Что значит кпд в строительстве

Вы используете устаревший браузер. Этот и другие сайты могут отображаться в нём некорректно.
Необходимо обновить браузер или попробовать использовать другой.

Применяется для приклеивания декоративных элементов из керамики, камня или других минеральных материалов к нагревающимся поверхностям. Рекомендована для кладки, облицовки, шпатлевки, затирки и ремонта печей, котлов, каминов и заделки трещин на дымоходах. Мастика устойчива к воздействию воды и температуры до +1300°C. Отличная адгезия, высокая эластичность, удобство применения, низкий расход.

Источник: www.forumhouse.ru

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η = Wпол/Wcyм.

Коэффициент полезного действия (КПД)

В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты (См. Механический эквивалент теплоты), и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной (См. Безразмерные величины).

Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутреннего сгорания — 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%. Кпд процесса Фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы (См.Хлорелла) он достигает 20—25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики (См.

Второе начало термодинамики) кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса (См. Круговой процесс)), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает Карно цикл.

Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты.

Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов (См. Тепловой насос)) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд η = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

Лит.: Артоболевский И. И., Теория механизмов и машин, 2 изд., М.— Л., 1952; Общая теплотехника, под ред. С. Я. Корницкого и Я. М. Рубинштейна, 2 изд., М.— Л., 1952; Общая электротехника, М.— Л.,1951; Вукалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 4 изд., М., 1968.

Источник: slovaronline.com

КПД твердотопливного котла и способы его увеличения

Перед выбором и покупкой стоит произвести правильный расчет КПД котла и уточнить все его параметры и факторы, которые повлияют на его работу и объем вырабатываемого тепла.

• 1 Что такое КПД котла и какие процессы влияют на его величину
• 2 Как рассчитать КПД
• 3 Как увеличить КПД газового котла
• 4 Газовые котлы с самым высоким КПД

КПД-брутто и КПД-нетто

Не всё выработанное при сгорании топлива тепло направляется на нагрев теплоносителя, определенная часть расходуется на собственные нужды котлоагрегата: турбина, вентилятор или дымосос, циркуляционный насос, работа автоматики и электронного дисплея, работа электропривода (как вы уже поняли, в расчете используются все виды получаемой энергии, в том числе и электроэнергия, если котел энергозависимый).

С учетом этого принято разделять эффективность котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и отпущенной теплоте (КПД-нетто).

Такая классификация позволяет выделить степень технического совершенства котла – КПД-брутто или экономичность расхода топлива и электроэнергии – КПД-нетто.

Как рассчитать КПД котла отопления

Рассчитать значения можно несколькими способами. В европейских странах расчет КПД котла отопления принято производить по температуре отходящих газов (метод прямого баланса), то есть зная разницу между температурой окружающей среды и реальной температурой отходящих через дымоход газов. Формула довольно проста:

ηбр = (Q1/Qir) 100%, где

• ηбр (читается «эта») – КПД котла «брутто»;
• Q1 (МДж/кг) – к-во тепла, которое удалось аккумулировать, т.е. использовать в целях обогрева дома.
• Qir(МДж/кг) – общее количество тепла, выделяемое при сжигании топлива;

Например, если Q1 = 19 МДж/кг, Qir = 22 МДж/кг, то КПД «брутто» = (19/22)*100 = 86,3%. Все замеры проводятся при уже установившемся, стандартном режиме работы котла.

Метод прямого баланса не учитывает теплопотери самого котлоагрегата, недожог топлива, отклонения в работе и прочие особенности, поэтому был придуман принципиально другой, более точный способ расчета – «метод обратного баланса». Используется уравнение:

ηбр = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), где

• q2 – потери тепла с уходящими газами;
• q3 – потери тепла вследствие химического недожога горючих газов (применимо к газовым котлам);
• q4 – потери тепловой энергии с механическим недожогом;
• q5 – теплопотери от наружного охлаждения (через тепплообменник и корпус);
• q6 – потери тепла с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.

КПД «нетто» котла отопления согласно методу обратного баланса:

ηнетто = ηбр — Qс.н, где

• Qс.н – общий расход тепловой и электрической энергии на собственные нужды в % выражении.

Реальный КПД практически всегда будет отличаться от заявленного производителем, поскольку зависит от правильности монтажа котла и отопительной системы, системы дымоудаления, качества электроснабжения и т.д. Измеряется он, соответственно, уже на месте.

Какова зависимость между КПД котла и нагрузкой

На первый взгляд может показаться, что чем больше топлива сжигается, тем лучше работает котел. Однако это не совсем так. Зависимость КПД котла от нагрузки проявляется как раз наоборот. Чем больше топлива сжигается, тем больше выделяется тепловой энергии. При этом возрастает и уровень теплопотерь, поскольку в дымовую трубу уходят сильно разогретые дымовые газы.

Следовательно, топливо расходуется неэффективно.

Похожим образом ситуация развивается и в тех случаях, когда отопительный котел работает на пониженной мощности. Если она не дотягивает до рекомендуемых значений более чем на 15 %, топливо не будет сгорать полностью, а количество дымовых газов возрастет. В результате, КПД котла довольно сильно упадет. Вот почему стоит придерживаться рекомендуемых уровней мощности работы котла – они рассчитаны для эксплуатации оборудования максимально эффективно.

От чего зависит тепловая эффективность котлоагрегатов

Принцип действия классического напольного газового атмосферника.
Коэффициент полезного действия отопительных котлов равен не при любой мощности, существует пропорциональная зависимость от нагрузки: увеличение тепловой нагрузки (к-ва сжигаемого топлива) увеличивает и теплопотери через корпус или дымоход. Так же точно эксплуатация на минимальной мощности не всегда обеспечивает полноценное сгорание топлива, что приводит к снижению КПД.

Например, в сервисной инструкции к газовым котлам Protherm Волк KSO мощностью 12,5 кВт и 16,0 кВт указано, что при работе на максимальной мощности (12,8 кВт и 16,3 кВт соответственно) КПД равен 92,5 %, в то время как при работе с минимальной нагрузкой (4,5 кВт и 5,8 кВт) – снизится и составит всего 78,4 %.

Это одна из основных причин, почему стоит осознанно подходить к выбору мощности котлоагрегата. Наиболее оптимальная работа в большинстве моделей достигается при нагрузке в диапазоне 60-90% от максимальной мощности.

В остальном коэффициент полезного действия зависит исключительно от технологического совершенства модели, направленного на снижение вышеописанных q2-6 (снижение температуры отходящих газов, эффективное сжигание топлива, модулируемые горелки, теплоизоляция и т.д.), а также от качества обслуживания и эксплуатации котлоагрегата. Чистота теплоносителя, регулярная чистка и промывка – все это со временем серьезно влияет на КПД.

Как выбрать комнатный термостат и экономить до 30% в месяц на отоплении

Факторы, от которых зависит КПД котлов

Котлы с высоким значением КПД на сегодняшний день представлены следующей отопительной техникой:

• агрегаты, работающие на угле и на другом твердом ископаемом топливе;
• пеллетные котлы;
• аппараты пиролизного типа.

КПД нагревательных приборов, в топку которых идет антрацит, каменный уголь и торфяные брикеты, составляет в среднем 70-80%. Значительно больший коэффициент полезного действия у пеллетных устройств – до 85%. Загружаемые гранулами, нагревательные котлы этого типа отличаются высокой эффективностью, выдаваемые во время горения топлива огромное количество тепловой энергии.

На заметку: одной загрузки вполне достаточно для работы аппарата на оптимальных режимах до 12-14 часов.

Абсолютный лидер среди твердотопливного отопительного оборудования – пиролизный котел. В этих приборах используется дрова или отходы древесины. КПД такой техники сегодня составляет 85% и более. Агрегаты так же относятся к высокоэффективным устройствам длительного горения, но при соблюдении необходимого условия — влажность топлива не должна превышать 20%.

Немаловажным для значения коэффициента полезного действия является тип материала, из которого изготовлен отопительный прибор. Сегодня на рынке представлены модели твердотопливных котлов, выполненных из стали и из чугуна.

Для справки: К первым относятся стальные изделия. Для снижения рыночной стоимости агрегата, компании – производители используют основные элементы конструкции, выполненные из стали. Например, теплообменник изготавливается из высокопрочной жароустойчивой черной стали толщиной 2-5 мм. Таким же образом изготавливаются нагревательные трубчатые элементы, используемые для нагрева основного контура.

Чем толще сталь, используемая в конструкции, тем выше теплообменные характеристики оборудования. Соответственно растет коэффициент полезного действия.

В аппаратах из стали увеличение КПД достигается за счет установки специальных внутренних перегородок в виде труб – ступеней основного потока и рассекателей дыма. Меры вынужденные и частичные, позволяющие незначительно повысить эффективность основного устройства. Среди моделей стальных твердотопливных котлов редко можно встретить приборы, имеющие КПД выше 75%. Сроки эксплуатации таких изделий составляют 10-15 лет.

Зарубежные компании с целью повышения КПД стальных отопительных котлов используют в своих моделях процесс нижнего сжигания, с 2-мя или с 3-мя тяговыми потоками. В конструкции изделий предусмотрена установка трубчатых нагревательных элементов для улучшения теплообмена. Подобная техника имеет КПД в пределах 75-80%, и прослужить может дольше, в 1,5 раза.

В отличие от стальных агрегатов, большей эффективностью обладают чугунные твердотопливные аппараты.

В конструкции чугунных агрегатов используются теплообменники, изготовленные из чугунного сплава особой марки, обладающего высокой теплоотдачей. Такие котлы чаще всего используются для открытых отопительных систем отопления. Изделия дополнительно оснащаются колосниками, благодаря которым осуществляется интенсивный отбор тепловой энергии непосредственно от горящего топлива, размещенного на колосниках.

КПД у таких нагревательных приборов составляет 80%. Следует учитывать огромные по времени сроки эксплуатации чугунных котлов. Срок работоспособности у подобной техники составляет 30-40 лет.

Значения современных котлов в зависимости от вида топлива

*С точки зрения физики КПД не может превышать 100%: больше тепловой энергии, чем выделяется при сжигании топлива получить невозможно. Однако все зависит от того, как считать. Есть два определения:

• низшая теплота сгорания – тепло, полученное при сгорании топлива, когда продукты сгорания просто удаляются через дымоход;
• высшая теплота сгорания – теплота с учетом в том числе и энергии, содержащиеся в водяном паре – одном из продуктов сгорания горючих газов.

Газовые конденсационные котлы дополнительно аккумулируют и тепловую энергию конденсата, образующегося из продуктов сгорания газа и оседающего на дополнительном теплообменнике. Таким образом, существенная часть тепла не «вылетает в трубу», а температура отходящих газов практически равна атмосферной.

Устройство простого конденсационного одноконтурного газового котла.

Согласно действующим нормам, как в России, так и в Европе, КПД отопительных котлов рассчитывается по низшей удельной теплоте сгорания, поэтому учет дополнительного тепла, извлекаемого из конденсата, приводит к значениям более 100%. При расчете по высшей теплоте сгорания КПД конденсационных газовых котлов равен 96-98% в зависимости от модели и типа монтажа: у настенных котлов КПД обычно выше, чем у напольных (это относится ко всем газовым котлоагрегатам).

Также из таблицы можно заметить, что средний КПД твердотопливных котлов также отличается в зависимости от используемого топлива, связанно это со степень сжигания топлива, его теплоотдачей, температурой горения и теплопотерями с физическим теплом шлаков, удаляемых из топочной камеры. Даже один и тот же твердотопливный котел может выдавать разный КПД при работе на разных видах топлива.

Как увеличить КПД газового котла

Повысить эффективность сжигания топлива вмешательством в техническое устройство котла практически невозможно, тот же слой теплоизоляции установить не получится в виду банальной непредусмотренности производителем места под него. Кроме того, делать это своими руками запрещено. Тем не менее есть способы увеличить КПД газового котла, особенно, если это несовершенная модель старого образца:

1. Готовый экономайзер для дымохода – заменяет определенный отрезок дымохода и предназначен для аккумуляции тепла отходящих через дымоход газов (некая имитация конденсационных котлов). Однако нужно точно посчитать параметры экономайзера и требования к дымоходу, чтобы сохранить необходимую тягу и предотвратить обратную тягу, например, при сильном ветре. Цена вопроса – 1 700-2 500 руб.

Сэндвич-сетка экономайзер для трубы дымохода.

Остальные же методы заключаются в правильных пуско-наладочных работах, которые проводятся единожды, при первом запуске котла, исключительно специалистами. При правильной изначальной настройке обеспечивается КПД, гарантируемый производителем. Важно понимать, что повысить этот показатель вмешательством в техническое устройство самого котла невозможно, и уж тем более – не безопасно.

Химический недожог как источник теплопотерь

Показатель q3 используется при расчете КПД газового котла отопления, например, или в тех случаях, когда топливом служит мазут. Для газовых котлов значение q3 составляет 0,1-0,2 %. При незначительном избытке воздуха при горении этот показатель равен 0,15 %, а при существенном переизбытке воздуха его не принимают в расчет вовсе. Однако при сжигании смеси из газов различной температуры значение q3=0,4-0,5 %.

Если же отопительное оборудование работает на твердом топливе, в расчет принимают показатель q4. В частности, для угля антрацита значение q4=4-6 %, полуантрациту характерно 3-4 % теплопотерь, а вот при сгорании каменного угля образуется всего 1,5-2 % потерь тепла. При жидком шлакоудалении сжигаемого малореакционного угля значение q4 можно считать минимальным. А вот при удалении шлака в твердом виде теплопотери возрастут до максимальной границы.

Источник: sivstroi.ru

Определение кпд трансформатора

В отличие от электрических машин, трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому он не имеет и механических потерь при работе. К потерям, имеющим место при работе трансформатора, относятся потери на гистерезис (в результате постоянного циклического перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на нагревание проводов обмоток. Других потерь в трансформаторе практически нет.

Коэффициент полезного действия трансформатора – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой

где – мощность, потребляемая из сети, мощность, отдаваемая нагрузке.

Таким образом, для практического определения КПД трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку (рис. 3-10). Тогда (поток рассеяния невелик) и мощность может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенным во вторичную цепь. Такой метод

определения КПД получил название метода непосредственных измерений. Этот метод весьма прост, но имеет два существенных недостатка: мала точность и неэкономичен. Малая точность обусловлена тем, что КПД трансформаторов очень высок (до 99% и выше) и в некоторых случаях (особенно у трансформаторов большой мощности) мощности мало отличаются, поэтому незначительные ошибки в показаниях приборов повлекут за собой значительные искажения результата вычисления КПД.

Неэкономичность этого способа состоит в большом расходе электроэнергии за время испытания, так как трансформаторы приходится нагружать до номинальных мощностей. Поэтому метод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для трансформаторов малой мощности с небольшим КПД (например, в учебной практике).

На практике КПД трансформаторов определяют косвенным методом, т. е. путем раздельного определения потерь, исходя из того, что КПД трансформатора можно представить так:

где потери в стали (в сердечнике) и потери в меди (в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

Для определения потерь обычно пользуются двумя опытами – опытом холостого хода и опытом короткого замыкания.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют разомкнутой, определяют потери в стали трансформатора, т. е. потери на гистерезис и на вихревые токи (рис. 3-11). Эти потери зависят от частоты тока и от значения магнитиого потока.

Так как частота тока постоянна (50 Гц), а магнитный поток при номинальном напряжении на первичной обмотке также практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали – для него величина постоянная. Таким образом, можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в первичную цепь. Правда, при этом не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток незначителен и потери от него также незначительны. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода .

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко,

а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение (в школьной практике, например, от РНШ), при котором токи в обмотках не превышают их номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора (рис. 3-12). В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замыкания.

Следовательно, ваттметр, включенный в первичную цепь трансформатора в опыте короткого замыкания, покажет мощность, соответствующую потерям в меди

Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д), как и в других мощных устройствах, является одним из важнейших
параметров. КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности переменного тока, потребляемой нагрузкой к
активной мощности, потребляемой от электросети. Формула определения кпд записывается следующим образом:

(1)
где P
c — потери в сердечнике трансформатора (динамические и статические);
— потери в его обмотках;
— активное сопротивление всех обмоток трансформатора, приведённое к вторичной цепи.

В реальных условиях трансформатор может работать не только в номинальном режиме. Для оценки степени его загрузки
по току используется коэффициент загрузки , где I
2Н —
номинальный выходной ток трансформатора. Тогда ток вторичной обмотки можно записать следующим образом:

I
2 = βI
2Н

После подстановки этого выражения в формулу (1), выражение для вычисления кпд трансформатроы принимает следующий вид:

Потери в сердечнике трансформатора P
c не зависят от выходного тока I
2 , а значит и от коэффициента
загрузки β
. Их можно назвать потерями холостого хода. Если исследовать выражение (5) на экстремум по β
,
то КПД трансформатора будет иметь максимум η = η max
при P
c ≈ P
обм.
При этом коэффициент загрузки β
ОПТ = 0,5 … 0,6. Зависимость потерь в сердечнике трансформатора, его обмотках
и КПД от β
приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Зависимость КПД трансформатора от коэффициента загрузки β

Потери в обмотках согласно закону Ома пропорциональны квадрату тока и коэффициента загрузки. При постоянном потребляемом
токе, что обычно выполняется в маломощных силовых трансформаторах задаемся номинальным током нагрузки (β
= 1). В
мощных трансформаторах, где ток нагрузки обычно изменяется во времени значение коэффициента загрузки выбирается
β
≈ β
ОПТ, что соответствует наименьшим потерям. Крутизна этой зависимости невысокая,
максимум выражен слабо и, поэтому, условие P
c ≈ P
обм не является строгим. Для иллюстрации
приведём типовые значения КПД и коэффициента мощности χ на частоте 50 Гц для маломощных трансформаторов. Эта зависимость
показана на рисунке 2 .

— это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, которые превращают параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, количество фаз. Возможно также использование трансформаторов для преобразования синусоидального переменного тока в несинусоидальный.

Преимущественное использование в электрических устройствах получили силовые трансформаторы
, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы преобразования не только напряжения переменного тока, но и для частоты, количества фаз и т.д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.

Силовые трансформаторы широко используются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к потребителям, а также в различных электроустановках для получения напряжения требуемой величины.

В этой главе рассматриваются силовые трансформаторы (для сокращения мы их будем называть трансформаторами) небольшой мощности (не более нескольких киловольт-ампер), получившие наибольшее применение в блоках электропитания устройств автоматики, вычислительной техники, в измерительных приборах, связи.

Трансформаторы делятся, в зависимости от:

— Количества фаз преобразовательной напряжения на однофазные и многофазные (как правило трехфазные);

— Количества обмоток, принадлежащих одной фазе трансформирующей напряжения на двохобмоточни и многообмоточные;

— Метода охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) и масляные (погружены в металлический объем, заполненный трансформаторным маслом).

Рис.2.1.1. Электромагнитная схема однофазного двохобмоточного трансформатора

Рассмотрим однофазный двух обмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двух обмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток — первичная — подключается к источнику переменного тока с напряжением U 1 и частотой f (рис.2.1.1). Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МРС, которая приводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Запершись в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцируется соответственно в первичной w 1 и вторичной w 2 обмотках ЭДС:

е 1 = w 1 dФ / dt; (2.1.1)

е 2 = w 2 dФ / dt. (2.1.2)

Если магнитный поток трансформатора — синусоидальная функция времени Ф = Ф max sinwt, что меняется с угловой частотой w = 2pf, то после подстановки его в (2.1.1) и (2.1.2), дифференцировки и преобразования, получим истинное значение ЭДС первичной и вторичной обмоток:

Е 1 = 4,44 fw 1 Ф max; (2.1.3)

Е 2 = 4,44 fw 2 Ф max. (2.1.4)

В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки Е 2 = U 20, а ЭДС первичной обмотки настолько незначительно отличается от первичного напряжения, что этой разницей можно пренебречь: Е 1 »U 1.

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) до ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации k. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равна отношению напряжений:

k = Е 1 / Е 2 = w 1 / w 2 »U 1 / U 20. (2.1.5)

Если w 2w 1 и U 2> U 1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.

Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку
сопротивлением Z н, то в обмотке появится ток нагрузки I 2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U 2 на ток нагрузки I 2. С некоторым приближением можно принять мощность на входе и выходе трансформатора одинаковыми, то есть U 1 I 1 »U 2 I 2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:

I 1 / I 2 »U 2 / U 1″ 1 / k. (2.1.6)

Таким образом, ток в обмотке низшего напряжения больше тока в обмотке высокого напряжения в k раз.

Если на выводе вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением r н, то, так как мощности на входе Р 1 = и 1 2 r н ¢ и выходе Р 2 = И 2 февраля r н трансформатора примерно одинаковые, из уравнения

И 1 2 r н ¢ »И 2 r н (2.1.7)

определим сопротивление нагрузки, измеренное на выводах первичной обмотки:

r н ¢ »r н и 2 2 / I 1 2» r н k 2, (2.1.8)

т.е. он изменится в k 2 раз по сравнению с сопротивлением r н.

Это свойство трансформаторов используется в межкаскадных трансформаторах для согласования входного сопротивления какого-либо каскада (блока) с выходным сопротивлением предыдущего каскада (блока).

Трансформатор является аппаратом переменного тока.

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока
, то магнитный поток в магнитопроводе этого трансформатора окажется постоянным как по величине, так и по направлению, т.е. dФ / dt = 0. Такой поток не будет индуцировать ЭДС в обмотках трансформатора выключит передачу электроэнергии по первичной во вторичную. Кроме этого, отсутствие ЭДС в первичной обмотке трансформатора приведет к возникновению в ней тока недопустимо большой величины, следствием чего будет выход из строя этого трансформатора.

Трансформаторы. Потери и КПД трансформатора

В процессе работы трансформатора под нагрузкой часть активной мощности Р 1, поступает в первичную обмотку из сети, рассеивается в трансформаторе на покрытие потерь. В результате активная мощность Р 2, поступающей в нагрузку, оказывается меньше мощности Р 1 на величину суммарных потерь в трансформаторе åР:

В трансформаторе существует два вида потерь — магнитные и электрические.

Магнитные потери Р м в стальном магнитопроводе, по которому замыкается магнитный поток Ф max , Состоят из расходов на гизтерезис Р г, вихревые токи Р вх:

Р г = Р г + Р вх. (2.1.23)

Магнитные потери прямо пропорциональны массе магнитопровода и квадрату магнитной индукции в нем. Они также зависят от свойств стали, из которой изготовлен магнитопровод. Уменьшению потерь на гизтерезис способствует изготовления магнитопровода из ферромагнитных материалов (электротехнической стали), владеющие небольшим коерцетивною силой (узкой петлей гизтерезису). Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготавливают шихтованной (из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки) или витым из стальной ленты. Магнитные потери зависят также и от частоты переменного тока с повышением частоты f магнитные потери повышаются за счет потерь на гизтерезис Р г и вихревые токи Р вх.

Ранее было установлено, что главный магнитный поток в магнитопроводе не зависит от нагрузки трансформатора [см.. (2.1.17)], поэтому при изменениях нагрузки магнитные потери остаются практически неизменными.

Электрические потери — это потери в обмотках трансформатора обусловлены нагревом обмоток токами, проходящими по ним.

Р е = Р е 1 + Р е 2 = и 1 2 r 1 + I 2 февраля r 2. (2.1.24)

Электрические потери являются переменными, так как их величина пропорциональна квадрату тока в обмотках. Электрические потери при любом токе нагрузки и 2 трансформатора, Вт,

Р е = Р е. Ном b 2, (2.1.25)

где Р е.ном — электрические потери при номинальном токе нагрузки; b = I 2 / И 2ном — коэффициент нагрузки, характеризует степень нагрузки трансформатора.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора представляет собой отношение активных мощностей на его выходе Р 2 и входе Р 1:

h = P 2 / P 1 = P 2 / (P 2 + P м + Р е). (2.1.26)

Активная мощность на выходе трансформатора, Вт,

Р 2 = S ном b cos j 2, (2.1.27)

где S ном — номинальная мощность трансформатора, В × А; cos j 2 — коэффициент мощности нагрузки.

Учитывая (2.1.25), (2.1.26) и (2.1.27), получим формулу КПД трансформатора, удобную для практических расчетов:

h = (S ном b сos j 2) / (S ном b сos j 2 + P м + Р е.ном b 2). (2.1.28)

Рис.2.1.4. Зависимость h = f (b) при cosj 2 = 1 (график 1) и cosj 2

Таким образом, КПД трансформаторов
зависит от величины нагрузки b и от ее характера соs j 2. Графически эта зависимость показана на рис.2.1.4. Максимальное значение КПД h max соответствует нагрузке b ¢, при котором электрические потери равны магнитным (Р е.ном b ¢ 2 = Р м).

Номинальное значение КПД h ном тем выше, чем больше номинальная мощность трансформатора S ном.

h ном = 0,70 ¸ 0,85 при S ном £ 100 В × А

h ном = 0,90 ¸ 0,95 при S ном £ 10 k В × А.

В более мощных трансформаторов КПД может достигать h ном = 0,98 ¸ 0.99.

2.1.5. Исследование холостого хода и короткого замыкания

Исследование холостого хода проводят в следующей последовательности: первичную обмотку включают в источник на номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой. При этом ток в первичной обмотке I 0, а во вторичной обмотке I 2 = 0 (рис.2.1.5, а).

Рис.2.1.5. Схемы включения однофазных трансформаторов при опытах

холостого хода (а) и короткого замыкания (б)

Амперметр А в первичной цепи позволяет определить ток холостого хода I 0, который принято измерять в процентах от номинального тока и 1ном в первичной обмотке:

и 0 = (I 0 / I 1ном) 100. (2.1.29)

В трансформаторах большой и средней мощности и 0 = (2 ¸ 10)%, а в трансформаторах малой мощности (менее 200-300 В × А) может достигать 40% и более.

Ток холостого хода I 0 вместе с реактивной составляющей, которая приводит в магнитопроводе главный магнитный поток, имеет активную составляющую и 0на, обусловленная магнитными потерями в магнитопроводе трансформатора.
Использование качественных электротехнических сталей с небольшими удельными потерями способствует уменьшению активной составляющей тока холостого хода до значения, не превышает 10%, т.е. И 0а £ 0,1 и 0. Результирующий ток холостого хода, А.

Если ток холостого хода I 0, полученный опытным путем, намного превышает значение, указанное в каталоге на исследуемый тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности трансформатора: наличие короткозамкнутых витков в обмотках, нарушение электрической изоляции между некоторыми пластинами (полосами) магнитопровода.

При исследовании холостого хода U 20 = Е 2 и U 1 »E 1, поэтому, используя показатели вольтметров V 1 и V 2, можно с необходимой точностью определить коэффициент трансформации k = U 1 / U 20.

Ваттметром W в первичной цепи трансформатора измеряют мощность Р 0, используется трансформатором в режиме холостого хода. В трансформаторах мощностью 200-300 В × А электрические потери в первичной обмотке вследствие небольшой величины тока I 0 небольшие, поэтому считаем мощность холостого хода равной магнитным потерям, т.е. Р 0 = Р м (див.2.1.4).

Исследование короткого замыкания выполняют следующим образом. Вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко
(рис.2.1.5, б), а к первичной обмотке подводят пониженную напряжение короткого замыкания U 1 = U к, при котором ток короткого замыкания в первичной обмотке равен номинальному значению, есть и 1к = И 1ном. Напряжение короткого замыкания принято выражать в процентах от номинального напряжения U 1ном:

u к = (U к / U 1ном) 100 (2.1.31)

Как правило u к = (5 ¸ 12)%.

Магнитный поток Ф max пропорционален напряжению U 1 [см.. (2.1.18)], но, так как напряжение короткого замыкания не превышает 5-12% от U 1ном, то для создания главного магнитного потока при опыте короткого замыкания требуется столь малая величина намагничивающего тока, что ею можно пренебречь. Исходя из этого, принято считать магнитные потери при опыте короткого замыкания равны нулю, а используемую мощность короткого замыкания Р к равной мощности электрических потерь трансформатора (див.2.1.4) при номинальной нагрузке трансформатора (Р к = Р е.ном).

Коэффициент мощности при опыте короткого замыкания

cos j к = Р к / (U к И 1ном). (2.1.32)

Таким образом, исследование холостого хода и короткого замыкания позволяют экспериментально определить ряд важных параметров трансформатора: I 0, Р 0 = Р м, u к, Р к = Р е.ном, используя которые за (2.1.28) можно определить КПД трансформатора.

Преобразование активной мощности

Р1 – поступающая мощность из сети ();

Рэ1 – потери электрические на нагрев ;

Рмг – магнитные потери ();

Рк ном – мощность КЗ при номинальных токах.

Рэм = Р1 – Рэл1 – Рмг,

Рэ2 – электрические потери во вторичной цепи ().

Полезная мощность Р2:

Рэл2, Рэлг – зависят от нагрузки (I2);

Рмг – не зависит от нагрузки (I2).

Отношение активной мощности Р 2 на выходе трансформатор к активной мощности Р
1 на его входе называется коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора:

η = (Р 2 /Р 1)∙100%. (3)

В общем случае КПД трансформатора зависит от режима его работы. При номинальных значениях напряжения U
l = U
l ном и тока I
1 = I
1ном первичной обмотки трансформатора и коэффициенте мощности электроприемника cos φ 2 > 0,8 КПД очень высок и у мощных трансформаторов превышает 99 %. По этой причине прямое определение КПД трансформатора по формуле (3), основанное на непосредственном измерении мощностей Р
1 и Р 2 , практически не применяется, так как приводит к значительным погрешностям. Для получения удовлетворительных результатов мощности Р
1 и Р
2 должны измеряться стакой высокой точностью, какую обеспечить очень трудно.

Относительно проще и точнее можно определить КПД методом, основанном на прямом измерении мощности потерь в трансформаторе. С учетом того, что мощность потерь ΔР
= Р
1 – Р
2 ,КПД трансформатора можно представить в виде

Как было отмечено ранее, мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе Р
с и в проводах обмоток Р
пр. При номинальных значениях первичного напряжения U
1 = U
l ном и тока 1
1 = 1
1ном мощности потерь в магнитопроводе и проводах обмоток практически равны активным мощностям, которые трансформатор потребляет в опыте холостого хода и короткого замыкания, соответственно. Точное измерение этих мощностей связано с меньшими трудностями и вполне доступно.

Построим
зависимость КПД от нагрузки. При β= 0 полезная мощность и КПД равны нулю.
С увеличением отдаваемой мощности КПД
увеличивается, так как уменьшается
удельное значение магнитных потерь в
стали, имеющих постоянное значение. Принекотором значении (β опт кривая КПД достигает максимума, после
чего начинает уменьшаться с увеличением
нагрузки. Причиной этого является
сильное увеличение электрических потерь
в обмотках, возрастающих пропорционально
квадрату тока.

45. При
каком условии КПД трансформатора
максимален?

Максимальное
КПД в трансформаторах большой мощности
достигает весьма высоких пределов
(0,98…0,99).

β опт,
при котором КПД имеет максимальное
значение, можно определить, взяв первую
производнуюdη
/
dβ

по формуле и приравняв ее нулю. КПДимеет максимум когда электрические
потери в обмотках равны магнитным
потерям в стали.

46.
Оптимальный коэффициент нагрузки, при
котором КПД трансформатора максимален.
Формула.

47. Какие
схемы соединения обмоток применяются
в 3-х фазных трансформаторах?

Трехфазные
трансформаторы могут быть соединены
по схемам «звезда», «звезда с выведенной
нулевой точкой», «треугольник» или
«зигзаг с выведенной нулевой точкой».

48. В чем
особенность соединения «зигзаг»?

Особенностью
схемы “зигзаг” является то, что
каждую фазу обмотки разделяют на две
равные части (полуфазы), которые
располагают на разных стержнях
магнитопровода и соединяют между собой
последовательно и встречно
. ЭДС фазы
обмотки, соединенной в “зигзаг”,
равна геометрической разности ЭДС
полуфаз, которые сдвинуты на 120 º .
Поэтому для достижения равенства фазных
ЭДС обмотки, соединенной по схеме
“звезда”, и обмотки, соединенной
по схеме “зигзаг”, число витков
последней должно быть увеличено в
2/(3) 1/2 ~ 1,15 раза. Это является
недостатком схемы “зигзаг”, так
как при таком соединении увеличивается
расход обмоточного провода.

49. В каких трансформаторах применяется соединение обмоток «зигзаг»?

Первичная
и вторичная обмотки трехфазных
трансформаторов могут быть соединены
по схемам «звезда», «звезда с выведенной
нулевой точкой», «треугольник» или
«зигзаг с выведенной нулевой точкой».

Схема
соединения зигзаг

Каждая
фаза состоит из 2ух одинаковых катушек,
размещенных на разных стержнях и
соединенных между собой встречно так,
чтобы векторы индуцируемых в них ЭДС
вычитались.

50. Группа соединения трансформатора. Определение.

Из
лекций

– ГРУППЫ СОЕДИНЕНИЙ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы
делят на группы в зависимости от сдвига
по фазе между линейными напряжениями,
измеренными на одноименных зажимах.

Однофазные
трансформаторы.
В них напряжения первич­ной и вторичной
обмоток могут совпадать по фазе или
быть сдвинутыми на 180 о

Группы
соединений обозна­чают целыми числами
от
0
до
11.
Номер
группы определяют величиной угла,
на
который вектор линейного напряжения
обмотки НН от­стает от вектора
линей­ного напряжения обмотки ВН. Для
определения номера группы этот угол
следует разделить на 30°.

Для
однофазных трансформаторов возможны
только две группы соединений: нулевая
и шестая.

В
за­висимости от схемы соединения
обмоток (У и Д)
и
порядка соединения их начал и концов
получаются различные углы сдвига фаз
между линейными напряжениями.

При
соединении обмотки НН по схеме Z н,
а обмотки ВН по схеме У фазные напряжения
обмотки НН сдвинуты относительно
соответствующих фазных напряжений
обмотки ВН на угол 330°, т. е. при таком
соединении имеем одиннадцатую группу.
Это объясняется тем, что между векторами
линейных напряжений имеется такой же
угол.

Из
инета
–
Определение группы соединения трехфазных
трансформаторов

Группа
соединения трансформатора характеризует
сдвиг по фазе между векторами линейных
напряжений первичной и вторичной
обмоток. Группу соединения принято
выражать числом, полученным от деления
на 30 угла (в градусах), на который отстает
вектор вторичного напряжения от
соответствующего вектора первичного
напряжения.

Источник: hobby-delo.com