Трасформаторы силовые, напряжения, тока. Энергетические диаграммы трансформатора. Потери и КПД 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,

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:

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

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 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.

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.

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,

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.

Энергетическая диаграмма. 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 = (U2 I2 cos φ2 )/(U 1 I 1 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.

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

Величину Р эм = Р1 - ΔРэл 1 - ΔРм , поступающую во вторичную обмотку, называют внутренней 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 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 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 ≈ Р 0 . (2.52)

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

ΔP эл = ΔPэ л1 + ΔP эл2 = I 1 2 R 1 + I"2 2 R2 ≈ I "2 2 (R1 + R"2 ) ≈ I "2 2 Rк , (2.53)

Или

ΔРэл ≈ β2 I "2 2 ном R к ≈ β2 ΔP эл.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 ΔР эл 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 ΔР эл.ном ≈ I "2 2 ном R к ≈ I 1 2 ном R к можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Р к , потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ΔРм весьма малы по сравнению с потерями ΔP эл из-за сильного уменьшения напряжения U1 , a следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом,

ΔР эл = β2 Pк (2.55 )

Полные потери

ΔP = P o + β2 Pк (2.56 )

Подставляя полученные значения Р в (2.51) и учитывая, что Р2 = U2 I2 cosφ2 ≈ βS ном cosφ2 , находим

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 Р 2 возрастает только пропорционально β.

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

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 = √P 0 /P к ≈ √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 I 1 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.

Министерство образования Российской Федерации

Реферат

КПД трансформатора. Устройство и работа

Выполнил:

Нижний Новгород 2004 год

Введение

Трансформаторы - один из основных видов электротехнического оборудования. Благодаря им можно получать электрическую энергию, при наиболее удобном напряжении, передавать ее с минимальными потерями напряжения и использовать при напрядении, рассчитанном на любого возможного потребителя. Передача электрической энергии от места производства до потребителя требует создания многих повышающих и понижающих напряжение трансформаторов. В зависимости от параметров электроэнергии, необходимой тем или иным потребителям, трансформаторы изготавливают на различные мощности и напряжения. Существуют трансформаторы мощностью от нескольких вотльт-ампер до 1 200 000 кВ*А и более.

Для транспортировки электроэнергии построены десятки и сотни тысяч километров высоковольтных линий электропередачи напряжением 110, 220, 330, 500, 700, 1150 и 1500 кВ.

Для обеспечения этих линий элетропередачи, разработанны и освоены мощные трансформаторы и автотрансформаторы; создане крупные серии распределительных трансформаторов общего назначения различной мощности и назначения; специальные трансформаторы для электротермических преобразовательных и других установок; пусковые, передвижные, регулировочные, испытательные и другие специальные трансформаторы.

Устройство

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочны­ми обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первич­ной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторич­ной. Схема устройства трансформатора с двумя обмотками при­ведена на рисунке 2,

Трансформаторы бывают: повышающие, понижающие однофазные, трех и многофазные. Силовые, измерительные, испытательные.

Номинальные данные щитка: S H , квт, U 1 H /U 2 H , I 1 H /I 2 H , l/l, ?.

Активными элементами трансформатора являются

1. магнитопровод

2. обмотки

Магнитопроводы бывают:

1. Броневые

2. Стержневые

Магнитопровод с обмоткой помещается в бак с трансформатором маслом, которое служит для изоляции и охлаждения

Основные параметры трансформаторов

Генераторы электрического тока по техническим причинам, нельзя изготовлять на очеь большие напряжени, даже крупные из них имеют напряжения не более 24 кВ, а такое напряжение можно использовать только на малых расстояниях от электростанции.

Чтобы передача электрической энергии(электроэнергии) на многие сотни и тысячи километров стали выгодной, необходимо значительно большее напряжение 500, 750 кВ и более. Для этой цели и служит трансформатор - электомагнитное устройство с двумя или более обмотками, предназначенное для преобразования с помощью элетромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого(или других) напряжений. Обмотка трансформатора, к которой подводиться энергия преобразуемого перемнного тока, называется первичной, а обмотка от которой отводится энергия преобразованного переменного тока - вторичной.Существут трансформаторы у которых помимо первичной и вторичной обмоток, существует третья обмотка с промежуточным напряжением.

