Втрати потужності у трансформаторі. Коефіцієнт корисної дії трансформатора

Трансформатори нормують за повною номінальною потужністю S_Н, яку вказують у його паспорті: S_Н = n·U_Н· I_Н , де U_Н·,I_Н - номінальні фазні струм і напруга первинної обмотки трансформатора; n – кількість фаз трансформатора. Лінійні розміри трансформатора визначають в основному за двома величинами – номінальним струмом та напругою. За струмом розраховують поперечний переріз проводів обмоток. Від значення напруги залежать магнітний потік Ф_m= U₁ / (4,44· f· w₁) та розміри магнітопроводу трансформатора.

Активна складова потужності Р₁, що передається через трансформатор пропорційна коефіцієнту потужності сos φ₁:

Р₁ = S₁ сos φ₁.

Оскільки сos φ₁ залежить не від параметрів трансформатора, а від характеру навантаження, то активна потужність не може визначати розміри трансформатора.

Трансформатор – пасивний елемент, який є ланкою у колі генерування, передавання та використання електричної енергії. Однак під час роботи у ньому відбуваються втрати енергії. Активні потужність втрат можна визначити за формулою:

ΔР_Т= Р₁ – Р₂ = U_1Н· I_1Н сos φ₁ – U_2Н· I_2Н сos φ₂.,

де сos φ₂ – коефіцієнт потужності навантаження трансформатора.

Втрати потужності у трансформаторі складаються з втрат у обмотках ΔР_М та втрат у магнітопроводі ΔР_С :

ΔР_Т= ΔР_М+ΔР_С .

Якщо прийняти, що І^/₂≈І₁, то втрати в обмотках розраховуються як ΔР_М = І₁² ·R . Отже, втрати у обмотках пропорційні квадрату струму навантаження.

На практиці втрати у обмотках визначають за даними досліду короткого замикання. У цьому досліді для трансформатора штучно створюється режим, у якому виводи вторинної обмотки замкнені між собою, до первинної обмотки підводять напругу, під дією якої у первинній та вторинній обмотках проходить струм. Виміряна у цьому режимі активна потужність Р_КЗ, за номінального значення струму в обмотках дорівнює номінальній потужності втрат у міді трансформатора ΔР_М (малими втратами у сталі трансформатора тоді нехтують). За даними досліду КЗ можна розрахувати активний та реактивний опори обмоток трансформатора:

R = Р_КЗ /І_1Н² ; Х=Q_КЗ / І_1Н²,

де Q_КЗ – виміряна реактивна потужність у досліді КЗ.

Втрати у сталі – це потужність, що витрачається на перемагнічення магнітопроводу у змінному магнітному полі та потужність втрат на активному опорі матеріалу магнітопроводу від вихрових струмів:

ΔР_С = ΔР_Г + ΔР_В.С .

Втрати потужності у сталі пропорційні квадрату прикладеної напруги (ΔР_С≡U²) і не залежать від навантаження. На практиці втрати у сталі визначають з досліду неробочого режиму. Цей дослід виконується при розімкнутій вторинній обмотці прикладанням до первинної обмотки номінальної напруги. Виміряна ватметром активна потужність неробочого режиму Р_НР дорівнює втратам у сталі ΔР_С (малими втратами у міді в цьому режимі нехтують).

Коефіцієнт корисної дії трансформатора – це відношення потужності Р₂ до підведеної потужності Р₁:

η= Р₂/ Р₁= (Р₁- ΔР_Т)/ Р₁ .

За будь-якого навантаження ККД трансформатора розраховують за формулою

,

де β=І₂/І_2Н – коефіцієнт завантаження трансформатора за струмом; S_Н= =U_1Н·І_1Н – повна потужність, що споживає трансформатор за навантаження номінальним струмом; Р₀ – втрати активної потужності у вітці намагнічування трансформатора; Р_К= Р_К1+Р_К2 – втрати активної потужності у активних опорах обмоток трансформатора; cosφ₂ – коефіцієнт потужності навантаження вторинної обмотки.

Магнітопроводи трансформаторів виготовляють з тонких листів електротехнічної сталі. За конструкцією магнітопроводи бувають стрижневі, броньові, тороїдальні, стрічкові (окремі частини виготовляються зі стрічки у вигляді підкови, які кріплять між собою спеціальними накладками). Як правило у трансформаторах магнітопроводи складають так, щоб не було проміжків з неферомагнітних матеріалів між їх частинами. У трансформаторах зварювальних установок спеціально створюють такі проміжки для отримання бажаних зовнішніх характеристик. Величину немагнітних проміжків можна змінювати й отримувати сімейство названих характеристик.

Для підвищення рівня безпеки в електроустановках застосовують роздільні трансформатори для гальванічного відокремлення частин мережі між собою. Такі трансформатори виготовляють з коефіцієнтом трансформації, що дорівнює одиниці.