Ztráty transformátorů: Definice, výpočet a vzorec
Transformátor je zařízení, které je určeno k transformaci elektrické energie ze sítě. Tato instalace má dvě nebo více vinutí. Transformátory mohou během svého provozu transformovat frekvenci a napětí proudu a také počet fází sítě.
Při provádění zadaných funkcí jsou v transformátoru pozorovány výkonové ztráty. Ovlivňují počáteční množství elektřiny, které zařízení vyrobí na výstupu. Jaké jsou ztráty a účinnost transformátoru, bude diskutováno dále.
- 1 Zařízení
- 2 Koncept ztrát
- 2.1 Magnetické ztráty
- 2.2 Elektrické ztráty
- 4.1 Výpočet pro třívinuté transformátory
Zařízení
Transformátor je statické zařízení. Jezdí na elektřinu. Konstrukce neobsahuje žádné pohyblivé části. Zvýšení nákladů na energii z mechanických důvodů je proto vyloučeno.
Při provozu energetického zařízení se náklady na elektřinu v mimopracovní době zvyšují. To je způsobeno nárůstem aktivních ztrát naprázdno v oceli. V tomto případě je pozorováno snížení jmenovitého zatížení se zvýšením jalové energie. Energetické ztráty, které jsou určeny v transformátoru, se označují jako činný výkon. Objevují se v magnetickém pohonu, na vinutích a dalších součástech jednotky.
Koncept ztrát
Když je jednotka v provozu, část energie je dodávána do primárního okruhu. Rozptýlí se v systému. Proto je výkon dodávaný do zátěže určen na nižší úrovni. Rozdíl je v celkovém snížení výkonu v transformátoru.
Existují dva typy důvodů, proč se spotřeba energie u zařízení zvyšuje. Ovlivňují je různé faktory. Jsou rozděleny do následujících typů:
- Magnetický.
- Elektrický.
Měly by být chápány tak, aby bylo možné snížit elektrické ztráty ve výkonovém transformátoru.
Magnetické ztráty
V prvním případě se ztráty v oceli magnetického pohonu skládají z vířivých proudů a hystereze. Jsou přímo úměrné hmotnosti jádra a jeho magnetické indukci. Tuto charakteristiku ovlivňuje samotná žehlička, ze které je magnetický pohon vyroben. Proto je jádro vyrobeno z elektrooceli. Desky jsou vyrobeny tenké. Mezi nimi je vrstva izolace.
Frekvence proudu také ovlivňuje snížení výkonu transformátorového zařízení. Jak se zvyšuje, zvyšují se také magnetické ztráty. Tento indikátor není ovlivněn změnami zatížení zařízení.
Elektrické ztráty
Pokles výkonu lze detekovat ve vinutích, když jsou zahřívána proudem. V sítích takové náklady tvoří 4-7 % z celkového množství spotřebované energie. Závisí na několika faktorech. Patří sem:
- Elektrické zatížení systému.
- Konfigurace vnitřních sítí, jejich délka a velikost průřezu.
- Pracovní režim.
- Průměrný vážený účiník systému.
- Umístění kompenzačních zařízení.
Výkonové ztráty v transformátorech jsou proměnlivé. Je ovlivněna druhou mocninou proudu v obvodech.
Způsob výpočtu
Ztráty v transformátorech lze vypočítat pomocí specifické metody. K tomu bude nutné získat řadu počátečních charakteristik provozu transformátoru. Níže uvedená technika je aplikována na odrůdy se dvěma vinutími. Chcete-li provést měření, musíte získat následující údaje:
- Jmenovitý výkon systému (NM).
- Ztráty jsou určeny při volnoběžných otáčkách (IS) a jmenovitém zatížení.
- Ztráty nakrátko (SCL).
- Množství energie spotřebované za daný čas (PE).
- Celkový počet odpracovaných hodin za měsíc (čtvrtletí) (THO).
- Počet odpracovaných hodin na úrovni nominálního zatížení (NL).
Po obdržení těchto dat je změřen účiník (úhel cos φ). Pokud v soustavě není měřič jalového výkonu, zohledňuje se při výpočtu jeho kompenzace tg φ. Za tímto účelem se měří tangens úhlu dielektrické ztráty. Tato hodnota je převedena na účiník.
Výpočetní vzorec
Faktor zatížení v předložené metodě bude určen podle následujícího vzorce:
K = Ea/NM*OC*cos φ, kde Ea je množství aktivní elektrické energie.
