Практическая работа: потере в трансформатора

Навоийский государственный горно-технологический университет

Энерго-механических факултет

Самостоятельная работа

Тема: Потеря энергии в трансформаторах

По предмету: Электрические сети и системы в электроснабжение

Выполнил: студент Сотволдиев С.М.

Принял: ____________________

2023 год

Содержание

Что такое потери

Магнитные

Описание

Электрические

Дополнительные

Мощности

КПД

Нагрузочные

Как рассчитать

Для двухобмоточных

Формулы

Для трехобмоточных

Примеры расчета

Измерение полезного действия

Способ вычисления

Что такое потери

Когда трансформатор функционирует на холостом ходу или под нагрузкой, в магнитопроводе прибора, электроизолированных обмотках и прочих элементах конструкции устройства часть активной мощности агрегата убывает. Потери представляют собой переменную величину, поэтому КПД приборов неодинаковый и никогда не достигает 100%-ного значения. На витках медной обмотки катушек энергия рассеивается из-за сопротивления проводника. У тока, проходящего по контуру, падает напряжение, вызывая, уменьшение мощности.

Непродуктивные потери при эксплуатации силовых установок возникают на холостом ходе, когда одна обмотка трансформатора находится на выделенном питании, а остальные контуры разомкнуты. Неизбежно возникают утечки и утрата мощностных характеристик работы агрегатов.

Диэлектрические потери (в изоляционном слое) для трансформаторов, работающих на средней частоте в 50 Гц, являются несущественными. Незначительно влияют на показатель КПД утечки в первичной обмотке. Наиболее значительные энергозатраты вызывают магнитные явления в трансформаторах.

Магнитные

При работе трансформаторного узла без нагрузки ток, который подается на первичную обмотку, расходуется на намагничивание стального сердечника. Потери магнитопровода провоцируют такие магнитные явления, как гистерезис (циклическое перемагничивание) и вихревые токи.

Снижение активной мощности происходит из-за ее рассеивания в системе после поступления на первичный контур обмотки. Несмотря на увеличение энергии реактивного типа, номинальная нагрузка уменьшается. Разница между мощностями, поступающими на первый и второй контуры устройства, определяет суммарное снижение мощности. При работе не нагруженного трансформаторного оборудования потребляемая прибором активная мощность затрачивается на уравновешивание затрат тока холостого хода в магнитном сердечнике и катушке первичного контура. Для записи процесса используют выражение I²₀r₁. Возникают магнитные потери магнитопровода Р_М. При номинальном первичном напряжении и частоте тока суммарные некомпенсируемые затраты мощности относят к холостым потерям Р₀. Для вычислений используют формулу:

Р₀ = Р_М + I²₀ * r₁,

в которой активным сопротивлением первой катушки выступает величина r₁.

Значение Р₀ никаким образом не меняется при регулировании нагрузки электромагнитного силового узла и является постоянным. Величина магнитного потока Ф₀ остается неизменной при любых параметрах нагрузочных токов I₁ и I₂, поэтому значение I_НАМ также не изменяется.

Описание

Магнитные потери прямо пропорциональны массе стального сердечника и значению магнитной индукции. В ферромагнетиках есть зоны самопроизвольного намагничивания, называемые доменами. Для магнитных моментов диполей характерна беспорядочная направленность, поэтому вне воздействия внешнего поля намагничивания итоговый магнитный момент ферромагнетика приближается к нулю. Посредством помещения металлической детали в магнитное поле переменного действия, сгенерированное переменным током, происходит циклическое перемагничивание ферромагнитного сердечника с частотой этого тока. Одновременно из-за внутреннего трения изменяют свое направление магнитные моменты доменов. В зависимости от величины индукции магнитного поля, действующего извне, ферромагнетик приобретает большую степень намагничивания. Когда значение индукции достигает определенной величины, происходит переориентирование доменов вдоль вектора направления поля.

Петля гистерезиса выражает взаимосвязь между магнитным потоком и переменным током. Она оказывает определенное влияние на возникновение потерь трансформаторных установок, функционирующих на холостом режиме.