Обмотки трансформаторов, к которым подводится энергия преобразуемого или отводится энергия преобразованного переменного тока, нахывают основными, напрмер, первичная и вторичная обмотки трансформатора. Кроме основных, у трансформатора могут быть и другие обмотки, не связанные непосредственно с приемом или отдачей энергии преобразованного переменного тока, которые называют вспомогательными. Различают Различают основные обмотки трансформатора высшего(ВН), низшего(НН) и среднего (СН) напряжений.

Обмотка ВН имеет наибольшее номинальное напаряжение по сравнению с другими основными обмотками трансформатора, Обмотка НН - наименьшее номинальное напряжение, а обмотка СН - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между ВН и НН.

Трансформатор у которого первичной обмоткой называется НН - называют повышающим. В конце линии передач, где начинаеться распределение энергии, устанавливают трансформаторы, снижающие напряжение линнии до напряжений, необходимых потребителю. Первичной в таких трансформаторах служит обмотка ВН, а трансформаторы называются понижающими. Таким образом, в зависимости от назначения повышать или понижать, напряжение первичной обмотки одного и того же трансформатора может быть обмотка НН или ВН.

Коэффициент полезного действия трансформатора

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение баланса мощностей трансформатора имеет вид:

Потери в меди первичной обмотки,

Величина

носит названия коэффициента полезного действия трансформатора.

В отличие от электрических машин, трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому он не имеет и механических потерь при работе. К потерям, имеющим место при работе трансформатора, относятся потери на гистерезис (в результате постоянного циклического перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на нагревание проводов обмоток. Других потерь в трансформаторе практически нет.

Коэффициент полезного действия трансформатора - это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой

где - мощность, потребляемая из сети, мощность, отдаваемая нагрузке.

Таким образом, для практического определения КПД трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку (рис. 3-10). Тогда (поток рассеяния невелик) и мощность может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенным во вторичную цепь. Такой метод

определения КПД получил название метода непосредственных измерений. Этот метод весьма прост, но имеет два существенных недостатка: мала точность и неэкономичен. Малая точность обусловлена тем, что КПД трансформаторов очень высок (до 99% и выше) и в некоторых случаях (особенно у трансформаторов большой мощности) мощности мало отличаются, поэтому незначительные ошибки в показаниях приборов повлекут за собой значительные искажения результата вычисления КПД.

Неэкономичность этого способа состоит в большом расходе электроэнергии за время испытания, так как трансформаторы приходится нагружать до номинальных мощностей. Поэтому метод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для трансформаторов малой мощности с небольшим КПД (например, в учебной практике).

На практике КПД трансформаторов определяют косвенным методом, т. е. путем раздельного определения потерь, исходя из того, что КПД трансформатора можно представить так:

где потери в стали (в сердечнике) и потери в меди (в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

Для определения потерь обычно пользуются двумя опытами - опытом холостого хода и опытом короткого замыкания.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют разомкнутой, определяют потери в стали трансформатора, т. е. потери на гистерезис и на вихревые токи (рис. 3-11). Эти потери зависят от частоты тока и от значения магнитиого потока. Так как частота тока постоянна (50 Гц), а магнитный поток при номинальном напряжении на первичной обмотке также практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали - для него величина постоянная. Таким образом, можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в первичную цепь. Правда, при этом не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток незначителен и потери от него также незначительны. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода .

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко,

а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение (в школьной практике, например, от РНШ), при котором токи в обмотках не превышают их номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора (рис. 3-12). В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замыкания.

Следовательно, ваттметр, включенный в первичную цепь трансформатора в опыте короткого замыкания, покажет мощность, соответствующую потерям в меди

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.

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. Полу-чаемый 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)

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

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).

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.