4.3.Потери мощности в трансформаторе и КПД трансформатора

4.3.1. Потери мощности в трансформаторе

В трансформаторе возникает два вида потерь мощности:
1. Электрические потери Р_эл - возникают в обмотках трансформатора и обусловлены их нагреванием при протекании по ним электрического тока. Электрические потери зависят от величины сопротивления обмоток и силы тока: ;
2. Магнитные потери Р_м - возникают в магнитопроводе из-за переменного магнитного поля. Магнитные потери состоят из двух видов потерь: потери от вихревых токов Р_В; потери из-за гистерезиса Р_Г, которые вызваны периодическим перемагничиванием сердечника переменным магнитным полем.

Магнитные потери зависят от конструкции магнитопровода, его массы, материла, частоты тока (~f^1,3), величины магнитной индукции(~B²), напряжения(~U²).

Потери мощности в трансформаторе определяются из опыта холостого хода (Р_м) и короткого замыкания (Р_з).

При проведении опыта холостого хода (рис.4.7) на вторичной обмотке трансформатора отсутствует нагрузка. На первичную обмотку трансформатора подается номинальное напряжение U_1ном, при этом ток во вторичной обмотке трансформатора отсутствует, а в первичной обмотке протекает ток холостого хода, составляющий 5 - 10 % от номинального тока (I_1ХХ = (5 - 10)% I_1ном).

Рис. 4.7

Из опыта холостого хода определяется:
1) коэффициент трансформации
2) мощность магнитных потерь Р_м (электрическими потерями можно пренебречь)

При проведении опыта короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко (рис.4.8). На первичную обмотку трансформатора подается пониженное напряжение U_1КЗ = (5 - 10)% U_1ном так, чтобы в обмотках протекали номинальные токи. При этом ваттметр показывает мощность электрических потерь Р_эл, т.к. магнитными потерями можно пренебречь.

Рис. 4.8

4.3.2. Кпд трансформатора

КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на выходе первичной обмотки.

КПД трансформатора зависит:
1) от конструкции трансформатора;
2) от степени загрузки трансформатора (рис 4.9, Максимальный КПД будет у трансформатора с коэффициентом загрузки β = 0,45..0,65 ());
3) от характера нагрузки (наибольший КПД трансформатор имеет при активной нагрузке).

Рис. 4.9

Источники информации:
1. А.С.Касаткин § 6.1 (с.113), 6.2, 6.7
2. А.Я.Шихин § 69
3. Л.В.Усс § 7.3 с.156
4. В.Е. Китаев § 61

Задачи для самостоятельного решения:
4.7. Чему равен КПД трансформатора, если общие потери составляют 8% от мощности, потребляемой нагрузкой?
4.8. Потери мощности в режиме холостого хода Р_х = 150 Вт, в режиме короткого замыкания Р_к = 500 Вт. Вычислить КПД трансформатора при номинальном режиме, если коэффициент мощности в этом режиме равен cos φ = 0,9, а мощность нагрузки S₂ = 5 кВА.
4.9. Трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 220 В. Ток первичной обмотки I₁ = 7,1 А. Определить cos φ1, если мощность во вторичной обмотке трансформатора Р = 1 кВт, а КПД трансформатора η = 0,8.
4.10. Имеется два одинаковых трансформатора. У одного сердечник изготовлен из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм, а другого - 0,5 мм. У какого из трансформаторов более высокий КПД?
4.11. Изменятся ли потери на гистерезис, если сердечник трансформатора из отдельных листов электротехнической стали заменить на монолитный сердечник из стали той же марки?
4.12. Какие неисправности могут быть в трансформаторе, если : а) возросла мощность магнитных потерь; б) возросла мощность электрических потерь?
4.13. Как изменится КПД трансформатора, если магнитопровод из электротехнической стали заменить на магнитопровод, изготовленный из листов обыкновенной стали?