При каждом цикле перемагничивания затрачивается некоторая работа, величина которой пропорциональна площади петли гистерезиса. Работа способствует тепловому нагреванию сердечника и вызывает дополнительные энергозатраты. Чтобы снизить потери прибора на гистерезис, магнитопроводы выполняют из специальной трансформаторной стали категории электротехническая. В проводниках, помещенных в область воздействия переменных магнитных полей, в стальном сердечнике преобразователя электроэнергии создаются вихревые токи (Фуко), которые замыкаются в металлическом магнитопроводе (стержне или броне), нагревают деталь и способствуют убыли энергии. Чтобы компенсировать силу действия вихревых токов, возникающих в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, для изготовления трансформаторных сердечников используют изолированные пластины стали, набранные определенным способом. Процессы, связанные с рассеиванием энергии в сердечнике агрегата, образуются областью магнитного потока, которая замыкается через воздух вблизи витков обмотки. Побочные потери силового устройства вызывает активное сопротивление катушек, возникающее в результате нагрева проводника под действием токов. Поэтому для сокращения энергопотерь трансформаторные обмотки выполняют из меди. Важно! Чтобы снизить затраты мощности в сердечнике, используют магнитомягкий материал с высокой магнитопроницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Потери в меди сокращают увеличением сечения проводников катушек. Для компенсации действия вихревых токов магнитопровод набирают из электроизолированных пластин, а сталь специально легируют кремнием.

Электрические

Нагрев катушек трансформатора током вызывает снижение мощности. Такие затраты в среднем на электросеть составляют 5% от общего количества потребляемой энергии. Величина электрических потерь зависит от следующих факторов:

· нагрузки энергосистемы;

· конфигурации, длины, размера сечения внутренних сетей;

· текущего режима работы узла;

· коэффициента мощности системы в средневзвешенном значении;

· схемы расположения компенсирующих устройств.

На переменную величину потерь мощности электроэнергии влияет показатель квадрата тока в контурах обмотки. При подаче нагрузки на трансформатор электромагнитная мощность из первичной обмотки поступает на вторичную катушку. По второму контуру проходит ток I₂, вместе с ним в первом контуре образуется ток I₁, значение которого находится в прямой зависимости от силы нагрузки I₂. Происходит убыль электрической мощности, величина которой определяется пропорционально квадратам токов обоих катушек и рассчитывается по формуле:

Р_НАГР = I²₁ * r₁ + I²₂ * r₂, где

I₁ и I₂ - нагрузочные токи цепи;

r₁ и r₂ - сопротивления проводников обмоток.

Закономерной представляется зависимость потерь Р_НАГР от требуемой конечному потребителю величины мощности энергии. Имеют место колебания нагрузочных затрат в конкретном временном интервале, поэтому электрические потери в обмотках различны в пределах суток, являются величинами непостоянными и «привязаны» к режимам нагрузки.

Дополнительные

Добавочные затраты мощности электроэнергии возникают не только в катушках и магнитопроводе, но и в других элементах конструкции трансформатора - в стенках охлаждающего бака для отведения теплопотерь, ярмовых балках, не содержащих витков обмотки, прессующих кольцах.

Мощности

Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, не выходящие за пределы обмотки, называют вихревыми. Если токи из-за рассеивания образуются между параллельно расположенными витками или электроизолированными стальными пластинами в сердечнике, их называют циркулирующими. Они сцепляются не со всей областью обмотки, а только с некоторыми витками. Преимущественно возникают в среде, не обладающей свойствами намагничивания, - масло, воздух. Направление побочных потоков проходит перпендикулярно основному току в катушках и магнитопроводе, приводит к добавочному снижению эффективности работы трансформатора.

Для реальных токов характерно неравномерное распределение в системе, поэтому их величины определяются как суммарное значение трех токов:

· нагрузочного - ток равномерно распределяется по сечению проводника и между его витками;

· циркулирующего - ток замыкается внутри контура параллельных витков;

· вихревого - ток замыкается в пределах каждого из проводов.

Суммирование значений этих токов позволяет рассчитать реальные затраты энергии в обмотках трансформатора:

?Р = Р₀ + Р_НАГР + Р_ДОБ

На основании потерь холостого хода, нагрузочных и дополнительных затрат, определяют общие энергопотери трансформаторного узла.

