Трансформатор має максимальне значення ККД. Трасформатори силові, напруги, струму. Втрати та ККД трансформатора
Пристрій якої призначений для перетворення однієї величини змінного струму на іншу. Трансформатори працюють на Поширення ці машини отримали найширше, так як електроенергію на великі відстані потрібно передавати на напругах, значно більших, ніж рівень, який необхідний для харчування промисловості або для використання в домашніх умовах. Таким чином, використання трансформатора дозволяє знизити втрати електроенергії при її передачі та збільшити якість процесу. Однією з найважливіших характеристик цієї машини є ККД трансформатораТакож важливою характеристикою можна назвати і визначається відношенням напруги вхідного до вихідного.
Можуть бути відсутніми наступні типидвигунів. Двигуни, призначені для роботи, повністю занурені в рідину; Двигуни повністю інтегровані в продукт, де неможливо перевірити вихід двигуна незалежно від решти продукту; Двигуни спеціально призначені для роботи. Правила ефективності та маркування двигуна: історичний екскурс.
Передача руху між електродвигуном та робочою машиною, такий як насос, вентилятор, компресор тощо. Рідко реалізується шляхом прямого з'єднання між валами. Основними причинами є два: положення та різна швидкість обертання між двигуном та машиною. Через це у багатьох випадках існує механізм, званий передачею, яка передає рух від осі двигуна до осі операційної машини. Передача, як уже згадувалося, усуває ряд технічних проблем, але має деякі негативні наслідки, Насамперед неможливість передачі на механічну машину всієї потужності, що забезпечується приводною машиною.
Трансформатор – це, як правило, статичний пристрій. Складається звичайний трансформатор (а вони бувають декількох видів) із сердечника, який набирається з феромагнітних пластинок, а також вторинної та первинної обмоток, які розташовані протилежно сердечнику. Як мовилося раніше, є основні види (напруга на виході більше, ніж вході) і понижуючі (напруга виході менше, ніж вході). Однією з важливих умов роботи пристрою є одна частота напруги. 
З цієї причини ми повинні говорити про ефективність передачі, яка дорівнює. Потрібна потужність, потрібна машиною. Плюс потужність, що передається колінчастому валу. Іншими словами, передача, незалежно від того, що вона є, має продуктивність, яка ніколи не дорівнює одиниці, тобто втрата енергії під час передачі руху. Тому ми можемо говорити про реальне споживання трансмісії, маючи на увазі кількість енергії, яка розсіюється, особливо у вигляді тепла, під час її роботи. У наступній таблиці наведено коефіцієнт передачі та продуктивність для різних типівпередачі.
Для визначення ККДтрансформатора введемо такі позначення:
- P1 - яку споживає трансформатор,
- P2 - потужність, що віддається,
- PL – потужність втрат.
У цьому випадку закон збереження енергії набуде вигляду: P1= P2+ PL. З допомогою цих позначень легко вивести формулу ККД трансформатора. Формула ККД матиме такий вигляд: n=P2/P1=(P1-PL)/P1=1-PL/P1. Як бачимо, її можна у декількох випадках. З останньої формули видно, що ККД трансформатора не може бути більше, ніж 1 (тобто неможливо отримати перевищує сто відсотків). Це зрозуміло.
Причиною цього є зношування ременів ременя, які знаходяться в контакті зі шківом, і подальше ослаблення того ж самого, що призводить до втрати зчеплення і починає ковзати шляхом розсіювання енергії у вигляді тепла. Дуже часто спостерігаються повільні лінзи, які сильно коливаються від вібрації, шумових проблем і, як ми додаємо, величезну витрату електрики.
Щоб виправити цю втрату грошей, пропонується замінити трапецієподібні ремені зубчастими ременями. Фактично, зберігаючи при цьому всі позитивні прерогативи ременного приводу, вони не мають дефекту ковзання і, отже, мають характеристики, які можна порівняти з трапецеїдальними ременями, коли вони встановлені і наводяться в правильне натяг, але мають що він залишається постійним з плином часу. Ці ремені не вимагають технічне обслуговуваннякрім заміни, що відбувається на набагато більш довгих інтервалах, ніж трапецієподібні ремені, оскільки вони носять менше.
