Меню

Зависят ли потери в стали от величин тока



Потери мощности и КПД трансформатора

В отличие от электродвигателей и ряда других приемников электрической энергии трансформаторы нормируются не по активной, а по полной мощности. Это обусловлено тем, что размеры трансформатора при заданной частоте определяются в основном двумя величинами – номинальным напряжением и номинальным током. Номинальный, то есть допустимый по нагреву ток, определяется сечением проводов обмоток трансформатора. От напряжения, приходящегося на один виток обмотки, зависит магнитный поток, а следовательно и размеры магнитопровода. Поэтому основной паспортной величиной трансформатора является его номинальная полная мощность .

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

где , — потери в меди обмоток, — потери в стали (сердечнике) на вихревые токи и на перемагничивание сердечника (гистерезис).

Потери в стали определяются значением потока и частотой и не зависят от нагрузки, так как при неизменном напряжении на первичной обмотке и частоте амплитуда магнитного потока практически постоянна. Поэтому потери в стали являются постоянными потерями. Их можно измерить в опыте холостого хода трансформатора, т.е. они равны активной мощности, потребляемой трансформатором на холостом ходу — .

Потери в меди обмоток зависят от протекающих по обмоткам токов:

Из этого выражения вытекает, что потери в меди при номинальной нагрузке равны активной мощности в опыте короткого замыкания — .

КПД трансформатора определяется из выражения:

КПД трансформатора обычно очень высок (0.9 – 0.995) и относительная разность величин и сравнима с погрешностью приборов. Поэтому измерение КПД трансформатора производится расчетным путем, по данным опытов холостого хода и короткого замыкания ( и ). Причем вычисление КПД можно произвести при любой нагрузке трансформатора. Для этого мощность потерь в меди обмоток необходимо представить в виде:

где — коэффициент нагрузки трансформатора. В этом случае выражение для КПД примет вид:

Выражение (5.33) имеет максимум при , то есть когда переменные потери в меди равны постоянным потерям в стали сердечника. На рисунке 5.8 показан график изменения КПД трансформатора от коэффициента нагрузки. Трансформаторы конструируются таким образом, чтобы максимум КПД приходился на наиболее вероятную нагрузку . Номинальное значение КПД немного ниже максимального значения.

Рисунок 5.8 — График изменения КПД трансформатора

от коэффициента нагрузки

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 23 ; Нарушение авторских прав

Источник

Определение потерь в трансформаторе

Трансформатор является прибором, который призван преобразовывать электроэнергию сети. Эта установка имеет две или больше обмоток. В процессе своей работы трансформаторы могут преобразовать частоту и напряжение тока, а также количество фаз сети.

В ходе выполнения заданных функций наблюдаются потери мощности в трансформаторе. Они влияют на исходную величину электричества, которую выдает на выходе прибор. Что собой представляют потери и КПД трансформатора, будет рассмотрено далее.

  • 1 Устройство
  • 2 Понятие потерь
    • 2.1 Магнитные потери
    • 2.2 Электрические потери
  • 3 Методика расчета
  • 4 Формула расчета
    • 4.1 Расчет для трехобмоточных трансформаторов
  • 5 Пример расчета
  • 6 Измерение полезного действия

Устройство

Трансформатор представляет собой статический прибор. Он работает от электричества. В конструкции при этом отсутствуют подвижные детали. Поэтому рост затрат электроэнергии вследствие механических причин исключены.

При функционировании силовой аппаратуры затраты электроэнергии увеличиваются в нерабочее время. Это связано с ростом активных потерь холостого хода в стали. При этом наблюдается снижение нагрузки номинальной при увеличении энергии реактивного типа. Потери энергии, которые определяются в трансформаторе, относятся к активной мощности. Они появляются в магнитоприводе, на обмотках и прочих составляющих агрегата.

Понятие потерь

При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.

Читайте также:  Philips 32pfl3168t 60 уменьшить ток подсветки

потери электроэнергии в трансформаторах

Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:

  1. Магнитные.
  2. Электрические.

Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.

Магнитные потери

В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.

Также на снижение мощности трансформаторного устройства влияет частота тока. С ее повышением растут и магнитные потери. На этот показатель не влияет изменение нагрузки устройства.

