5 Коэффициент полезного действия трансформатора и классификация потерь в нем

Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д.) – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой:

η = (P₂ / P₁)∙100%,       

где P₁ – мощность, потребляемая из сети;

P₂ – мощность, отдаваемая нагрузке.

Для практического определения  к.п.д. при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Если включим во вторичную обмотку активную нагрузку, то  cosφ = 1 (поток рассеяния невелик) и P2 можно определить по показаниям амперметра и вольтметра, включённых во вторичную цепь. Такой метод называется методом непосредственных измерений. Он прост, но имеет два существенных недостатка: малую точность и неэкономичность. К.п.д. промышленных трансформаторов очень высок до 99%, поэтому P1 и P2 мало отличаются по величине. В этом случае незначительные ошибки в показаниях приборов приведут к большим ошибкам в значении к.п.д. Неэкономичность связана с большим расходом энергии во время испытаний. Поэтому этот способ годится для трансформаторов малой мощности с небольшим к.п.д. На практике к.п.д. трансформатора определяют косвенным методом, т.е. путём раздельного определения потерь. При этом исходят из того, что к.п.д. трансформатора может быть представлен в следующем виде:

η =  P2 / (P2 + P_ст. + P_м)      

P_ст. – потери в стали (в сердечнике);

P_м – потери в меди (в обмотках).

Потери в стали и потери в меди определяют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

В опыте холостого хода на первичную обмотку подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой. Т.к. при номинальном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали для него являются постоянной величиной. Т.е. в режиме холостого хода энергия, потребляемая из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включённым в цепь первичной обмотки. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода Io₁.

Если вторичную обмотку замкнуть накоротко, а на первичную подать пониженное напряжение, при котором токи в обмотках не превышают номинальных значений, то энергия, потребляемая из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. В этом опыте к первичной обмотке подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали также малы, этот опыт называют опытом короткого замыкания. Ваттметр, включённый в цепь первичной обмотки трансформатора покажет мощность, соответствующую потерям в меди P_м.

Потери в трансформаторах

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.