Правильний розрахунок ККД трансформатора - це складніше, ніж могло здатися здавалося б. При проектуванні та розробці схем та загальної конструкціїТрансформатори або серії трансформаторів певного виду інженери-проектувальники часто стикаються з певними проблемами. Наприклад, зменшення вартості трансформатора потрібно мінімізувати витрата матеріалів. Однак, з іншого боку, щоб зробити пристрій більш надійним в експлуатації, витрата цих матеріалів доведеться збільшити.
Навпаки, зубчасті ремені трохи голосніше, ніж трапецієподібні, і тому не можуть використовуватися, якщо цей аспект необхідний у контексті, в якому вони використовуються. Крім того, зубчасті ремені, як було нагадано, не ковзають, тому їх слід уникати або поєднувати з муфтою, якщо ви хочете, щоб робоча машина, така як подрібнювач, заблокувала у разі проникнення стороннього тіла, яке могло порушити цілісність.
Якщо ви не можете допомогти використовувати трапецієподібні ремені, ми повинні принаймні. Перевіряйте ремені часто; Дотримуйтесь часу заміни, вказаного виробником; Якщо є більше одного ремінця, замініть всі ремені коробки з використанням як одного виробника, так і тієї ж будівельного майданчикащоб уникнути поведінкових асиметрій; Перевірте вирівнювання шківів; Перевірте, чи натяг ременів відповідає рекомендованому виробником. Інвертор реалізує роботу двигуна в режимі реального часу відповідно до потреб програми, забезпечуючи тільки фактичну необхідну потужність.
Саме з цих суперечливих причин значення ККД трансформатора зазвичай роблять стандартним, цим нормуючи втрати. При визначенні значення коефіцієнта корисної дії трансформатора потрібно враховувати вартість матеріалів, вартість електроенергії та ліній передач, тобто брати до уваги багато економічних факторів. ККД трансформатора може змінюватись в залежності від навантаження, і цей фактор також потрібно враховувати при розробці конструкції даного пристрою.
Досяжна економія залежить від типу додатка і типу регулювання, з яким ми стикаємося. Інвертор у додатках з відцентровими насосами та вентиляторами гарантує найкращу ефективність використання енергії у системах зі змінною витратою. Виключаючи системи керування, такі як клапани дросельної заслінкиі затвора, і використовуючи інвертор, ви отримуєте реальну економію від 20% до 50%, у середньому на 35% порівняно з традиційними системами.
Електронні варіатори швидкості. Швидкість обертання трифазних асинхронних електродвигунів залежить від частоти напруги живлення та кількості полюсів відповідно до наступного співвідношення. Якщо врахувати, що частота мережі має постійне значення 50 Гц, то після встановлення полюсів швидкість електродвигуна фіксована та стає її характеристикою. Щиро кажучи, асинхронний електродвигун ніколи не досягне вищезгаданої швидкості, але майже в залежності від застосовуваного навантаження. Все це чудово, якщо машина, що працює від електродвигуна, вимагає постійної швидкості обертання, і в цьому випадку двигун вибирається залежно від його технічних характеристиквключаючи кількість полюсів, що визначають також швидкість.
— це статичний електромагнітний перетворювач з двома або більше нерухомими обмотками, які перетворюють параметри змінного струму: напруга, струм, частоту, кількість фаз. Можливе також використання трансформаторів для перетворення синусоїдального змінного струму на несинусоїдальний.
Переважне використання в електричних пристрояхотримали силові трансформатори
, що перетворюють напругу змінного струму при незмінній частоті Трансформатори перетворення як напруги змінного струму, але й частоти, кількості фаз тощо. називають трансформаторними пристроями спеціального призначення.
Тим не менш, існує безліч програм, що вимагають, щоб операційна машина змінювала швидкість обертання для задоволення потреб виробничого процесу. Наприклад, якщо вам потрібно змінити швидкість потоку рідини, уповільніть рух вантажу та зменшіть швидкість транспортування певного матеріалу. У цих випадках він не може адаптувати швидкість двигуна і, отже, машини до різних потреб, оскільки, як сказано, він закріплений, щоб досягти бажаного ефекту, використовуються інші системи, такі як введення втрат навантаження для зміни, наприклад потік текучого середовища або рециркуляція матеріалу для зміни кількості, що подається.
