48. Втрати потужності в трансформаторі.

Трансформатори нормують за повною номінальною потужністю , яку вказують у його паспорті: , де - номінальні фазні струм і напруга первинної обмотки трансформатора; - 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 та розміри магнітопроводу трансформатора.

Активна складова потужності , що передається через трансформатор, пропорційна коефіцієнту потужності : .

Оскільки 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:

, де - коефіцієнт потужності навантаження трансформатора.

Втрати потужності у трансформаторі складаються з втрат у обмотках та втрат у магнітопроводі : .

Якщо прийняти, що , то втрати в обмотках розраховуються як . 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 протікає струм. Виміряна у цьому режимі активна потужність , за номінального значення струму в обмотках дорівнює номінальній потужності втрат у міді трансформатора (малими втратами у сталі трансформатора тоді нехтують). За даними досліду КЗ можна розрахувати активний та реактивний опори обмоток трансформатора:

де - виміряна реактивна потужність у досліді КЗ.

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

Втрати потужності у сталі пропорційні квадрату прикладеної напруги ( ) 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 дорівнює втратам у сталі (малими втратами у міді в цьому режимі нехтують).

49. Коефіцієнт корисної дії трансформатора.

У реальних трансформаторах енергія не передається від первинного кола до вторинного без втрат. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло оточенню. При високій частоті опір збільшується завдяки скін-ефекту та ефекту близкості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат - перемагнічування осердя завдяки гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового потоку магнітного поля через осердя.

Інше причина втрат - струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають високий коефіцієнт корисної дії, до 98 %[4]. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85 %[5].

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовільняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електричної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експуатації[6].