборе отходы вихревых токов и гистерезиса. Эти отходы основаны на плотности потока внутри прибора.{2}

Где k _h и k _e — постоянные, B _max — максимум плотности магнитного поля, f — основная частота, t — толщина центра. Мощность n в уравнении гистерезиса вводится как коэффициент Штейнмеца, значение которого может быть почти 2. Таким образом, общий объем отходов железа или сердечника (P _i ) можно рассчитать как сумму потерь гистерезиса и вихревых токов.

Диэлектрические отходы происходят через трансформаторное масло, которым можно пренебречь при низковольтных устройствах.

Поток утечки соединяется с металлическим каркасом, резервуаром и т. Д. Для создания вихревых токов и существует повсюду вокруг устройства, следовательно, представляет собой паразитные потери, и он основан на токе нагрузки и так называемых «паразитных потерях нагрузки». может быть выражено последовательным соединением сопротивления реактивному сопротивлению утечки.

Расчет КПД трансформатора

Эквивалентная схема устройства, относящегося к первичной части, представлена ​​ниже. {2} {P} _ {cufl} + {P} _ {i} }

Где x ² P _cufl — потери меди (P _cu ) при любой нагрузке x ​​процентов от полной нагрузки.

Максимальный КПД (η _max ) может быть достигнут, когда переменные потери идентичны постоянным потерям. Поскольку медные отходы зависят от нагрузки, следовательно, это переменное количество. При этом за отходы активной зоны принимается фиксированное количество. Следовательно, условие максимальной эффективности:

x = \ sqrt {\ frac {P_ {i}} {P_ {cufl}}}

Теперь мы можем получить максимальную эффективность как:

{ \ eta} _ {max} = \ frac {xsCos \ theta} {xsCos \ theta +2 {P} _ {i}}

Это может продемонстрировать, что мы можем достичь максимальной эффективности при полной нагрузке путем соответствующего выбора переменной и постоянные отходы, хотя получить максимальную эффективность проблематично, поскольку отходы меди намного превышают фиксированные потери в сердечнике.

Изменение КПД при нагрузке может быть продемонстрировано на рисунке ниже:

Изменение КПД при нагрузке (Ссылка: lectric4u.com )

Из диаграммы видно, что максимальный КПД достигается при единичном коэффициенте мощности. Максимальный КПД происходит при равной нагрузке независимо от коэффициента мощности нагрузки.

Определение КПД трансформатора

В целом КПД стандартного трансформатора значительно высок и варьируется от 96% до 99%.Таким образом, эффективность трансформатора не может быть определена с высокой точностью путем прямого измерения выходного и входного сигнала. Основное различие между показаниями на выходе и на входе и выходе машин очень мало: ошибка прибора приведет к ошибке 15% диапазонов в пределах потерь трансформатора.

Кроме того, неудобно содержать необходимые инструменты для измерения точных значений коэффициента мощности (PF) и напряжения для нагрузки трансформатора. Также существует большое значение потерь мощности, и в результате теста невозможно получить информацию о количестве отходов трансформатора, таких как железо и медь. {2} P_ {C}}

В приведенной выше формуле результат показаний прибора может быть легко ограничен потерями, так что общая эффективность, полученная при этом, очень точна по сравнению с эффективность достигается за счет прямой загрузки.{2} R_ {1} = W_ {i}

В результате КПД трансформатора будет большим, если потери в железе и меди будут эквивалентны. Посетите здесь, чтобы узнать больше об этих потерях и эффективности трансформатора.

Потери в трансформаторе

В любом электрическом устройстве «потери» могут быть представлены как разница между выходной мощностью и входной мощностью. Электрический трансформатор — это статический инструмент, поэтому в нем отсутствуют механические отходы (например, потери на трение или парусность).Трансформатор учитывает только электрические отходы (потери в меди и в стали). Отходы трансформатора аналогичны потерям в устройстве постоянного тока, за исключением того, что трансформаторы не состоят из механических потерь. Основные потери в трансформаторе объясняются ниже:

Потери в сердечнике или потери в железе

Потери на вихревые токи и гистерезисные потери основаны на магнитных свойствах материала, из которого изготовлен сердечник. Таким образом, эти отходы также вносятся как потери в сердечнике или железе.

