Известно, что электрическая энергия передаётся на большие расстояния при напряжениях, превышающих уровень, используемый потребителями. Применение трансформаторов необходимо для того, чтобы преобразовывать напряжения до требуемых значений, увеличивать качество процесса передачи электроэнергии, а также уменьшать образующиеся потери.
- 1 Описание и принцип работы трансформатора
- 2 Виды потерь в трансформаторе
- 2.1 Энергетическая диаграмма и Закон сохранения энергии
- 5.1 Интересное видео: КПД трансформатора 100%
Описание и принцип работы трансформатора
Трансформатор представляет собой аппарат, служащий для понижения или повышения напряжения, изменения числа фаз и, в редких случаях, для изменения частоты переменного тока.
Существуют следующие типы устройств:
- силовые;
- измерительные;
- малой мощности;
- импульсные;
- пик-трансформаторы.
Статический аппарат состоит из следующих основных конструктивных элементов: двух (или более) обмоток и магнитопровода, который также называют сердечником. В трансформаторах напряжение подаётся на первичную обмотку, и с вторичной снимается уже в преобразованном виде. Обмотки связаны индуктивно, посредством магнитного поля в сердечнике.
Наряду с прочими преобразователями, трансформаторы обладают коэффициентом полезного действия (сокращённо — КПД), с условным обозначением . Данный коэффициент представляет собой соотношение эффективно использованной энергии к потреблённой энергии из системы. Также его можно выразить в виде соотношением мощности, потребляемой нагрузкой к потребляемой устройством из сети. КПД относится к одному из первостепенных параметров, характеризующих эффективность производимой трансформатором работы.
Коэффициент полезного действия трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформатора (КПД) представляет собой отношение активной полезной мощности Р2, отдаваемой трансформатором нагрузке, к активной мощности Р1, потребляемой им из сети, т. е.
Высокие значения КПД трансформаторов (максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает 0,98…0,99) не позволяют определять его с достаточной степенью точности путём непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2. Поэтому ГОСТ рекомендует его вычислять косвенным методом по значению потерь мощности по следующей формуле:
где ΣP – сумма потерь в трансформаторе;
β – коэффициент загрузки трансформатора;
SH – номинальная мощность трансформатора, кВА или ВА;
β SHcosφ2 – отдаваемая трансформатором мощность Р2, квт или вт;
Потери в трансформаторе, или почему КПД трансформатора меньше 100%?
РХН – потери в стали трансформатора (квт или вт), равные мощности холостого хода при номинальном напряжении;
Р КН – электрические потери в обмотках трансформатора при номинальном токе и температуре 75 о .
Задавшись рядом значений β (от 0 до 1,25), можно получить зависимости η = ƒ(β) при cosφ2 =1 и cosφ2 = 0,8 (рис.5.10). С увеличением нагрузки трансформатора КПД резко возрастает, так как при этом общие потери в трансформаторе невелики с преобладанием постоянных потерь в стали. 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 β 2 , в то время как полезная мощность Р2 возрастает пропорционально β. Максимум КПД достигает при таком значении βOПТ, при котором потери в обмотках становятся равными потерям в стали:
Для серийных силовых трансформаторов
Указанные значения βOПТ 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.5.10), так как возрастают токи I2 и I1, и увеличиваются потери в обмотках при одной и той же отдаваемой мощности.
Содержание отчёта
- Паспортные данные исследуемого трансформатора и технические характеристики используемых приборов.
- Схемы опытов
- Таблицы измерений.
- Характеристики холостого хода трансформатора. Расчёт параметров холостого хода.
- Характеристики короткого замыкания. Расчёт параметров короткого замыкания.
- Расчёт параметров схемы замещения и вычертить её для режима нагрузки.
- Внешние характеристики трансформатора при cosφ2 =1 и cosφ2 = 0, построенные в одной системе координат. Определить изменение напряжения при номинальном токе.
- Задаваясь значениями φ2 от 90 о до –90 о при I2=I2H (β=1), рассчитать и построить зависимость ∆U= ƒ(cosφ2).
- На основании данных холостого хода и короткого замыкания рассчитать КПД трансформатора при cosφ2 =1 и cosφ2=0,8 и построить зависимость η= ƒ(β) для указанных значений cosφ2. Определить коэффициент загрузки трансформатора βопт, при котором достигается максимум КПД.
- Дать оценку результатам испытаний.
Лабораторная работа №6
Параллельная работа трехфазных
трансформаторов
Цель работы: освоение методики опытной проверки обозначения зажимов обмотки, групп соединения обмоток трансформатора и исследование параллельной работы трансформаторов при различных условиях.
Содержание работы:
- Ознакомиться с паспортными данными трансформаторов и обозначением зажимов обмоток.
- Проверить правильность обозначения зажимов обмоток.
- Определить группы соединений трансформатора для схем соединений обмоток Y/Y и Δ/Y.
- Снять распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами при одинаковых и разных коэффициентах трансформации и построить зависимость вторичных токов трансформаторов от тока нагрузки.
- Дать оценку полученных результатов.
КПД трансформатора
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)
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
P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм
ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм
P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм
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.
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)
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,
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).
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
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
- электрические – возникают в проводниках в катушках;
- магнитные – зависят от материала сердечника.
Размер этих потерь в конструкции устройства зависит от величин:
- габаритных размеров и формы магнитной системы;
- эргономичности катушек;
- плотности компонента пластин в сердечнике;
- диаметра проволоки в катушках.
Уменьшение потерь блока осуществляется за счет разработки стратегии, с использованием магнитомягких толщин материала изготовления сердечника. Электротехническая сталь собирается в тонкие взаимоизолированные листы, при этом на них наносится слой специального вещества.
По ходу работы определяется эффективность устройства по следующим критериям:
- приложенная нагрузка;
- диэлектрическая среда – вещество, используемое в качестве диэлектрика;
- равномерная подача нагрузки;
- температура масла внутри прибора;
- уровни нагревания катушек и сердечника.
Когда во время работы прибор недогружен или нарушены правила использования, то кроме риска поломки, такое может привестик уменьшению эффективности эксплуатации устройства.
Как рассчитать коэффициент
В отличие от электромашины, в трансформаторе нет движущихся элементов, так что он не имеет механические потери во время работы. Потери, возникающим при эксплуатации, относят операции превращения равномерных потерь в гистерезис (из-за регулярного циклического намагничивания сердечника), вихревые токи и нагрев проводов обмотки. Иных потерь в трансформаторе почти нет.
КПД трансформатора напряжения равно отношению отдаваемой активной мощности к потребляемой, вычисляется по формуле:
в которой P1 — это мощность, которая потребляется из сети, а P2 — мощность, которая отдается во время нагрузки.
Получается, что для определения КПД при номинальной нагрузке нужно замерить мощность в первичной и вторичной обмотке. Этот процессможно облегчить, добавив активную нагрузку во вторичную обмотку. Затем мощность можно рассчитать по показателям амперметра и вольтметра, которые необходимовключить во вторичную цепочку. В данном методе определения эффективности используется метод прямого измерения.