Силові трансформатори широко використовуються в енергосистемах при передачі електроенергії від електростанції до споживачів, а також різних електроустановках для отримання напруги необхідної величини.
У цьому розділі розглядаються силові трансформатори (для скорочення ми їх називатимемо трансформаторами) невеликої потужності (не більше кількох кіловольт-ампер), що отримали найбільше застосування в блоках електроживлення пристроїв автоматики, обчислювальної техніки, вимірювальних приладах, зв'язку.
Це всі системи, які можуть досягти наміченої мети, але вони є марною тратою електрики. Найкращим рішеннямбуло б варіювати швидкість машини відповідно до її бажаних потреб, діючи на швидкість електродвигуна, який її керує. Це можливо різними способами, наприклад, з використанням двигунів з подвійною швидкістю шляхом зміни коефіцієнта передачі між двигуном і машиною або шляхом зміни за допомогою інвертора частоти напруги живлення електродвигуна, що веде машину.
З усіх перерахованих вище методів давайте розглянемо останній, оскільки він найбільш важливий з кількох причин. Перш ніж говорити про інвертори та їх додатки, непогано провести два слова про те, чому швидкість електродвигуна та пов'язана з ним машина зменшуються і призводять до зменшення споживання електроенергії та якою мірою.
Трансформатори поділяються, залежно від:
— кількості фаз перетворювальної напруги на однофазні та багатофазні (як правило трифазні);
- кількості обмоток, що належать одній фазі трансформуючої напруги на двохобмотувальні та багатообмотувальні;
- Методу охолодження, на сухі (з повітряним охолодженням) та масляні (занурені в металевий об'єм, заповнений трансформаторною олією).
Корисна потужність, що забезпечується електродвигуном, визначається продуктом крутного моменту, який він надає на швидкість обертання, тобто. З обох формул видно, що корисна потужність і, отже, потужність, що поглинається двигуном, залежать від прикладеного моменту, що крутить, і швидкості обертання. Зокрема, слідує, що якщо швидкість обертання зменшується, потужність змінюється в залежності від того, як змінюється момент, що крутить. На практиці пара може мати різні тенденції у зміні швидкості обертання в залежності від типу машини, що розглядається.
Рис.2.1.1. Електромагнітна схема однофазного двообмотувального трансформатора
Розглянемо однофазний двох обмотковий трансформатор. Його принцип дії ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Однофазний двох обмотувальний трансформатор складається із замкнутого магнітопроводу та двох обмоток. Одна з обмоток – первинна – підключається до джерела змінного струму з напругою U 1 та частотою f (рис.2.1.1). Змінний струм, що проходить по витках цієї обмотки, створює МРС, яка приводить у магнітопроводі трансформатора змінний магнітний потік Ф. Замкнувшись у магнітопроводі, цей потік зчепляється з витками обмоток трансформатора та індукується відповідно в первинній w 1 і вторинній w 2 обмотках ЕД
Здебільшого нас цікавлять два випадки. Постійний момент, що крутить. . Якщо момент, що крутить, постійний, потужність зменшується лінійно в міру зменшення числа оборотів. Він матиме тенденцію, як на наступному графіку. Постійний момент, що крутить, присутній в таких застосуваннях, як конвеєрні стрічки, гвинтові компресори, альтернативні компресори, мішалки.
Якщо пара зменшується з квадратичним законом, потужність змінюється з кубом швидкості, як показано на наступному графіку. Квадратична пара присутня в таких додатках, як відцентрові насоси та вентилятори. В обох випадках постійний крутний момент і квадратичний крутний момент матимуть енергетичні переваги, але в другому вони набагато суттєвіші, як якщо б вони зменшувалися, наприклад, 20% оборотів призводять до зменшення корисної потужності близько 50%. Насправді половина споживання скорочується наполовину.
