Innost transformátoru | OOO NOMEK

Při práci v transformátoru dochází ke ztrátám energie. Účinnost transformátoru (efektivita) nazývají poměr výstupního výkonu P2 k výkonu P1 vstupujícímu do primárního vinutí:

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

η = (P1 – ΔP)/P1 = 1 – ΔP/(P2 + ΔP), (2.49)

kde ΔР jsou celkové ztráty v transformátoru.

Vysoké hodnoty účinnosti transformátorů neumožňují její určení s dostatečnou mírou přesnosti přímým měřením výkonů P1 a P2, takže se počítá nepřímo z hodnoty výkonových ztrát.

Rýže. 2.38. Energetický diagram transformátoru

Proces přeměny energie v transformátoru charakterizuje energetický diagram (obr. 2.38). Při přenosu energie z primárního vinutí na sekundární dochází ke ztrátám elektrického výkonu v aktivních odporech primárního a sekundárního vinutí ΔRel1 a ΔRzl2 a také k magnetickým ztrátám v oceli magnetického jádra ΔРm (od vířivých proudů a hystereze) . Proto

P2 = P1 – ΔRel1 – ΔRel2 – ΔPm (2.50)

a vzorec (2.49) může být reprezentován jako

P2 + ΔPel1 + ΔPel2 + ΔPm

ΔPel1 + ΔPel2 + ΔPm

P2 + ΔPel1 + ΔPel2 + ΔPm

Hodnota Rem = P1 – ΔRel1 – ΔPm vstupující do sekundárního vinutí se nazývá vnitřní elektromagnetický výkon transformátoru. Určuje celkové rozměry a hmotnost transformátoru.

Stanovení ztrát výkonu. Podle požadavků GOST se ztráty výkonu v transformátoru určují na základě údajů z experimentů naprázdno a nakrátko. Výsledek získaný v tomto případě je vysoce přesný, protože během těchto experimentů transformátor nepřenáší výkon do zátěže. V důsledku toho je veškerá energie dodávaná do primárního vinutí vynaložena na kompenzaci ztrát v něm přítomných.
Při zkoušce naprázdno je proud I0 malý a ztráty elektrického výkonu v primárním vinutí lze zanedbat. Současně je magnetický tok téměř stejný jako tok zátěže, protože jeho hodnota je určena napětím aplikovaným na transformátor. Magnetické ztráty v oceli jsou úměrné druhé mocnině hodnoty magnetického toku. S dostatečnou přesností tedy můžeme předpokládat, že magnetické ztráty v oceli magnetického jádra se rovnají výkonu spotřebovanému transformátorem naprázdno a při jmenovitém primárním napětí, tzn.

Pro stanovení celkových elektrických ztrát podle zjednodušeného náhradního obvodu (viz obr. 2.33,a) se předpokládá, že 1’2 = 11. V tomto případě

ΔPel = ΔPel1 + ΔPel2 = I12R1 + I’22R2 ≈ I’22 (R1 + R’2) ≈ I’22Rк, (2.53)

ΔRel ≈ β2I’22nomRк ≈ β2ΔPel.nom, (2.54)

kde ΔPel.nom jsou celkové elektrické ztráty při jmenovité zátěži.

Pro návrhovou teplotu vinutí – podmíněnou teplotu, které by měly být připsány výkonové ztráty ΔRel a IR napětí, se bere toto: pro olejové a suché transformátory s izolací třídy tepelné odolnosti A, E, B (viz § 12.1) a teplota 75 °C; pro transformátory s izolací třídy tepelné odolnosti F, N – teplota 115 °C.

Hodnotu ΔRel.nom ≈ I’22nomRk ≈ I12nomRk lze získat s dostatečnou přesností rovnající se výkonu Pk spotřebovaného transformátorem během zkratové zkoušky, která se provádí při jmenovitém zatěžovacím proudu. Magnetické ztráty v oceli ΔРm jsou v tomto případě velmi malé ve srovnání se ztrátami ΔPel vlivem silného poklesu napětí U1, a tím i magnetického toku transformátoru, a lze je zanedbat. Tedy,

ΔP = Po + β2Pк (2.56)

Dosadíme-li získané hodnoty P do (2.51) a vezmeme-li v úvahu, že P2 = U2I2cosφ2 ≈ βSnomcosφ2, zjistíme

η = 1 – (β2Pk + P0)/(βSnomcosφ2 + β2Pk + P0).

