Потери мощности и КПД трансформатора

В отличие от электродвигателей и ряда других приемников электрической энергии трансформаторы нормируются не по активной, а по полной мощности. Это обусловлено тем, что размеры трансформатора при заданной частоте определяются в основном двумя величинами – номинальным напряжением и номинальным током. Номинальный, то есть допустимый по нагреву ток, определяется сечением проводов обмоток трансформатора. От напряжения, приходящегося на один виток обмотки, зависит магнитный поток, а следовательно и размеры магнитопровода. Поэтому основной паспортной величиной трансформатора является его номинальная полная мощность .

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями на нагрев и сердечника и обмоток. Баланс мощностей для трансформатора имеет вид:

, (5.29)

где , - потери в меди обмоток, - потери в стали (сердечнике) на вихревые токи и на перемагничивание сердечника (гистерезис).

Потери в стали определяются значением потока и частотой и не зависят от нагрузки, так как при неизменном напряжении на первичной обмотке и частоте амплитуда магнитного потока практически постоянна. Поэтому потери в стали являются постоянными потерями. Их можно измерить в опыте холостого хода трансформатора, т.е. они равны активной мощности, потребляемой трансформатором на холостом ходу - .

Потери в меди обмоток зависят от протекающих по обмоткам токов:

. (5.30)

Из этого выражения вытекает, что потери в меди при номинальной нагрузке равны активной мощности в опыте короткого замыкания - .

КПД трансформатора определяется из выражения:

. (5.31)

КПД трансформатора обычно очень высок (0.9 – 0.995) и относительная разность величин и сравнима с погрешностью приборов. Поэтому измерение КПД трансформатора производится расчетным путем, по данным опытов холостого хода и короткого замыкания ( и ). Причем вычисление КПД можно произвести при любой нагрузке трансформатора. Для этого мощность потерь в меди обмоток необходимо представить в виде:

, (5.32)

где - коэффициент нагрузки трансформатора. В этом случае выражение для КПД примет вид:

. (5.33)

Выражение (5.33) имеет максимум при , то есть когда переменные потери в меди равны постоянным потерям в стали сердечника. На рисунке 5.8 показан график изменения КПД трансформатора от коэффициента нагрузки. Трансформаторы конструируются таким образом, чтобы максимум КПД приходился на наиболее вероятную нагрузку . Номинальное значение КПД немного ниже максимального значения.

Рисунок 5.8 - График изменения КПД трансформатора

от коэффициента нагрузки