Коэффициент полезного действия трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора можно определить в соответствии с формулой:

Коэффициент полезного действия современных трансформаторов, особенно повышенной мощности, весьма высок, достигает значений 0,95 - 0,996, и процентная разница величин Р₂ и Р₁ сравнима с погрешностью измерительных приборов, используемых для измерения мощностей Р₂, Р₁ и мощностей потерь. Поэтому определение КПД трансформатора рекомендуется проводить расчетным путем, пользуясь паспортными данными трансформатора.

Рассмотрим каждую из составляющих мощности Р₁ в отдельности:

P₁=P₂+P_ЭЛ+P_M

Активная мощность нагрузки на вторичной стороне может быть определена по формуле:

Подставляя полученные выражения для составляющих мощностей трансформатора в исходную формулу для КПД, окончательно получим:

Выведенное уравнение определяет зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки. При отсутствии нагрузки () КПД также равен нулю, так как в режиме холостого хода сохраняются неизменными лишь потери в сердечнике. При очень большой нагрузке () КПД стремится к нулю, так как потери в обмотках растут пропорционально квадратам токов. Следовательно, функция имеет максимум, который нетрудно определить, решив уравнение:

откуда

КПД трансформатора достигает максимального значения, когда

Рк_ном = Ро_ном,

т.е. когда постоянные потери в стали (Ро ном = const) становятся равными переменным потерям в меди

Р_эл = Рк_ном.

Для силовых трансформаторов отношение Ро / Pк имеет порядок 0,3 - 0,5, и коэффициент о,соответствующий максимуму КПД, выбирается именно равным 0,5 - 0,7, так как в условиях эксплуатации, когда нагрузка непрерывно колеблется, среднее значение мощности, проходящей через трансформатор, составляет (0,5 - 0,7) Р_ном.

При повышении номинальной мощности трансформатора потери в нем растут почти пропорционально четвертой степени линейных размеров, а поверхность охлаждения - пропорционально кубу их. Если принять, что у трансформаторов различной мощности КПД сохраняется неизменным, то потери считают пропорциональными номинальной мощности Sном. Поэтому проблемы отвода тепла от обмоток и магнитопровода, а также снижения удельных потерь становятся с ростом мощности все более острыми.

У трансформаторов номинальной мощности порядка десятков тысяч кВА каждая сотая доля процента КПД соответствует нескольким киловаттам тепловой энергии, выделяющимся внутри бака. Так, например, в трансформаторе мощностью Sном = 40000 кВА при полной нагрузке выделяется такое же количество тепла, как и при работе 1000 бытовых электроплиток(!). Поскольку трансформаторы средней и большой мощности играют в настоящее время основную роль в энергоснабжении предприятий и населения, то, как

видно, эффективное решение проблем отвода тепла и снижения потерь является весьма важным для экономики.

При нагрузке трансформатора источниками тепла являются сердечник и обмотки. В установившемся режиме работы образуется конвекционный поток теплого воздуха, направленный от внутренних частей к наружным, которые соприкасаются с окружающей средой.

В мощных силовых трансформаторах сердечник с обмотками погружается в бак с минеральным маслом. В баке устанавливается конвекционный процесс передачи тепла маслом от сильно нагретых частей к стенкам.

При небольших мощностях (до 25 кВА) не требуется особых охлаждающих устройств, поэтому трансформаторы помещают в гладкие баки, теплоотдача происходит через их стенки. В более мощных трансформаторах для увеличения охлаждающей поверхности применяют трубчатые баки. В трансформаторах большой мощности (более 1800 кВА) трубы объединяют группами в специальные радиаторы. Применяют также искусственное водомасляное и воздушномасляное охлаждение, обдув радиаторов специальными вентиляторами.

Следует отметить, что у мощных трансформаторов максимум КПД выражен сравнительно слабо, т.е. он сохраняет достаточно высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4 < < 1,5). При уменьшении cos КПД снижается, так как возрастают токи I₁ и I₂, при которых трансформатор будет иметь заданную мощность.