Tento vzorec doporučuje GOST pro stanovení účinnosti transformátoru. Hodnoty Po a Pk pro výkonové transformátory jsou uvedeny v příslušných normách a katalozích.

Závislost účinnosti na zatížení. Pomocí (2.57) je možné vykreslit závislost účinnosti na zatížení (obr. 2.39, a). Při β = 0 jsou užitečný výkon a účinnost nulové. S nárůstem výstupního výkonu roste účinnost, neboť v energetické bilanci klesá měrná hodnota magnetických ztrát v oceli, které mají konstantní hodnotu. Při určité hodnotě βopt dosáhne křivka účinnosti maxima, načež začne s rostoucí zátěží klesat. Důvodem je silný nárůst elektrických ztrát ve vinutí, které se zvyšují úměrně druhé mocnině proudu, tj. úměrně β2, zatímco užitečný výkon P2 roste pouze úměrně β.

Maximální hodnota účinnosti u výkonových transformátorů dosahuje velmi vysokých mezí (0,98-0,99).

Rýže. 2.39. Závislost účinnosti transformátoru η na zatížení β

Optimální faktor zatížení βopt, při kterém má účinnost maximální hodnotu, lze určit tak, že vezmeme první derivaci dη/dβ podle vzorce (2.57) a přirovnáme ji k nule. Ve stejnou dobu

β2optPk = P0 nebo ΔRel = ΔРm

V důsledku toho má účinnost maximum při zatížení, při kterém jsou elektrické ztráty ve vinutí rovné magnetickým ztrátám v oceli. Tato podmínka (rovnost konstantních a proměnných ztrát) platí přibližně pro ostatní typy elektrických strojů. Pro sériové výkonové transformátory

βopt = √P0/Pk ≈ √0,2 ÷ 0,25 ≈ 0,45 ÷ 0,5 (2.59)

Uvedené hodnoty βopt byly získány při návrhu transformátorů při minimálních daných nákladech (na jejich pořízení a provoz). Nejpravděpodobnější zatížení transformátoru odpovídá β = 0,5 ÷ 0,7.

U transformátorů je maximální účinnost vyjádřena relativně slabě, tj. zůstává vysoká v poměrně širokém rozsahu změn zatížení (0,4 < β < 1,5). S klesajícím cosφ2 se účinnost snižuje (obr. 2.39,6), protože proudy 12 a I1, při kterých má transformátor daný výkon P2, rostou.

U transformátorů nízkého výkonu je vzhledem k relativnímu nárůstu ztrát účinnost výrazně menší než u transformátorů vysokého výkonu. Jeho hodnota je 0,6–0,8 pro transformátory, jejichž výkon je menší než 50 W; při výkonu 100-500 W je účinnost 0,90-0,92.

Účinnost – faktor účinnosti, jedna z nejdůležitějších charakteristik, která určuje účinnost zařízení souvisejícího s transformátory. Zvažme vlastnosti určení specifikovaného indikátoru transformátoru s ohledem na princip činnosti, konstrukci tohoto elektrického zařízení a faktory ovlivňující provozní účinnost.

Obecné informace o transformátorech

Transformátor je elektromagnetické zařízení, které převádí střídavý proud se změnou hodnoty napětí. Princip činnosti zařízení zahrnuje použití elektromagnetické indukce.

Zařízení se skládá z následujících hlavních prvků:

• primární a sekundární vinutí;
• jádro, kolem kterého jsou vinutí navinuta.

Změny charakteristik je dosaženo v důsledku různého počtu závitů ve vstupním a výstupním vinutí.

Proud ve výstupní cívce je buzen vytvořením magnetického toku při přivedení napětí na vstupní kontakty.

Jaká je účinnost transformátoru a na čem závisí?