е 1 = w 1 dФ/dt; (2.1.1)
е 2 = w 2 dФ/dt. (2.1.2)
Якщо магнітний потік трансформатора - синусоїдальна функція часу Ф = Ф max sinwt, що змінюється з кутовою частотою w = 2pf, то після підстановки його в (2.1.1) та (2.1.2), диференціювання та перетворення, отримаємо справжнє значення ЕРС первинної та вторинної обмоток:
Е 1 = 4,44 fw 1 Ф max; (2.1.3)
Е 2 = 4,44 fw 2 Ф max. (2.1.4)
Варіатори, які застосовуються до насосів. Таким чином, компоненти, які можуть якнайкраще використовувати переваги енергії частотних перетворювачів, - це ті, які мають крутний момент, який змінюється з квадратичним законом при змінних швидкостях, і серед них ми підкреслюємо вентилятори та відцентрові насоси. З цієї причини ми тепер розглянемо енергетичні переваги застосування частотного варіатора відцентрового насосудля питної води, але цей метод можна застосувати до іншого технологічного насоса або вентилятора.
У режимі холостого ходу трансформатора, коли струм у вторинній обмотці відсутня (обмотка розімкнена), напруга на висновках вторинної обмотки дорівнює ЕРС вторинної обмотки Е 2 = U 20, а ЕРС первинної обмотки настільки незначно відрізняється від первинної напруги, що цієї 1» U 1.
Відношення ЕРС обмотки вищої напруги (ВН) до ЕРС обмотки низької напруги (ПН) називають коефіцієнтом трансформації k. Для режиму холостого ходу трансформатора відношення зазначених ЕРС практично дорівнює відношенню напруги:
Добре відомо, що насос питної води повинен забезпечувати змінний потік з часом для задоволення різноманітних потреб населення, які змінюються від одного періоду до іншого, а також протягом того ж періоду, наприклад, між днем та ніч. З цієї причини насос вибирається з максимальною витратою, визначаючи той, який найбільше підходить для цього робочого стану і для якого він буде мати максимальну продуктивність. Однак насправді, як уже згадувалося, насос працюватиме лише протягом певного часу за максимальної потужності, тоді як решта повинна буде забезпечити нижчу витрату.
k = Е 1 / Е 2 = w 1 / w 2 »U 1 / U 20. (2.1.5)
Якщо w 2w 1 і U 2> U 1 то трансформатор називається підвищує. Один і той же трансформатор залежно від того, до якого з обмоток підводиться напруга, може бути знижуючим або підвищуючим.
Якщо на висновки вторинної обмотки трансформатора підключити навантаженняопором Z н, то в обмотці з'явиться струм навантаження I 2. При цьому потужність на виході трансформатора визначається добутком вторинної напруги U 2 на струм навантаження I 2. З деяким наближенням можна прийняти потужність на вході та виході трансформатора однаковими, тобто U 1 I 1 »U 2 I 2. З цього випливає, що відношення струмів в обмотках трансформатора обернено пропорційно відношенню напруг:
Для задоволення різних умов експлуатації та забезпечення того, що насос може забезпечити необхідну швидкість потоку, на практиці використовується клапан керування потоком, який з відповідним приводом вводить додаткову втрату навантаження за рахунок того, що насос забезпечує потрібну витрату. Насправді те, що відбувається, ясно з наступної діаграми.
У ньому представлена характеристика крива насоса та характеристична крива рослини. Точка зустрічі двох кривих - це робоча станція повністю відкритого клапана, або коли швидкість потоку є максимальною, а вихід близький до максимального значення. Якщо необхідно зменшити витрати насоса на 20%, він діятиме, як уже згадувалося, на спеціально розробленому регулювальному клапані.
I 1 / I 2 "U 2 / U 1" 1 / k. (2.1.6)
Таким чином, струм в обмотці нижчої напруги більше струму в обмотці високої напруги в раз.
Якщо на виведенні вторинної обмотки трансформатора підключити навантаження опором r н, то оскільки потужності на вході Р 1 = і 1 2 r н і виході Р 2 = І 2 лютого r н трансформатора приблизно однакові, з рівняння
Це призведе до бажаної витрати. Якби ми змінили швидкість насоса, діючи на швидкість двигуна, ми могли б досягти такого ж результату за сильної економії енергії. Насправді, якби ви змінили характеристику насоса, вибираючи прохідну для точки, що відповідає необхідному витраті, але з набагато меншою поширеністю, ніж та, яка відповідає точці.
Реальний приклад Припустимо, що ми маємо насос питної води, що працює від номінального двигуна потужністю 22 кВт. Зокрема, у таблиці наводяться дані про кожну витрату, споживана насосом потужність, час роботи до витрати та електрика, що споживається в ситуації, коли витрата змінюється за допомогою регулюючого клапана.
