Определение кпд трансформатора. Коэффициент полезног действия трансформатора
Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д), как и в других мощных устройствах, является одним из важнейших параметров. КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности переменного тока, потребляемой нагрузкой к активной мощности, потребляемой от электросети. Формула определения кпд записывается следующим образом:
Потери вихревых токов происходят независимо от гистерезисных потерь и вызваны вихревыми токами в сердечнике трансформатора. Создание вихревых токов: в металлической массе в пакете из листового металла. Явление вихревых токов можно объяснить на примере металла в магнитном поле. Эти токи создают вихри - отсюда и название вихревых токов. С точки зрения явления вихревых токов, является инертным веществом, если движущаяся масса находится в постоянном магнитном поле, или же магнитное поле проходит через неподвижную массу металла во времени.
В трансформаторах имеется, например, фиксированный ферромагнитный сердечник, расположенный в переменном магнитном поле. Вихревые токи в большинстве электрических устройств нежелательны, потому что они вызывают потерю энергии, преобразуемой в тепло. Чтобы ограничить вихревые токи, сердечники электрических машин и устройств изготовлены из листового металла или специальных ферромагнитных материалов с высоким удельным сопротивлением. Эти листы изолированы от тонкой бумаги и иногда лакируются.
(1) где P c — потери в сердечнике трансформатора (динамические и статические); — потери в его обмотках; — активное сопротивление всех обмоток трансформатора, приведённое к вторичной цепи.
В реальных условиях трансформатор может работать не только в номинальном режиме. Для оценки степени его загрузки по току используется коэффициент загрузки , где I 2Н — номинальный выходной ток трансформатора. Тогда ток вторичной обмотки можно записать следующим образом:
Вихревые токи близки к каждому листу, сталкиваясь с более высоким сопротивлением на своих дорожках из-за гораздо меньшего поперечного сечения. Потери вихревых токов пропорциональны квадрату толщины листа, квадрату квадрата и квадрату амплитуды магнитной индукции и обратно пропорциональны удельному сопротивлению листа. Состояние холостого хода Трансформатор находится в режиме ожидания, когда одна обмотка подключена к источнику питания, а другая открыта. Это состояние часто упоминается на практике как «незанятое состояние трансформатора».
После подстановки этого выражения в формулу (1), выражение для вычисления кпд трансформатроы принимает следующий вид:
(5)
Потери в сердечнике трансформатора P c не зависят от выходного тока I 2 , а значит и от коэффициента загрузки β . Их можно назвать потерями холостого хода. Если исследовать выражение (5) на экстремум по β , то КПД трансформатора будет иметь максимум η = η max при P c ≈ P обм. При этом коэффициент загрузки β ОПТ = 0,5 ... 0,6. Зависимость потерь в сердечнике трансформатора, его обмотках и КПД от β приведена на рисунке 1.
Ток, который течет в первичной обмотке, может быть выражен как. В силовых трансформаторах ток холостого хода составляет 1% от номинального тока силовых трансформаторов и 10% от номинального тока трансформаторов малой мощности. Сгенерированная тепловая энергия является результатом потерь мощности в сердечнике, потерь в первичной обмотке и потерь в изоляции.
Потери изоляции и первичные обмотки незначительны по сравнению с потерями в ядре. Потери мощности в ядре определяются. Потери в ядре составляют 0, 15% от номинальной мощности крупных трансформаторов и около 1, 5% малых трансформаторов. Амплитуда магнитного потока, создаваемого этим напряжением, равна. Значение тока, потребляемого трансформатором в незанятом состоянии, равно. Эта зависимость определяет незанятое состояние трансформатора. Состояние нагрузки Трансформатор находится в состоянии нагрузки, когда одна обмотка подключена к источнику питания.
Рисунок 1 Зависимость КПД трансформатора от коэффициента загрузки β
Потери в обмотках согласно закону Ома пропорциональны квадрату тока и коэффициента загрузки. При постоянном потребляемом токе, что обычно выполняется в маломощных силовых трансформаторах задаемся номинальным током нагрузки (β = 1). В мощных трансформаторах, где ток нагрузки обычно изменяется во времени значение коэффициента загрузки выбирается β ≈ β ОПТ, что соответствует наименьшим потерям. Крутизна этой зависимости невысокая, максимум выражен слабо и, поэтому, условие P c ≈ P обм не является строгим. Для иллюстрации приведём типовые значения КПД и коэффициента мощности χ на частоте 50 Гц для маломощных трансформаторов. Эта зависимость показана на рисунке 2 .
