Будьмо справжніми-трансформатори не перетворюють магічно всю вхідну потужність у корисну вихідну. Звичайно, вони досить ефективні, але завжди є якась енергія, яка «вбирається» та перетворюється на тепло. Це тепло в основному походить від двох великих втрат:
Втрати в сердечнику (втрати в залізі)
Втрати міді (втрати в обмотці)
Якщо ви розумієте ці втрати, ви можете зробити набагато кращеефективність, тепловий дизайн, іпоточні витрати. І, чесно кажучи, втрати трансформатора — це не лише теоретична річ-ці втрати безпосередньо впливають на те, скільки ви платите та як довго обладнання залишається справним.
Види втрат трансформатора
Втрати в сердечнику (без-втрат навантаження)
Втрати в сердечнику здебільшого спостерігаються навіть тоді, коли трансформатор не дуже навантажений. Тому їх часто називаютьбез{0}}втрат навантаження-вони залишаютьсядосить постійнийз навантаженням.
Втрати ядра зазвичай включають:
Гістерезисні втрати: енергія, яка використовується для перевертання магнітних доменів у матеріалі ядра
Втрати на вихрові струми: струми, індуковані в шарах, які також перетворюються на тепло
Як вимірюються втрати в сердечнику?
Вони вимірюються за допомогоюТест на розімкнуте ланцюг (OC).:
Номінальна напруга подається на первинну обмотку
Другорядний залишивсяз відкритим-замиканням
Показання ваттметра дають вам втрати в сердечнику, які зазвичай записуються як
Приблизні основні -зв’язки збитків
Інженери часто використовують такі спрощені формули (добре для розуміння тенденцій, хоча справжні трансформатори ніколи не бувають «ідеальними»):
Де:
Втрати міді (втрати навантаження)
Втрати міді відбуваються через тече струм через обмотки. І щоразу, коли струм протікає через опір, ви отримуєте класичне нагрівання-
.
Ключовий момент:втрати міді зростають з квадратом струму навантаження, що означає, що вони можуть швидко наростати, коли трансформатор завантажений сильніше.
Як вимірюються втрати міді?
Їх знаходять за допомогоюТест на коротке замикання (КЗ).:
Одна обмотка замкнута
Напруга поступово подається на іншу обмотку, поки не почне циркулювати номінальний струм
Показання ватметра євтрата міді при повному-навантаженні, часто наз
Втрати міді при будь-якому рівні навантаження
Якщо струм навантаження становить
і номінальний струм
, тоді:
Тож так-якщо ви навантажите трансформатор до 50%, втрати міді не зменшаться вдвічі; вони зменшуються приблизно до чверті. Ось і ефект «квадрата» робить свою справу.
Розрахунок ККД трансформатора
Ефективність трансформатора показує, скільки корисної потужності ви фактично отримуєте порівняно з витратами, включаючи втрати:
Більш практичний спосіб (з використанням кВА, коефіцієнта потужності та частки навантаження)
У реальних-обчисленнях зазвичай використовують номінал кВА та коефіцієнт потужності (PF). Однією з практичних форм є:
Коли досягається пік ефективності?
Максимальна ефективність зазвичай досягається, коли:
І в багатьох розподільних трансформаторах це «солодке місце» часто приземляється50–70% повного навантаження. (Не закон природи, але це загальна закономірність.)
Практичний приклад (відпрацьований сценарій)
Скажімо, у нас є a500 кВА, 11 кВ/415 Врозподільний трансформатор з даними випробувань виробника:
Втрати міді при заданому навантаженні
Якщо навантаження є
, тоді:
Наприклад, при 50% навантаженні:
Це досить близько до втрат в сердечнику (1,8 кВт), що пояснює, чому ефективність часто найвища навколо цього рівня навантаження.
Втрати та ККД при різних навантаженнях (Unity PF)
(Використовуючи Unity PF, як у вашому оригінальному прикладі.)
| навантаження (%) | Навантаження кВА | Втрати міді (кВт) | Загальні втрати (кВт) | Потужність (кВт) | ККД (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 125 | 0.39 | 2.19 | 125 | 98.27 |
| 50 | 250 | 1.55 | 3.35 | 250 | 98.68 |
| 75 | 375 | 3.49 | 5.29 | 375 | 98.61 |
| 100 | 500 | 6.20 | 8.00 | 500 | 98.43 |
Фактори, що впливають на втрати трансформатора
Втрати не просто «стаються»-на них впливає низка конструктивних і робочих деталей, як-от:
Основний матеріал
Кращі матеріали (як-от високо-кремнієва сталь або аморфні сплави) зазвичай зменшують гістерезис.
Розрахункова щільність потоку
Нижній
зменшує втрати в ядрі-але може знадобитися більший розмір ядра.
Опір обмотки
Більш товсті провідники/менший опір зазвичай зменшують втрати міді.
Температура
Опір зростає з температурою, тому зростають і втрати міді. (Часто виправляється до стандарту, як-от 75 градусів, залежно від угод IEC/IEEE.)
Гармоніки в навантаженні
Не-лінійні навантаження можуть додавати додаткові вихрові струми та блукаючі втрати-тому «фактичні втрати» можуть бути гіршими, ніж ви очікуєте за гарного чистого синусоїдального навантаження.
Типовий розподіл збитків (правило великого пальца)
Різні типи/розміри трансформаторів по-різному розподіляють втрати. Загальний приблизний посібник такий:
Менші розподільні трансформатори: втрати в сердечнику можуть становити ~25-40%, мідь ~60-75%
Силові (більші) трансформатори: втрати сердечника ~30–50%, мідь ~50–70%
Знову ж таки, це залежить від дизайну-, але це корисна уявна картина.
Підсумок-/Висновок
Якщо ви точно розрахуєте втрати трансформатора, ви зможете прийняти розумніші рішення щодо:
як визначити розмір трансформатора,
як його ефективно завантажити,
і як спланувати технічне обслуговування, перш ніж все стане дорогим.
Випробування OC і SC дають надійні реальні-дані, але сучасна трансформаторна техніка часто виходить за рамки-використовує аналіз скінченних елементів для оцінки таких факторів, як паразитні втрати та-температури гарячих точок (де, як правило, приховуються ризики відмови).
Зі зростанням цін на електроенергію та жорсткішими вимогами до ефективності в усьому світі (згадайте ініціативи в стилі DOE/EU-), мінімізація втрат — це вже не просто «приємно мати»-це справжній економічний та екологічний пріоритет.
Підсумок:завжди перевіряйте дані таблички та дотримуйтесь таких стандартів, якIEC 60076коли вам потрібні сертифіковані значення втрат.