Электрические потери

Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:

  • Электрическая нагрузка системы.
  • Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер сечения.
  • Режим работы.
  • Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
  • Расположение компенсационных устройств.

Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.

Методика расчета

Потери в трансформаторах можно рассчитать по определенной методике. Для этого потребуется получить ряд исходных характеристик работы трансформатора. Представленная далее методика применяется для двухобмоточных разновидностей. Для измерений потребуется получить следующие данные:

  • Номинальный показатель мощности системы (НМ).
  • Потери, определяемые при холостом ходе (ХХ) и номинальной нагрузке.
  • Потери короткого замыкания (ПКЗ).
  • Количество потребленной энергии за определенное количество времени (ПЭ).
  • Полное количество отработанных часов за месяц (квартал) (ОЧ).
  • Число отработанных часов при номинальном уровне нагрузки (НЧ).

Получив эти данные, измеряют коэффициент мощности (угол cos φ). Если же в системе отсутствует счетчик реактивной мощности, в расчет берется ее компенсация tg φ. Для этого происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь. Это значение переводят в коэффициент мощности.

потери в трансформаторе

Формула расчета

Коэффициент нагрузки в представленной методике будет определяться по следующей формуле:

К = Эа/НМ*ОЧ*cos φ, где Эа – количество активной электроэнергии.

Какие потери происходят в трансформаторе в период загрузки, можно просчитать по установленной методике. Для этого применяется формула:

П = ХХ * ОЧ * ПКЗ * К² * НЧ.

Таблица потерь в трансформаторе

Расчет для трехобмоточных трансформаторов

Представленная выше методика применяется для оценки работы двухобмоточных трансформаторов. Для аппаратуры с тремя контурами необходимо учесть еще ряд данных. Они указываются производителем в паспорте.

В расчет включают номинальную мощность каждого контура, а также их потери короткого замыкания. При этом расчет будет производиться по следующей формуле:

Э = ЭСН + ЭНН, где Э – фактическое количество электричества, которое прошло через все контуры; ЭСН – электроэнергия контура среднего напряжения; ЭНН – электроэнергия низкого напряжения.

потери мощности в трансформаторе

Пример расчета

Чтобы было проще понять представленную методику, следует рассмотреть расчет на конкретном примере. Например, необходимо определить увеличение потребления энергии в силовом трансформаторе 630 кВА. Исходные данные проще представить в виде таблицы.

Обозначение Расшифровка Значение
НН Номинальное напряжение, кВ 6
Эа Активная электроэнергия, потребляемая за месяц, кВи*ч 37106
НМ Номинальная мощность, кВА 630
ПКЗ Потери короткого замыкания трансформатора, кВт 7,6
ХХ Потери холостого хода, кВт 1,31
ОЧ Число отработанных часов под нагрузкой, ч 720
cos φ Коэффициент мощности 0,9

На основе полученных данных можно произвести расчет. Результат измерения будет следующий:

% потерь составляет 0,001. Их общее число равняется 0,492%.

Диаграмма потерь в трансформаторе

Измерение полезного действия

При расчете потерь определяется также показатель полезного действия. Он показывает соотношение мощности активного типа на входе и выходе. Этот показатель рассчитывают для замкнутой системы по следующей формуле:

КПД = М1/М2, где М1 и М2 – активная мощность трансформатора, определяемая измерением на входном и исходящем контуре.

Выходной показатель рассчитывается путем умножения номинальной мощности установки на коэффициент мощности (косинус угла j в квадрате). Его учитывают в приведенной выше формуле.

В трансформаторах 630 кВА, 1000 кВА и прочих мощных устройствах показатель КПД может составлять 0,98 или даже 0,99. Он показывает, насколько эффективно работает агрегат. Чем выше КПД, тем экономичнее расходуется электроэнергия. В этом случае затраты электроэнергии при работе оборудования будут минимальными.

Рассмотрев методику расчета потерь мощности трансформатора, короткого замыкания и холостого хода, можно определить экономичность работы аппаратуры, а также ее КПД. Методика расчета предполагает применять особый калькулятор или производить расчет в специальной компьютерной программе.