І 1 2 r н ¢ »І 2 r н (2.1.7)
визначимо опір навантаження, виміряний на висновках первинної обмотки:
r н ¢ »r н і 2 2 / I 1 2» r н k 2, (2.1.8)
тобто. він зміниться у k 2 разів у порівнянні з опором r н.
Ця властивість трансформаторів використовується в міжкаскадних трансформаторах для узгодження вхідного опору якогось каскаду (блоку) з вихідним опором попереднього каскаду (блоку).
Трансформатор є апаратом змінного струму.
Якщо первинну обмотку трансформатора включити до мережі постійного струму, то магнітний потік у магнитопроводе цього трансформатора виявиться постійним як у величині, і у напрямку, тобто. dФ / dt = 0. Такий потік не індукуватиме ЕРС в обмотках трансформатора вимкне передачу електроенергії по первинній у вторинну. Крім цього, відсутність ЕРС у первинній обмотці трансформатора призведе до виникнення в ній струму неприпустимо великої величини, наслідком чого буде вихід із ладу цього трансформатора.
Трансформатори Втрати та ККД трансформатора
У процесі роботи трансформатора під навантаженням частина активної потужності Р 1 надходить у первинну обмотку з мережі, розсіюється в трансформаторі на покриття втрат. В результаті активна потужність Р 2, що надходить у навантаження, виявляється меншою за потужність Р 1 на величину сумарних втрат у трансформаторі åР:
У трансформаторі існує два види втрат - магнітні та електричні.
Магнітні втрати Р м у сталевому магнітопроводі, по якому замикається магнітний потік Ф max , Складаються з витрат на гізтерезис Р г, вихрові струми Р вх:
Р г = Р г + Р вх. (2.1.23)
Магнітні втрати прямо пропорційні масі магнітопроводу та квадрату магнітної індукції в ньому. Вони також залежать від властивостей сталі, з якої виготовлений магнітопровід. Зменшенню втрат на гізтерезис сприяє виготовлення магнітопроводу з феромагнітних матеріалів (електротехнічної сталі), що володіють невеликою коерцетивною силою (вузькою петлею гізтерезису). Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопровід виготовляють шихтованою (з тонких сталевих пластин, ізольованих один від одного тонким шаром лаку або оксидної плівки) або витим зі сталевої стрічки. Магнітні втрати залежать також від частоти змінного струму з підвищенням частоти f магнітні втрати підвищуються за рахунок втрат на гізтерезис Р г і вихрові струми Р вх.
Раніше було встановлено, що головний магнітний потік у магнітопроводі не залежить від навантаження трансформатора, тому при змінах навантаження магнітні втрати залишаються практично незмінними.
Електричні втрати - це втрати в обмотках трансформатора обумовлені нагріванням обмоток струмами, що проходять ними.
Р е = Р е 1 + Р е 2 = і 1 2 r 1 + I 2 лютого r 2. (2.1.24)
Електричні втрати є змінними, тому що їхня величина пропорційна квадрату струму в обмотках. Електричні втрати при будь-якому струмі навантаження та 2 трансформатори, Вт,
Р е = Р е. Ном b 2, (2.1.25)
де Р е.ном - Електричні втрати при номінальному струмі навантаження; b = I 2 / І 2ном - коефіцієнт навантаження, що характеризує ступінь навантаження трансформатора.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) трансформатора є відношенням активних потужностей на його виході Р 2 і вході Р 1:
h = P 2 / P 1 = P 2 / (P 2 + P м + Р е). (2.1.26)
Активна потужність на виході трансформатора, Вт,
Р 2 = S ном b cos j 2 (2.1.27)
де S ном - номінальна потужність трансформатора, В × А; cos j 2 - Коефіцієнт потужності навантаження.
Враховуючи (2.1.25), (2.1.26) та (2.1.27), отримаємо формулу ККД трансформатора, зручну для практичних розрахунків:
h = (S ном b сos j 2) / (S ном b сos j 2 + P м + Ре.ном b 2). (2.1.28)
Рис.2.1.4. Залежність h = f (b) при cosj 2 = 1 (графік 1) та cosj 2
Таким чином, ККД трансформаторівзалежить від величини навантаження b і її характеру соs j 2. Графічно ця залежність показано на рис.2.1.4. Максимальне значення ККД h max відповідає навантаженню b ¢, у якому електричні втрати рівні магнітним (Р е.ном b ¢ 2 = Р м).