Účinnost (úplný výklad této zkratky) je poměr užitečné elektřiny k elektrické energii dodávané do zařízení.

Ukazatel účinnosti lze kromě energie určit výpočtem na základě ukazatelů výkonu na základě poměru užitné hodnoty k celkové hodnotě. Tato charakteristika je velmi důležitá při výběru zařízení a určuje efektivitu jeho použití.

Velikost účinnosti závisí na energetických ztrátách, které jsou při provozu zařízení povoleny. Tyto ztráty jsou následujících typů:

• elektrické – ve vodičích cívek;
• magnetické – v materiálu jádra.

Velikost těchto ztrát při návrhu zařízení závisí na následujících faktorech:

• celkové rozměry zařízení a tvar magnetického systému;
• kompaktnost cívek;
• hustota sestavených sad desek v jádře;
• průměr drátu ve svitcích.

Snížení ztrát v jednotce je dosaženo během procesu návrhu zařízení použitím měkkých magnetických feromagnetických materiálů pro výrobu jádra. Elektroocel je sestavena do tenkých desek, vzájemně izolovaných speciální vrstvou naneseného laku.

Čtěte také: Jak a kterými hasicími přístroji hasit rozvody

Během provozu je účinnost zařízení určena:

• aplikované zatížení;
• dielektrické médium – látka používaná jako dielektrikum;
• rovnoměrnost dodávky zátěže;
• teplota oleje v jednotce;
• stupeň ohřevu cívek a jádra.

Pokud je jednotka během provozu neustále nedostatečně zatížena nebo jsou porušovány stanovené provozní podmínky, vede to kromě rizika poruchy ke snížení účinnosti zařízení.

Transformátor na rozdíl od elektrických strojů prakticky neumožňuje mechanické ztráty energie, protože neobsahuje pohyblivé součásti. V důsledku teplotního ohřevu zařízení dochází k nevýznamné spotřebě energie.

Metody stanovení účinnosti

Účinnost transformátoru lze vypočítat pomocí několika metod. Tato hodnota závisí na celkovém výkonu zařízení a zvyšuje se s nárůstem zadaného ukazatele. Hodnota účinnosti se pohybuje od 0,8 do 0,92 při hodnotách výkonu od 10 do 300 kW.

Znáte-li hodnotu maximálního výkonu, můžete určit hodnotu účinnosti pomocí speciálních tabulek.

Přímé měření

Vzorec pro výpočet tohoto ukazatele může být prezentován v několika výrazech:

ɳ = (Р2/Р1)х100 % = (Р1 – ΔР)/Р1х100 % = 1 – ΔР/Р1х100 %,

• ɳ – hodnota účinnosti;
• P2 a P1 – hodnota užitečného a spotřebovaného síťového výkonu;
• ΔР – hodnota celkových ztrát výkonu.

Z tohoto vzorce je zřejmé, že hodnota ukazatele účinnosti nemůže překročit jedničku.

Po postupné transformaci výše uvedeného vzorce, s přihlédnutím k použití hodnot elektrického proudu, napětí a úhlu mezi fázemi, se získá následující vztah:

ɳ = U2хI2хcosφ2/ U2хI2хcosφ2 + Robm + Рс,

• U2 a I2 – hodnota napětí a proudu v sekundárním vinutí;
• Robm a Rs – množství ztrát ve vinutí a jádru.

Prezentovaný vzorec je obsažen v GOST, který popisuje definici tohoto ukazatele.

Stanovení nepřímou metodou

U zařízení s vysokou provozní účinností, s hodnotou účinnosti přesahující 0,96, není vždy možný přesný výpočet. Proto je tato hodnota stanovena pomocí nepřímé metody, která zahrnuje posouzení indikátorů výkonu v primární cívce, sekundární cívce a povolených ztrát.

Čtěte také: Účel izolačních tyčí

Při posuzování vlastností transformátoru je třeba poznamenat vysokou účinnost použití tohoto zařízení díky jeho konstrukčním vlastnostem.

Více o účinnosti transformátoru si můžete přečíst zde (otevře se v novém příspěvku, čtěte ze strany 14): Otevřít soubor