Источник

Зависят ли потери в стали от величин тока

Из большого разнообразия электротехнических сталей, выпускаемых в СССР согласно ГОСТ 802-58, для производства силовых трансформаторов стандартной частоты применяют горячекатаную сталь марок Э41, Э42 и Э43 и холоднокатаную текстурованную сталь марок Э310, Э320, ЭЗЗО и ЭЗЗОА. В обозначении марки стали буква Э означает «электротехническая», первая цифра указывает процент содержания кремния (4% у горячекатаной и 3% у холоднокатаной стали), вторая цифра характеризует качество стали в отношении удельных потерь (1 — нормальные, 2 — пониженные, 3 — низкие, ЗА — особо низкие удельные потерн), О — указывает на то, что сталь холоднокатаная.

Сталь выпускается листами, размеры которых 750 мм X XI500 мм и 1000 мм Х2000 мм при толщине 0,5 мм и 0,35 мм. По требованию заказчика холоднокатаная сталь поставляется в рулонах той же ширины, что и листы стали. Выпускаемая холоднокатаная текстурованная сталь обладает значительно большей анизотропией в отношении магнитной проницаемости и потерь вдоль и поперек прокатки, чем горячекатаная сталь. Холоднокатаная сталь после нарезки листов и штамповки должна быть отожжена для снятия наклепа. Это значительно улучшает ее электромагнитные свойства. При проверке свойств стали ГОСТ 802-58 рекомендует испытывать холоднокатаную сталь после отжига. Если же после нарезки листов они не были отожжены, то для сравнения с гарантированными значениями результат испытания в отношении потерь в стали должен быть уменьшен на 10%.

Характеристики стали перечисленных марок даны в табл. 1-1.

Электромагнитные характеристики трансформаторных сталей (ГОСТ 802-58)

Для возможности вычисления потерь в стали при частотах, отличных от стандартной, а также при несинусоидальном напряжении, приложенном к зажимам трансформатора, полезно отдельно рассмотреть составляющие потерь в стали, а именно, потери на гистерезис и потери от вихревых токов. Удельные потери в стали в вт/кг при синусоидальной форме кривой приложенного напряжения и отсутствии размагничивающего действия вихревых токов в стали, т. е. при равномерном распределении индукции по поперечному сечению листа стали, могут быть вычислены по формуле Штейнмеца:

где первое слагаемое представляет собой потери на гистерезис, а второе — потери от вихревых токов. В этой формуле f — частота приложенного напряжения; Вт — амплитуда магнитной индукции; t-толщина листов стали. Показатель степени п для современных сталей лежит в пределах 2-2,5. Коэффициенты R1, н R2 зависят от свойств стали и могут быть найдены опытным путем.

Удельные потери на гистерезис пропорциональны площади гистерезисной петли.

Удельные потери от вихревых токов могут быть найдены (52] путем расчета по формуле:

где kf — коэффициент формы кривой, . Y и б-электрическая проводимость и удельный вес стали; f — частота; Вт — амплитуда магнитной индукции в стали; t — толщина листа стали.

Известно, что полные удельные потери в стали, определенные опытным путем, больше суммы потерь на гистерезис и потерь па вихревые токи, подсчитанных по формуле (1-3), т. е.

где Pд — добавочные потери, которые для различных марок электротехнической стали составляют от 10 до 50% полных потерь. Обычно считают, что добавочные потери в стали относятся к увеличенным потерям от вихревых токов, получающимся вследствие неравномерной намагниченности стали и появления нормальной составляющей намагниченности, не учитываемой формулой (1-3).

Снижение полных потерь в стали достигается путем уменьшения вредных в магнитном отношении примесей и путем получения крупнозернистой структуры, а в холоднокатаной стали также за счет резко выраженной кристаллографической структуры. Поэтому уменьшение общих потерь в стали происходит за счет уменьшения потерь на гистерезис, причем потери на вихревые токи могут даже возрасти.

В табл. 1-2 приведены значения удельных потерь для некоторых марок стали при индукции Вт = 1 тл, полученные опытным путем [15].

Удельные потери на гистерезис и вихревые токи в трансформаторной стали

Источник

КПД трансформатора

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%.

Источник