Номінальне значення ККД h ном тим вище, що більше номінальна потужність трансформатора S ном.
Наприклад,
h ном = 0,70 ¸ 0,85 при S ном £ 100 В × А
h ном = 0,90 ¸ 0,95 при S ном £ 10 k × А.
У потужніших трансформаторів ККД може досягати h ном = 0,98 0.99.
2.1.5. Дослідження холостого ходу та короткого замикання
Дослідження холостого ходу проводять у наступній послідовності: первинну обмотку включають у джерело на номінальну напругу, а вторинну обмотку залишають розімкнутою. При цьому струм у первинній обмотці I 0, а у вторинній обмотці I 2 = 0 (рис.2.1.5 а).
Рис.2.1.5. Схеми включення однофазних трансформаторівпри дослідах
холостого ходу (а) та короткого замикання (б)
Амперметр А в первинному ланцюгу дозволяє визначити струм холостого ходу I 0, який прийнято вимірювати у відсотках від номінального струму та 1ном у первинній обмотці:
і 0 = (I 0 / I 1ном) 100. (2.1.29)
У трансформаторах великої та середньої потужності і 0 = (2 10)%, а в трансформаторах малої потужності (менше 200-300 В × А) може досягати 40% і більше.
Струм холостого ходу I 0 разом з реактивною складовою, яка приводить у магнітопроводі головний магнітний потік, має активну складову і 0на, обумовлена магнітними втратами у магнітопроводі трансформатора.Використання якісних електротехнічних сталей з невеликими питомими втратами сприяє зменшенню активної складової струму холостого ходу значення, вбирається у 10%, тобто. І 0а £ 0,1 і 0. Результуючий струм холостого ходу, А.
Якщо струм холостого ходу I 0, отриманий досвідченим шляхом, набагато перевищує значення, зазначене в каталозі на досліджуваний тип трансформатора, це свідчить про несправність трансформатора: наявність короткозамкнутих витків в обмотках, порушення електричної ізоляції між деякими пластинами (смугами) магнітопроводу.
При дослідженні холостого ходу U 20 = Е 2 та U 1 »E 1, тому, використовуючи показники вольтметрів V 1 і V 2, можна з необхідною точністю визначити коефіцієнт трансформації k = U 1 / U 20.
Ваттметром W первинної ланцюга трансформатора вимірюють потужність Р 0, використовується трансформатором в режимі холостого ходу. У трансформаторах потужністю 200-300 × А електричні втрати в первинній обмотці внаслідок невеликої величини струму I 0 невеликі, тому вважаємо потужність холостого ходу рівної магнітним втрат, тобто. Р 0 = Р м (див.2.1.4).
Дослідження короткого замикання виконують в такий спосіб. Вторинну обмоткутрансформатора замикають коротко(рис.2.1.5, б), а до первинної обмотки підводять знижену напругу короткого замикання U 1 = U до, при якому струм короткого замикання в первинній обмотці дорівнює номінальному значенню, є і 1к = І 1ном. Напруга короткого замикання прийнято виражати у відсотках від номінальної напруги U 1ном:
u до = (U до / U 1ном) 100 (2.1.31)
Як правило u до = (5 12)%.
Магнітний потік Ф max пропорційний напрузі U 1 [див. намагнічуючого струму, що нею можна знехтувати. Виходячи з цього, прийнято вважати магнітні втрати при досвіді короткого замикання рівні нулю, а потужність короткого замикання Р до рівної потужності електричних втрат трансформатора (див.2.1.4) при номінальному навантаженні трансформатора (Р к = Р е.ном).
Коефіцієнт потужності при досвіді короткого замикання
cos j до = Р к / (U до І 1ном). (2.1.32)
Таким чином, дослідження холостого ходу та короткого замикання дозволяють експериментально визначити ряд важливих параметрівтрансформатора: I 0, Р 0 = Р м, u до, Р к = Р е.ном, використовуючи які за (2.1.28) можна визначити ККД трансформатора.