Гистерезисные потери в трансформаторе

Гистерезисные потери основаны на реверсировании намагничивания в сердечнике устройства. Эти потери основаны на частоте перемагничивания, объеме и марке железа, а также величине магнитной индукции. Его можно получить по формуле Штейнмеца:

W_ {h} = \ eta B_ {max} 1,6fV (Вт)

где η — постоянная гистерезиса Штейнмеца, а V — объем активной зоны в м ³ .

Потери на вихревые токи в трансформаторе

В трансформаторе A.C подается на первичную сторону, которая определяет переменный поток намагничивания. Как только этот поток соединяется с вторичной стороной, он генерирует в нем наведенную ЭДС. Но некоторые компоненты этого потока также соединяются с другими проводящими секциями, такими как железный корпус, стальной сердечник или трансформатор, что создает наведенную ЭДС в этих частях, вызывая в них небольшой протекающий ток. Этот ток представлен как вихревой ток. Из-за этих вихревых токов некоторая мощность будет рассеиваться в виде тепла.

Потери в меди в трансформаторе

Потери в меди вызваны омическим сопротивлением обмоток устройства. Отходы меди для первичной части — I ₁ ² R ₁ , а для вторичной стороны — I ₂ ² R ₂ ; где I ₁ и I ₂ — токи в первичной и вторичной частях соответственно, R ₁ и R ₂ — сопротивления первичной и вторичной сторон. Очевидно, что отходы меди связаны с квадратом тока, а ток зависит от нагрузки.Следовательно, потери в меди в устройстве меняются с нагрузкой.

КПД трансформатора в течение всего дня

Как мы видели выше, коммерческий или обычный КПД трансформаторов может быть получен из отношения выходной мощности к входной в ваттах.

Но в некоторых типах устройств их работу невозможно измерить по этой эффективности. Например, первичные обмотки распределительных трансформаторов постоянно запитываются. Но их вторичные секции обеспечивают небольшую нагрузку без нагрузки большую часть времени во время своего рабочего цикла (поскольку использование электроэнергии в жилых домах наблюдается в основном с вечера до полуночи).

То есть, когда вторичная сторона трансформатора не обеспечивает никакой нагрузки (или обеспечивает лишь небольшую нагрузку), только отходы сердечника устройства значительны, а отходы меди отсутствуют (или очень малы). Медные отходы значительны только при питании трансформаторов. Следовательно, для таких устройств потери в меди примерно менее важны. Эксплуатацию таких трансформаторов сравнивают с основным расходом энергии за один день. Эффективность устройства в течение всего дня часто ниже его обычной эффективности.

Это оценка энергоэффективности для распределительных сетей. В отличие от силового трансформатора, который отключается или включается в зависимости от обрабатываемой им нагрузки, нагрузка распределительного устройства постоянно меняется в течение 24 часов в сутки. Поскольку отходы сердечника не зависят от нагрузки, дневная эффективность основана на отходах меди. Мы представляем его как уровень выходной мощности, передаваемой на входную в течение 24-часового цикла. Высокая энергоэффективность достигается за счет ограничения плотности потока сердечника до более низких величин (поскольку отходы сердечника зависят от плотности потока) за счет использования относительно большего поперечного сечения или большего массового отношения железо / медь.

Как повысить эффективность трансформатора?

Существует несколько методов повышения эффективности трансформатора, включая изоляцию, площадь контура, магнитную связь и сопротивление катушек.

Эту область следует учитывать при определении КПД трансформатора.

Изоляция между листами жилы должна быть идеальной для предотвращения вихревых токов.

