1.3.5 Потери и кпд трансформатора

Часть трансформируемой энергии теряется в самом трансформаторе. Различают электрические и магнитные потери.

Электрические потери возникают на активных сопротивлениях обмоток трансформатора при протекании по ним тока. Если трансформатор содержит m обмоток и ток в каждой из обмоток I_m, то суммарные электрические потери

Р_Э = , 1.16

где r_m—сопротивление соответствующей обмотки.

В двухобмоточном трансформаторе

Р_Э = r₁ + r₂. 1.17

Электрические потери зависят от нагрузки трансформатора, т.е являются переменными. Поэтому вводят коэффициент токовой нагрузки

, 1.18

где I_2НОМ -- номинальный ток вторичной обмотки.

Имея коэффициент нагрузки, можно определить электрические потери Р_Э, зная потери Р_{К НОМ} при номинальных токах в обмотках, которые можно определить опытом короткого замыкания (см. далее).

Р_Э = Р_{К НОМ} 1.19

Квадратичная зависимость мощности электрических потерь от объясняется тем, что электрические (активные) потери пропорциональны квадрату тока.

Магнитные потери возникают в магнитопроводе трансформатора. Переменный ток создает переменный магнитный поток, который вызывает а) перемагничивание сердечника магнитопровода и б) вихревые токи в пластинах магнитопровода. Оба явления вызывают соответственно потери на перемагничивание Р_Г и потери на вихревые токи Р_В , т.е. магнитные потери

Р_М = Р_Г + Р_В 1.20

Потери на перемагничивание Р_Г возникают вследствие постоянного перемагничивания стали сердечника в переменном магнитном потоке. Потери тем больше, чем больше площадь петли гистерезиса материала сердечника. С обоими явлениями борются путем выполнения магнитопровода из магнито-мягкого ферромагнетика--тонколистовой электротехнической стали, обладающей узкой петлей гистерезиса. Магнитопровод делают шихтованным из тонких пластин, обе поверхности которых покрыты изоляционным материалом (например, лаком). Пластины располагают так, чтобы путь вихревых токов, возникающих от изменения магнитного потока, проходил поперечно расположению пластин, т.е. через изоляцию. Величина тока от этого существенно уменьшается.

Величина магнитных потерь существенно зависит от качества сборки трансформатора. Пластины магнитопровода и катушка должны быть прочно скреплены (стянуты шпильками, залиты компаундом и т.п.). Если усилие сжатия недостаточно, пластины (или катушка) во время работы за счет магнитных сил могут перемещаться друг относительно друга, вызывая вибрацию, сопровождающуюся монотонным гулом, что вызывает ощутимые потери.

Потери от гистерезиса Р_Г пропорциональны частоте сети. Они зависят и от магнитной индукции в магнитопроводе.

Потери от вихревых токов Р_В пропорциональны квадрату этой частоты. При неизменном первичном напряжении магнитные потери Р_М практически не зависят от нагрузки трансформатора и потому называются постоянными. Постоянные потери можно определить опытом холостого хода (см. ниже).

Коэффициент полезного действия (КПД) есть отношение полезной (активной) мощности Р₂ на выходе трансформатора к полезной (активной) мощности Р₁ на его входе. Р₂ меньше Р₁ на сумму постоянных и переменных потерь

= Р_Э + Р_М 1.21

Так как Р_Э представляет собой переменные потери, то их определяют в результате проведения опыта КЗ при номинальных токах первичной и вторичной обмоток:

Р_Э = Р_{К НОМ} , 1.22

где Р_{К НОМ} мощность короткого замыкания при номинальных токах первичной и вторичной обмоток.

= Р_М+ Р_{К НОМ} 1.23

Р_М определяют при проведении опыта ХХ, когда вторичная обмотка отключена и почти вся потребляемая мощность уходит на перемагничивание стали.

Коэффициент полезного действия

. 1.24