В силовых трансформаторах могут наблюдаться следующие потери энергии:
- В стали (магнитные потери)
- В меди (потери I²R)
- Посторонние
- Диэлектрические
- Холостого хода
- В первичной обмотке
Приводят к двум основным проблемам:
- Увеличивается температура.
- Уменьшается коэффициент полезного действия (КПД).
1. Потери в стали (магнитные потери)
Происходят в сердечнике из-за реверсии магнитного потока в его стальных листах. Состоят из гистерезисных потерь (Рг) и потерь на вихревые токи (Рв). Всегда применяется обозначение (Рст) для суммарного их представления:
Рст = Рг + Рв
1.1 Гистерезисные потери
Происходят из-за неоднородного перемагничивания материала сердечника. Они зависят от качества стали и частоты переменного тока. Использование высококачественной стали с добавлением кремния приводит к их снижению и влияет на общую эффективность.
1.2 Потери на вихревые токи
Вихревые токи возникают внутри сердечника, создавая дополнительные нагревательные потери. Для их минимизации используют тонкие изолированные пластины стали, из которых состоит сердечник. Количество пластин влияет на характеристики трансформатора.
2. Потери в меди (потери I²R)
Возникают в обмотках из-за их сопротивления. Зависят от силы тока и выражаются формулой:
Pм = I₁²R₁ + I₂²R₂
где I₁ и I₂ — токи в первичной и вторичной обмотках, R₁ и R₂ — их сопротивления.
Для уменьшения потерь в меди используют провода с меньшим сопротивлением и минимизируют длину проводов. Обычно снижение сопротивления достигается за счёт увеличения числа витков и использования материалов с низким удельным сопротивлением.
3. Посторонние потери
Вызваны вихревыми токами, которые возникают в металлических частях трансформатора, таких как бак и крепёжные элементы. Их можно снизить, применяя экранирование или использование немагнитных материалов. В процессе эксплуатации важно учитывать влияние конструкции.
4. Диэлектрические потери
Связаны с нагревом изоляционных материалов, таких как масло или твёрдая изоляция. Особенно заметны в трансформаторах высокого напряжения. Применение изоляции с низкими диэлектрическими потерями позволяет их минимизировать. Это особенно актуально в случае трансформаторов для систем электроснабжения.
5. Потери холостого хода
Возникают, при работе без нагрузки. Основные источники — магнитные потери в сердечнике. Остаются практически постоянными, если нагрузка отсутствует. Их наличие имеет особое значение для анализа эффективности.
6. Потери в первичной обмотке
Связаны с сопротивлением проводников и зависят от силы тока, протекающего через обмотку. Снижение сопротивления проводников помогает их уменьшить. Количество витков в обмотке пропорционально ее электрическим характеристикам.
Коэффициент потерь
Показывает, какая часть входной мощности теряется в виде тепла. Для его расчёта используют соотношение:
Кп = (Суммарные потери мощности / Входная мощность) × 100%
Величина коэффициента зависит от типа трансформатора и условий его эксплуатации.
Способы снижения потерь
- Использование высококачественной стали с низкими потерями на гистерезис.
- Применение тонких изолированных пластин в сердечнике для уменьшения вихревых токов.
- Использование проводников с низким сопротивлением.
- Эффективное охлаждение для предотвращения перегрева.
- Регулярное обслуживание и замена изоляционных материалов.
- Минимизация длины и сечения обмоток для уменьшения сопротивления.
Таким образом, правильный выбор материалов, конструктивные решения и регулярное обслуживание помогают существенно снизить потери мощности и повысить его КПД. Основы эффективной работы заложены в их конструкции и процессах управления.