Приемник подключен ко второму терминалу. Вторичное напряжение достигает максимального значения, даже превышающего номинальное значение, когда трансформатор загружен емкостным приемником. Если трансформатор загружен индуктивным приемником, вторичное напряжение уменьшается по мере увеличения нагрузки. С другой стороны, емкостный приемник - растет.
На рисунке показано влияние природы нагрузки на величину вторичного напряжения при номинальном первичном напряжении и постоянное значение коэффициента мощности приемника. Чтобы поддерживать постоянный уровень напряжения для обеспечения правильной работы питаемых приемников, необходимо отрегулировать напряжение. Эта регулировка может быть достигнута путем поддержания постоянного магнитного потока путем изменения количества витков первичной обмотки. Величина потерь в состоянии нагрузки трансформатора.
При передаче энергии из первичной обмотки во вторич ную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ΔР эл1 иΔР эл2 , а также магнитные потери в стали магнитопровода ΔР м (от вихревых токов и гистерезиса).
Энергетическая диаграмма. Процесс преобразования энер гии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма (рис. 2.26). В соответствии с этой диаграммой мощность, отдаваемая трансформатором нагрузке,
Эффективность трансформатора может определяться уравнением. Трансформатор наиболее эффективен, когда потери меди равны потерям в железе. Состояние короткого замыкания трансформатора Состояние короткого замыкания трансформатора называется состоянием, в котором одна из обмоток подается от источника питания, а клеммы второй обмотки закорочены. Затем напряжение на клеммах обмотки равно нулю, и даже несмотря на то, что ток течет, в приемник отсутствует питание.
Схема замены трансформатора в состоянии короткого замыкания показана на рисунке. Трансформатор для замены цепи в коротком замыкании. Когда вторичное напряжение равно нулю, первичное напряжение разлагается только при импедансе обмоток трансформатора. Из этого следует, что разрыв происходит через поперечную ветвь в цепи замены трансформатора в состоянии короткого замыкания. Таким образом, импеданс короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания можно рассчитать по зависимости. Напряжение короткого замыкания можно выразить в процентах от номинального напряжения соответствующей стороны трансформатора.
где Р 1 -мощность, поступающая из сети в первичную обмотку.
Мощность Р эм = Р 1 - ΔР эл1 - ΔР м, поступающую во вто ричную обмотку, называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора.
Коэффициент полезного действия. Коэффициентом полез ного действия трансформатора называют отношение отда ваемой мощности Р 2 к мощности Р 1:
В силовых трансформаторах требуемое напряжение короткого замыкания. После аварийной обмотки вторичной обмотки трансформатора состояние переходного процесса длится несколько или несколько секунд. Это состояние затем переходит в устойчивое состояние, характеризующееся фиксированным током короткого замыкания, определяемым соотношением.
Напряжение короткого замыкания определяет следующее: диапазон напряжения вторичной стороны при изменении нагрузки, ток короткого замыкания, параллельная работа с другими трансформаторами. Определенный ток короткого замыкания для любой стороны трансформатора.
где ΔР -суммарные потери в трансформаторе.
Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р 1 и Р 2 , поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.
С учетом энергетической диаграммы формулу (2.50) можно представить в виде
Из этой зависимости следует, что фиксированный ток короткого замыкания может быть примерно в 8-25 раз выше, чем номинальный ток. Мощность, потребляемая во время неисправности, равна сумме потерь. Можно предположить, что мощность, поглощаемая трансформатором в состоянии короткого замыкания, приблизительно равна потерям в ее обмотках.
Характеристики короткого замыкания трансформатора. Силовые трансформаторы большой мощности являются основной группой всех используемых трансформаторов. Как самые крупные и мощные трансформаторы, они широко используются в энергосистеме - в подсистемах передачи и распределения.
|
Рис.2.26. Энергетическая диаграм ма трансформатора |
Согласно требованиям ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого хо да и короткого замыкания. Получаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мо щность нагрузке. Следователь но, вся мощность, поступа ющая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.
При передаче и распределении электроэнергии в системе основной функцией системы являются трехфазные токи и токи. Важность трехфазных систем обусловлена экономичным производством, обработкой и передачей электроэнергии и легкостью, с которой прядильные поля могут быть легко изготовлены в трехфазных электрических машинах переменного тока. Трехфазные трансформаторы используются для обработки напряжений и токов трехфазных систем.
Наиболее важные функции, связанные с работой всей энергосистемы, являются трансформаторами энергии. Благодаря им электричество стало более доступным, поскольку оно позволило им отправлять большие объемы энергии на большие расстояния с небольшими потерями.
При опыте холостого хода ток I 0 невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В то же время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его значение 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.
Электростанции энергосистемы производят электричество до 25 кВ при токе тысяч ампер. Передача электроэнергии такими параметрами может привести к огромным потерям. Трансформаторы используются не только в электроэнергетике, но и везде, где необходимо изменить напряжение или ток в цепях переменного тока.
Система трехфазного преобразования может быть сформирована путем объединения и согласования трех монофазных трансформаторов вместе с использованием эквивалентной трехколоночной системы. Ядра трехфазных трансформаторов могут быть выполнены как симметричные, в которых магнитные потоки каждой фазы имеют одинаковые пути в столбцах или сделаны асимметричными после размещения всех трех столбцов сердечника в одной плоскости. Магнитные потоки каждой фазы в асимметричной системе имеют разные пути в столбцах.
Для определения суммарных электрических потерь согласно упрощенной схеме замещения (см. рис. 2.23, а) полагают, что I " 2 = I 1 . При этом
где ΔР эл.ном - суммарные электрические потери при номинальной нагрузке.
За расчетную температуру обмоток - условную температуру, к которой должны быть отнесены потери мощности ΔР эл и напряжения u к, 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.
Трансформаторные сердечники изготовлены из трансформаторных листов толщиной 0, 3-0, 5 мм, покрытых тонким слоем изоляционного материала, упакованного. Изоляция отдельных листов ограничивает поток вихревых токов и предотвращает чрезмерный нагрев сердечника. Первичная и вторичная обмотка помещаются на каждый столбец.
Базовые и вторичные обмотки трансформатора размещены на колонках сердечника, выполненных в основном из изолированных медных проводов или ленточных волокон. Обмотка верхнего напряжения делится на несколько катушек, между которыми щели обеспечивают лучшее охлаждение. Обмотка нижнего напряжения должна быть точно изолирована от обмотки верхнего напряжения.
Величину можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Р к , потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузке. При этом магнитные потери в стали АР М весьма малы по сравнению с потерями ΔР эл из-за сильного уменьшения напряжения U 1 а следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом,
Чтобы уменьшить потери из-за неравномерного распределения тока в проводнике большого сечения, кабели разделены на несколько параллельных ветвей. Каждая ветвь должна иметь одинаковые сопротивления и равные реактивные сопротивления. Использование подходящего метода намотки обмотки значительно улучшает условия охлаждения обмотки.
Для облегчения охлаждения сердечник между листовыми упаковками оставляет свободные пространства, которые образуют вентиляционные каналы, обеспечивающие циркуляцию хладагента. Из-за типа хладагента силовые трансформаторы можно разделить на следующие группы: - воздушные трансформаторы, - масляные трансформаторы, - сухие трансформаторы.
Полные потери
Подставляя полученные значения Р в (2.51) и учитывая, что находим
Зависимость КПД от нагрузки. По (2.57) можно построить зависимость КПД от нагрузки (рис. 2.27, 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. Принекотором значении (β опт 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.
Эти трансформаторы используются преимущественно в помещениях с опасностью пожара. Лоток для трансформатора выполнен из листового металла, а нижняя часть и крышка армированы. Нагревается во время работы трансформаторного масла имеет более низкую плотность и поднимается за счет конвекции, чтобы затем текут вдоль стенок резервуара или внутри охлаждающих труб выходят и падать к нижней части по мере снижения температуры. Масло придает тепло окружающей среде через стенки ванны. Он заполняет каналы охлаждения в сердечнике и между обмотками, одновременно действуя как охлаждающая жидкость и изолирующий агент.