• Сопротивление первичной и вторичной катушек

Вещество первичной и вторичной сторон должно быть стабильным, чтобы их электрическое сопротивление было значительно низким.

Обе секции трансформатора должны быть намотаны таким образом, чтобы магнитная индукция через катушки была максимальной, поскольку передача мощности от одной стороны к другой будет происходить во время магнитных связей.

Таким образом, это все об обзоре эффективности трансформатора. Трансформаторы — это электрические приборы с высоким КПД. Таким образом, КПД трансформатора будет варьироваться от 95% до 98,5%.

КПД трансформатора и условие максимального КПД

Важно рассчитать КПД любого устройства.Эффективность устройства определяет эффективность работы устройства, то есть способность устройства выдавать любое количество выходной энергии для данной конкретной входной энергии. Если и входные, и выходные значения совпадают, то можно сказать, что устройство работает со 100% (с точки зрения%) КПД.

КПД трансформатора:

КПД трансформатора определяется как отношение выходной мощности в ваттах (или кВт) к входной мощности в ваттах (или кВт) и обозначается буквой «Ƞ» (и также известен как коммерческий КПД).Выражение дается как,

Трансформатор — это высокоэффективное устройство с очень небольшими потерями. Различные потери, возникающие в трансформаторе, включают потери в стали или сердечнике, потери в меди, паразитные потери. Паразитные потери трансформатора сравнительно очень малы, и ими можно пренебречь. Поскольку оставшиеся потери непостоянны, они будут разными при разных нагрузках, и, следовательно, КПД также зависит от изменения нагрузки на трансформаторе.

Где,

• Потери в железе или сердечнике P _и (сумма потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи) в трансформаторе могут быть получены при испытании без нагрузки.Потери в сердечнике практически остаются постоянными при постоянном входном напряжении.
• Потери в меди P _c можно рассчитать, выполнив тест на короткое замыкание на трансформаторе. Эти потери изменяются как квадрат тока нагрузки.
• В ₂ = Напряжение вторичной обмотки.
• I ₁ = Ток первичной обмотки.
• I ₂ = Ток вторичной нагрузки.
• Cos Φ ₂ = Коэффициент мощности нагрузки (для чисто резистивной нагрузки он равен 1).
• R ₁ & R ₂ = Сопротивление первичной и вторичной обмоток.
• R ₀₁ = Общее сопротивление относительно первичной обмотки.
• R ₀₂ = Общее сопротивление относительно вторичной обмотки.

Принимая вышеуказанное уравнение, Где,

• R ₀₂ = R ₂ + R ₁ K ²
• I ₂ ² R ₀₂ = Суммарные потери меди в обмотках

Деление с I ₂ на числитель и знаменатель.мы получаем, Поскольку вторичное напряжение V ₂ поддерживается почти постоянным для каждого трансформатора. Чтобы КПД был максимальным для определенного коэффициента мощности, знаменатель должен быть минимальным.

Условие максимального КПД трансформатора:

Для определения состояния нагрузки трансформатора, при котором КПД будет максимальным. Пусть,

• Первичный вход = V ₁ I ₁ Cos Φ ₁
• Потери в железе = P _i
• Потери меди = I ₁ ² R ₀₁ или I ₂ ² Р ₀₂

Чтобы эффективность была максимальной, приведенное выше уравнение следует дифференцировать относительно I ₁ и приравнять его к нулю.Следовательно, эффективность будет максимальной, когда переменные потери или потери в меди (I ₁ ² R ₀₁ или I ₂ ² R ₀₂ ) равны постоянным потерям или потерям в стали или сердечнике (P _i ). Ток I ₂ , соответствующий максимуму, определяется выражением Аналогично, кВА, соответствующая максимальной эффективности, определяется выражением

