Потери, КПД трансформатора. Номинальные величины
В отличие от электрических машин в трансформаторе нег вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. В трансформаторе имеются только тепловые потери в проводах" обмоток и в стали магнитопровода.
Действительно, мы видели, что в режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность расходовалась только на покрытие потерь в первичной обмотке и в стали магнитопровода. Причем потери в стали постоянны — они существуют при любой нагрузке трансформатора, так как зависят от основного магнитного потока Фо. А мы установили, что поток Фо остается постоянным, как бы не менялась нагрузка (токи /1 и /2) трансформатора.
Потери в обмотках непостоянны. Они пропорциональны квадрату тока и сопротивлению проводов обмоток:
Естественно, что изменение нагрузки сказывается на потерях. Если трансформатор работает с нагрузкой 70%, то потери в его обмотках составят только 0,72 = 0,49 от расчетных. А если учесть, что в течение суток потребность в электроэнергии неодинакова (осветительная нагрузка, работа станков в разных сменах и т. п.), то станет очевидным, что нагрузочные потери (т. е. потери, зависящие от тока в обмотках) могут резко колебаться.
В то же время потери в стали при неизменном первичном напряжении постоянны, и если мы говорим об уменьшении потерь в трансформаторе, то в первую очередь это касается потерь в стали магнитопровода.
Для уменьшения потерь в стали существуют два пути. Первый путь — снижение величины магнитного потока Фо (или индукции В). Его использовать невыгодно, так как для создания тех же ЭДС потребовалось бы увеличить число витков в обмотках, т. е. расходовать дополнительные материалы. Следовательно, правильнее использовать второй путь —не уменьшать величину магнитного потока, а применять такие специальные стали, которые бы имели повышенное сопротивление (для уменьшения вихревых токов) и пониженные потери на перемагничивание. Большое значение имеет выполнение магнитопроводов из тонких изолированных пластин стали, что резко уменьшает потери от вихревых токов.
Для применяющихся в настоящее время специальных электротехнических сталей (горячекатаной и холоднокатаной) большую роль играет технологическая обработка. Эти стали заметно снижают свои положительные качества при ударах, наклепе и других механических повреждениях. Поэтому потери в собранноммагнитопроводе трансформатора на 15—20% и более превышают потери в стали до начала ее механической обработки.
Благодаря отсутствию вращающихся частей и применению специальных материалов для изготовления главных частей (медь и алюминий — для обмоток, специальные стали — для магнитопровода) коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформаторов довольно высок и составляет для разных типов от 80 до 99%.
Числовое значение к. п. д. трансформатора определяется формулой
где —полезная мощность трансформатора, от
даваемая им во внешнюю цепь с зажимов вторичной обмотки;
мощность, потребляемая (первичной обмоткой;
потери в трансформаторе.
Полезная мощность трансформатора, как это видно из формулы P2=U2l2os ф2, зависит не только от величины, но и от характера нагрузки (активная, смешанная), т. е. от величины cos ф (в рассмотренном нами случае cos ф2 равен 1, так как нагрузка вторичной обмотки — чисто активная).
Однако вследствие того, что при выпуске трансформатора с завода значение cos ф приемников неизвестно, в таблице паспортных данных трансформатора всегда указывается полная (или кажущаяся) мощность трансформатора в киловольт-амперах, т. е.
где U2 и h — номинальные (т. е. указанные в паспортных данных расчетные значения) напряжения и тока вторичной обмотки.
Если учесть высокий к. п. д. трансформатора и пренебречь на этом основании его потерями, то для полных мощностей первичной и вторичной обмоток можно написать:
