При длительной эксплуатации любого типа электрооборудования возникают потери, и силовые трансформаторы не являются исключением. Потери в силовых трансформаторах в основном делятся на потери в меди и в железе.
Потеря меди
Определение и принцип:
Медь играет важную роль в трансформаторах. Обмотки трансформаторов обычно изготавливаются из медных проводников, и так называемые "потери в меди" относятся к потерям, создаваемым этими медными проводниками. Потери в меди также известны как потери в нагрузке, которые являются переменными потерями, изменяющимися в зависимости от нагрузки. Например, когда понижающий трансформатор работает под нагрузкой, по проводникам протекает ток, а сопротивление в проводниках приводит к потере мощности.
Согласно закону Джоуля, сопротивление выделяет тепло, когда по нему протекает ток, и чем больше ток, тем выше потери мощности. Следовательно, потери в сопротивлении пропорциональны квадрату тока и не связаны с напряжением. Поскольку они зависят от тока, потери в меди (или потери в нагрузке) являются переменными потерями и являются основным источником потерь при работе трансформатора.
Влияющие факторы:
Величина тока: Потери в меди пропорциональны квадрату тока, поэтому величина тока является ключевым фактором, влияющим на ток.
Сопротивление обмотки: сопротивление обмоток напрямую влияет на потери в меди. Более высокое сопротивление приводит к более высоким потерям в меди.
Количество слоев катушки: Чем больше слоев, тем больше длина пути тока в обмотке, что увеличивает сопротивление и, следовательно, потери в меди.
Частота переключения: Влияние частоты переключения на потери в меди напрямую связано с распределенными параметрами трансформатора и характеристиками нагрузки. При наличии обеих индуктивных характеристик потери в меди уменьшаются с увеличением частоты переключения; при наличии обеих емкостных характеристик потери в меди увеличиваются с увеличением частоты переключения.
Влияние температуры: Температура трансформатора также влияет на потери в нагрузке. Кроме того, поток утечки, вызванный током нагрузки, вызывает потери на вихревые токи в обмотках и случайные потери в близлежащих металлических деталях.
Методы расчета:
Существуют две формулы:
Основанные на номинальном токе и сопротивлении:
Потери в меди (в кВт) = I2 × Rc × Δt
, где I - номинальный ток трансформатора, Rc - сопротивление медного проводника, а Δt - время работы трансформатора.
На основе номинального тока и общего сопротивления меди:
Потери в меди = I2 × R
, где I - номинальный ток трансформатора, а R - общее сопротивление меди, рассчитанное как:
R = (R1 + R2) / 2
где R1 - сопротивление меди на первичной стороне, а R2 - сопротивление меди на вторичной стороне.
Способы снижения потерь меди:
Увеличьте площадь поперечного сечения обмоток трансформатора: это снижает сопротивление проводников и эффективно снижает потери меди.
Используйте высококачественные материалы для проводников: использование таких материалов, как медь или алюминиевая фольга, помогает снизить сопротивление обмотки.
Сокращение времени работы трансформатора при малой нагрузке: Ограничение доли времени работы трансформатора при малой нагрузке помогает снизить потери меди.
Потери железа
Определение и принцип:
В отличие от потерь в меди, потери в железе не связаны с обмотками или величиной тока. Как следует из названия, потери в железе связаны с сердечником трансформатора и также известны как потери холостого хода, поскольку они происходят независимо от того, полностью ли загружен трансформатор или работает без нагрузки.
Таким образом, это считается постоянной потерей. Однако при нагрузке потери мощности могут уменьшаться по мере уменьшения напряженности электрического поля.
Классификация:
Потеря гистерезиса: Принцип действия трансформатора основан на электромагнитной индукции для преобразования напряжения и тока.
Магнитный поток внутри трансформатора протекает через железный сердечник, который обладает магнитным сопротивлением, подобным тому, как проводники сопротивляются электрическому току, и выделяет тепло. Этот тип потерь известен как гистерезисные потери.
Потери на вихревые токи: Когда первичная обмотка трансформатора находится под напряжением, магнитный поток, генерируемый катушкой, протекает через железный сердечник.
Поскольку сам сердечник также является проводником, в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, индуцируется электродвижущая сила, образующая замкнутый контур тока в поперечном сечении железного сердечника, известный как вихревой ток.
Потери, вызванные этим вихревым током, называются потерями на вихревые токи. Чтобы уменьшить их, сердечник изготовлен из тонких ламинированных листов, поскольку более тонкие листы обладают большим сопротивлением и, следовательно, меньшими токами.
Влияющие факторы:
Рабочее напряжение и частота: Потери железа связаны с рабочим напряжением и частотой трансформатора, поскольку они влияют на напряженность магнитного поля и гистерезис в сердечнике.
Материал сердечника: Гистерезисные характеристики материала сердечника влияют на величину потерь железа. Неправильный выбор материалов приведет к увеличению потерь на гистерезис.
Производственный процесс: Производственный процесс также влияет на потери железа. Например, метод ламинирования сердечника и обработка изоляции влияют на общий уровень потерь.
Методы расчета:
На основе номинального тока, гистерезиса и потери сопротивления:
Потери в железе (в кВА) = I2 × (Rm + Ra)
где I - номинальный ток, Rm - потери на гистерезис в сердечнике, а Ra - потери на сопротивление сердечника.
На основе констант, плотности магнитного потока и рабочей частоты:
Потери в железе (P_iron) = Kf × (Bm)2 × f
, где P_iron - потери в железе, Kf - постоянная величина, Bm - плотность магнитного потока, а f - рабочая частота трансформатора.
Методы снижения потерь железа:
Используйте высококачественные материалы сердечника: выбор материалов сердечника с низкими потерями на гистерезис может эффективно снизить потери железа.
Оптимизируйте производственные процессы: Усовершенствованные методы ламинирования, изоляционной обработки и другие технологии производства могут снизить потери железа.
Рациональная конструкция: На этапе проектирования оптимизация конструкции и выбор соответствующих параметров помогают снизить потери железа.