Основная теория и принципы трансформаторов, законы и формулы

Основные трансформаторы Основы трансформатора — КПД

Трансформатору не требуются движущиеся части для передачи энергии.Это означает, что отсутствуют потери на трение или ветер, связанные с другими электрическими машинами. Однако трансформаторы действительно страдают от других типов потерь, называемых «потерями в меди» и «потерями в стали», но, как правило, они довольно малы. Потери в меди, также известные как потери I2R, представляют собой электрическую мощность, которая теряется при нагревании в результате циркуляции токов вокруг медных обмоток трансформатора, отсюда и название. Потери в меди представляют собой самые большие потери в работе трансформатора. Фактические потери мощности в ваттах можно определить (в каждой обмотке), возведя в квадрат амперы и умножив на сопротивление обмотки в Ом (I2R).Потери в железе, также известные как гистерезис, представляют собой запаздывание магнитных молекул внутри сердечника в ответ на переменный магнитный поток. Это запаздывающее (или не синфазное) состояние связано с тем, что для обращения магнитных молекул требуется мощность; они не меняют направление, пока поток не достигнет достаточной силы, чтобы повернуть их вспять. Их реверсирование приводит к трению, а трение вызывает тепло в сердечнике, что является формой потери мощности. Гистерезис внутри трансформатора можно уменьшить, сделав сердечник из специальных стальных сплавов.Интенсивность потерь мощности в трансформаторе определяет его КПД. Эффективность трансформатора отражается в потерях мощности (мощности) между первичной (входной) и вторичной (выходной) обмотками. Тогда результирующий КПД трансформатора равен отношению выходной мощности вторичной обмотки PS к входной мощности первичной обмотки PP и, следовательно, является высоким. Идеальный трансформатор на 100% эффективен, потому что он передает всю получаемую энергию. С другой стороны, настоящие трансформаторы не имеют КПД на 100%, а при полной нагрузке КПД трансформатора составляет от 94% до 96%, что довольно неплохо.Для трансформатора, работающего с постоянным напряжением и частотой с очень высокой мощностью, КПД может достигать 98%. КПД трансформатора η определяется как:

КПД трансформатора

Где: Вход, выход и потери выражаются в единицах мощности. Обычно при работе с трансформаторами первичные ватты называются «вольт-ампер», VA, чтобы отличать их от вторичных ватт. Тогда приведенное выше уравнение эффективности можно изменить на:
Иногда легче запомнить взаимосвязь между входом, выходом и эффективностью трансформатора с помощью изображений.Здесь три величины VA, W и η наложены в треугольник, дающий мощность в ваттах вверху, вольт-амперах и КПД внизу. Это расположение представляет собой фактическое положение каждой величины в формулах эффективности.

Треугольник КПД трансформатора

и перестановка вышеуказанных величин треугольника дает нам следующие комбинации одного и того же уравнения: Затем, чтобы найти Вт (выход) = VA x эфф., Или найти VA (вход) = W / eff., или найти КПД, эфф. = Вт / ВА и т. Д.

Основы работы с трансформатором

Подведем итоги этого учебника по основам работы с трансформатором. Трансформатор изменяет уровень напряжения (или уровень тока) на своей входной обмотке на другое значение на выходной обмотке с помощью магнитного поля. Трансформатор состоит из двух электрически изолированных катушек и работает по принципу «взаимной индукции» Фарадея, согласно которому ЭДС индуцируется во вторичной катушке трансформатора магнитным потоком, создаваемым напряжениями и токами, протекающими в обмотке первичной катушки.

Как первичная, так и вторичная обмотки катушки намотаны вокруг общего сердечника из мягкого железа, сделанного из отдельных пластин, чтобы уменьшить вихревые токи и потери мощности. Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока, который должен быть синусоидальным по своей природе, в то время как вторичная обмотка подает электроэнергию на нагрузку. При этом трансформатор можно использовать в обратном направлении с источником питания, подключенным к вторичной обмотке, при условии соблюдения номинальных значений напряжения и тока.

Мы можем представить трансформатор в виде блок-схемы следующим образом:

Базовое представление трансформатора

Соотношение первичной и вторичной обмоток трансформаторов относительно друг друга дает либо повышающий трансформатор напряжения, либо понижающий трансформатор напряжения с отношением числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки, называемым «витками». коэффициент »или« коэффициент трансформации ».

Если это отношение меньше единицы, n <1, тогда NS больше NP и трансформатор классифицируется как повышающий трансформатор.Если это отношение больше единицы, n> 1, то есть NP больше NS, трансформатор классифицируется как понижающий трансформатор. Обратите внимание, что однофазный понижающий трансформатор также можно использовать в качестве повышающего трансформатора, просто поменяв местами соединения и сделав обмотку низкого напряжения первичной, и наоборот, пока трансформатор работает в пределах своей первоначальной проектной мощности в ВА.

Если соотношение витков равно единице, то есть n = 1, то и первичная, и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков катушки, поэтому напряжения и токи будут одинаковыми для первичной и вторичной обмоток.

Этот тип трансформатора 1: 1 классифицируется как изолирующий трансформатор, поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют одинаковое количество вольт на виток. КПД трансформатора — это отношение мощности, которую он передает нагрузке, к мощности, которую он потребляет от источника питания. В идеальном трансформаторе нет потерь, поэтому нет потери мощности, тогда PIN = POUT.

В следующем руководстве, посвященном основам работы с трансформатором, мы рассмотрим физическую конструкцию трансформатора и рассмотрим различные типы магнитных сердечников и пластинки, используемые для поддержки первичной и вторичной обмоток.

Помогите мне, поделившись этим постом

КПД трансформатора, КПД на весь день и максимальный КПД

КПД трансформатора, КПД в течение всего дня и условия для максимального КПД

КПД трансформатора

Трансформатор КПД можно определить как соотношение между выходом и входом.

КПД трансформатора = выход / вход

При указанном коэффициенте мощности и нагрузке КПД трансформатора можно определить, разделив его выход на вход (аналогично другим электрическим машинам i.е. двигатели, генераторы и т. д.). Но значения Input и Output должны быть одинаковыми в единицах измерения (то есть в ваттах, киловаттах, мегаваттах и ​​т. Д.)

Но учтите, что трансформатор имеет очень высокий КПД, потому что в трансформаторе очень низкие потери. Так как вход и выход практически равны, поэтому измерение входа и выхода практически невозможно. Лучший способ определить КПД трансформатора — сначала определить потери в трансформаторе, а затем рассчитать КПД трансформатора с помощью расчета этих потерь.

Формулы для расчета КПД трансформатора

КПД = η = выход / вход

КПД = η = выход / (выход + потери) … .. (как вход = выход + потери)

КПД = η = выход / (выход + потери в меди + потери в железе)

Вы также можете найти КПД по следующей формуле

КПД = η = выход / вход

КПД = η = (Вход — Потери) / Вход ….. (Как выход = вход — потери)

Принимая LCM

КПД = η = 1 — (потери / вход)

Как мы знаем, мощность Transform выражается в кВА, а не в кВт . Но КПД не зависит от ВА, т.е. он выражается в мощности в ваттах (кВт), а не в кВА. Хотя потери прямо пропорциональны ВА (вольт-ампер), таким образом, эффективность зависит от коэффициента мощности для каждого вида ВА нагрузки. И КПД был бы максимальным на единице (1) Коэффициент мощности.

Полезно знать

Мы также можем определить КПД трансформатора, определив:

• Потери в сердечнике при испытании на обрыв цепи или испытании без нагрузки, и
• Потери в меди при испытании на короткое замыкание.

Условие максимального КПД трансформатора

Мы это знаем,

Потери меди = W _C = I ₁ ² x R ₁ или I ₂ ² x R ₂

Потери в железе = W _I = Потери гистерезиса + Потери на вихревые токи = W _I = W _H + W _E

Допустим на первичную обмотку трансформатора…

Первичный вход = P ₁ = V ₁ x I ₁ Cosθ ₁

КПД = η = выход / вход

КПД = η = (Вход — Потери) / Вход….. (Как выход = вход — потери)

КПД = η = (Вход — Потери в меди — Потери в железе) / Ввод

КПД = η = (P ₁ — W _C — W _I ) / P ₁

КПД = η = (V ₁ x I ₁ Cosθ ₁ — I ₁ ² x R ₁ — W _I ) / V ₁ x I ₁ Cosθ ₁

Принимая LCM

КПД = η = 1- (I ₁ ² x R ₁ / V ₁ I ₁ Cosθ ₁ ) — (W _I / V ₁ x I ₁ Cosθ ₁ )

или

КПД = η = 1- (I ₁ x R ₁ / V ₁ Cosθ ₁ ) — (W _I / V ₁ x I ₁ Cosθ ₁ )

Дифференцировать обе стороны относительно I ₁

Dη / dI ₁ = 0 — (R ₁ / V ₁ Cosθ ₁ ) + (W _I / V ₁ x I ₁ ² Cosθ ₁ )

Dη / dI ₁ = — (R ₁ / V ₁ Cosθ ₁ ) + (W _I / V ₁ x I ₁ ² Cosθ ₁ )

Для максимальной эффективности значение ( Dη / dI ₁ ) должно быть минимальным i.е.

Dη / dI ₁ = 0

Вышеприведенное уравнение можно записать как

R ₁ / (V ₁ Cosθ ₁ ) = (W _I / V ₁ x I ₁ ² Cosθ ₁ )

или

W _I = I ₁ ² x R ₁ или I ₂ ² x R ₂

Потери железа = Потери меди

Значение выходного тока (I ₂ ), при котором достигается максимальная эффективность

I ₂ = √ (W _I / R ₂ )

Значение выходного тока (I ₂ ) — это фактор, который равен значению потерь в меди и потери в стали (т. Е.е. Потеря меди = потеря железа)

Таким образом можно добиться максимальной эффективности. Следовательно, при правильном проектировании максимальная эффективность может быть достигнута при любой желаемой нагрузке , то есть потери в меди и потери в железе могут быть равны.

Полезно знать

• КПД обычно меньше 1 и часто выражается в процентах (%).
• Идеальный трансформатор имеет 100% КПД, т.е. КПД идеального трансформатора составляет 1.
• Практический КПД трансформаторов обычно довольно высок при сжатии по сравнению с другими электрическими машинами и электронными устройствами (т.е. двигатели, генераторы и др.) на сумму от 90 до 98%.

Эффективность трансформатора в течение всего дня

Как мы знаем, коммерческий или типичный КПД трансформатора — это отношение выходной и входной мощности в ваттах.

КПД = выход (ватт) / вход (ватт)

Но есть ряд трансформаторов, работу которых нельзя контролировать в соответствии с приведенной выше общей формулой КПД.

Те распределительные трансформаторы, которые подают электроэнергию в освещение и другие общие цепи, их первичная обмотка запитывается в течение 24 часов, а вторичные обмотки не запитываются все время сразу.Другими словами, вторичные обмотки получают питание только в ночное время, когда они подают электроэнергию в цепи освещения. Т.е. вторичные обмотки обеспечивают эклектическую мощность при очень небольшой нагрузке или без нагрузки в течение максимального времени в 24 часа. Это означает, что потери в сердечнике происходят регулярно в течение 24 часов , а потери меди возникают только тогда, когда трансформатор находится под нагрузкой .

Следовательно, он осознает необходимость разработки трансформатора, в котором потери в сердечнике должны быть низкими. Поскольку потери в меди зависят от нагрузки , ими следует пренебречь.В трансформаторах этого типа мы можем отследить их работоспособность только по КПД за весь день .

Эффективность в течение всего дня также может называться « Оперативная эффективность ». На основе полезной энергии мы оцениваем эффективность в течение всего дня для определенного времени (в течение 24 часов = один день).