КПД

Убыль энергии в силовом агрегате складывается из магнитных потерь, возникающих в магнитопроводе, и электрических, образующихся в обмотках трансформатора. КПД вычисляют как соотношение затрат энергии и полезной мощности. Для расчетов используют значения:

· активной мощности Р₁, получаемой от источника питания;

· активной мощности Р₂, передаваемой конечному потребителю;

· электрических потерь ДP_ЭЛ, возникающих в обмотках трансформатора;

· магнитных потерь ДР_М, которые образуются в сердечнике;

· побочных затрат энергии ДР_ДОП, возникающих в других элементах конструкции и составляющих в среднем до 10% всех потерь.

Для расчета ДP_ЭЛ применяют формулу:

ДP_ЭЛ = ДP_ЭЛ.НОМ * в₂,

а значение ДР_М вычисляют по выражению:

ДР_М = ДР_Г + ДР_ВТ,

где ДР_Г - затраты на гистерезис;

ДР_ВТ - потери в результате действия вихревых токов.

КПД вычисляют по формуле:

? = Р₂ / Р₁ = Р₂ / (Р₂ + ДР_М + ДP_ЭЛ),

где ? принимается равным 0 при холостом режиме работы трансформатора, а его мощность тратится на компенсацию магнитных потерь.

При расчете КПД учитываются побочные энергозатраты, возникающие не в магнитопроводе и обмотке, а в остальных элементах силового агрегата.

Внимание! Косвенный метод вычисления КПД путем раздельной оценки потерь подходит для промышленного применения.

Способ непосредственных измерений экономически нецелесообразный, поэтому используется для маломощных трансформаторов.

Нагрузочные

Дополнительные потери активной мощности статического электромагнитного оборудования также возникают в результате несимметрии токов, что вызвано включением в системы электроснабжения потребителей, искажающих качество электроэнергии. Даже при изменении ее качества в допустимых нормативных диапазонах, наблюдается снижение эффективности работы электрооборудования. Поэтому требуется количественная оценка ущерба, причиненного отклонением показателей качества энергии. В многофазных трансформаторах на характер протекающих процессов не влияет порядок чередования фаз, но несимметричные нагрузки приводят к убыли активной мощности. Несимметрия входных напряжений вызывает несимметрию выходных напряжений, что обусловлено протеканием токов обратной последовательности. Побочные потери определяются по формуле:

ДР_ДОП = К²_2U (ДР_ХХ + ДР_КЗ / U²_КЗ), где

ДР_ХХ и ДР_КЗ - соответственно потери на холостом ходе и при замыкании накоротко;

U_КЗ - напряжение короткого замыкания.

Выражение используют при известных номинальных значениях, указанных в паспортных данных оборудования. В противном случае пользуются формулой расчета:

ДР_ДОП = k`_ТР * К²_2U * S_НОМ,

где

k`_ТР - коэффициент, рассчитываемый из значения мощности и назначения силового агрегата, принимается равным 2,67 для устройств 6-10 кВ и 0,5 для оборудования на 35-220 кВ;

S_НОМ - соответствует полной номинальной мощности прибора.

Согласно ГОСТу, максимальные значение коэффициента несимметрии нагрузки K_2U по обратной последовательности не должны превышать 2% на протяжении 95% недельного временного интервала или быть выше 4% в течение 100% времени, ограниченного сроком в одну неделю. При проведении вычислений по обеим формулам разница полученных значений ДР_ДОП может достигать 50%. Поэтому в каждом конкретном случае расчет дополнительных потерь проводят на основании данных о трансформаторах и величине искажения режима работы - несимметричности нагрузки.

Как рассчитать

На практике используют два основных способа вычисления потерь электромагнитного оборудования, для которых применяют технические характеристики трансформаторов. Министерством энергетики РФ рекомендовано в отчетном периоде рассчитывать потери нагрузки на основе схемы энергосети:

ДW_Hj= K_К *ДР_СР * Т_J * K²_Ф, где

ДР_СР - средние потери мощности, кВт;

K²_Ф - коэффициент формы графика;

K_К - уточняющий параметр (0,99);

Т_J - длительность расчетного периода.

Если графика нагрузки нет, K²_Ф = (1+2К_З) / 3К_З), а при отсутствии информации о коэффициенте заполнения графика, К_З = 0,5.

Для двухобмоточных

Чтобы выполнить вычисления, нужно пользоваться техническими (каталожными) параметрами трансформатора, к которым относится:

· номинальная мощность;

· потери холостого хода;

· затраты при замыкании накоротко.