Ztráty, které vzniknou v transformátoru během zatěžovací periody, lze vypočítat zavedenou metodikou. Vzorec použitý k tomu je:
P = XX * OCH * PKZ * K² * LF.
Výpočet pro třívinuté transformátory
Výše uvedená technika se používá k hodnocení výkonu dvouvinutých transformátorů. U zařízení se třemi okruhy je nutné počítat s řadou dalších údajů. Jsou uvedeny výrobcem v pasu.
Výpočet zahrnuje jmenovitý výkon každého obvodu a také jejich zkratové ztráty. V tomto případě bude výpočet proveden podle následujícího vzorce:
E = ESN + ENN, kde E je skutečné množství elektřiny, které prošlo všemi obvody; ESN – elektrická energie vysokonapěťového okruhu; ENN – elektřina nízkého napětí.
Příklad výpočtu
Pro snazší pochopení předložené metodiky je nutné zvážit výpočet na konkrétním příkladu. Například je nutné zjistit nárůst spotřeby energie u výkonového transformátoru 630 kVA. Je jednodušší prezentovat původní data ve formě tabulky.
Označení opis Hodnota NN Jmenovité napětí, kV 6 Ea Spotřeba činné elektřiny za měsíc, kWh 37106 NM Jmenovitý výkon, kVA 630 PKZ Zkratové ztráty transformátoru, kW 7,6 XX Ztráty naprázdno, kW 1,31 OC Počet hodin odpracovaných pod zátěží, h 720 cos phi Účiník 0,9 Na základě získaných dat lze provést výpočet. Výsledek měření bude následující:
% ztráty je 0,001. Jejich celkový počet je 0,492 %.
Měření účinnosti
Při výpočtu ztrát se zjišťuje i ukazatel účinnosti. Ukazuje poměr výkonu aktivního typu na vstupu a výstupu. Tento ukazatel se vypočítá pro uzavřený systém pomocí následujícího vzorce:
Účinnost = M1/M2, kde M1 a M2 jsou činný výkon transformátoru, určený měřením na vstupních a výstupních obvodech.
Výkon se vypočítá vynásobením jmenovitého výkonu instalace účiníkem (kosinus úhlu j na druhou). Je zohledněno ve výše uvedeném vzorci.
U transformátorů 630 kVA, 1000 kVA a dalších zařízení s vysokým výkonem může být účinnost 0,98 nebo dokonce 0,99. Ukazuje, jak efektivně jednotka funguje. Čím vyšší je účinnost, tím úspornější je spotřeba energie. V tomto případě budou náklady na energii při provozu zařízení minimální.
Po zvážení způsobu výpočtu výkonových ztrát transformátoru, zkratů a stavu naprázdno je možné určit hospodárnost zařízení a také jeho účinnost. Metoda výpočtu zahrnuje použití speciální kalkulačky nebo provedení výpočtu ve speciálním počítačovém programu.
Ztráta výkonu transformátoru se dělí na ztrátu železa a ztrátu mědi, ztráta železa se také nazývá ztráta naprázdno, je to jeho pevná ztráta, je to ztráta generovaná jádrem (také známá jako ztráta jádra a ztráta mědi se také nazývá ztráta zatížení).
- Vzorec pro výpočet ztrát transformátoru
(1) Ztráta činného výkonu: δ P = P0+KTβ2PK
(2) Ztráta jalového výkonu: δ Q = Q0+KTβ2QK
(3) Celková ztráta výkonu: δ PZ = δ P+KQ δ Q
Q0 — ztráta jalového výkonu naprázdno (KVAR)
P0 — ztráta naprázdno (kW)
PK — Jmenovitá ztráta zatížení (kW)
SN – jmenovitá kapacita transformátoru (kVA)
I0% — procento proudu transformátoru naprázdno.
UK % — procento zkratového napětí
β — Průměrný faktor zatížení
KT — ztrátový koeficient kolísání zatížení
QK – jmenovitý výkon magnetického úniku (KVAR)
KQ — Ekonomický ekvivalent jalového výkonu (kW/kvar)
Při výpočtu podle výše uvedeného vzorce jsou podmínky pro výběr každého parametru následující: (1) KT = 1,05
(2) S minimálním zatížením snižovacího transformátoru 6 kV ~ 10 kV městské energetické sítě a energetické sítě průmyslového podniku je jeho ekvivalentní jalový výkon KQ = 0,1 kW/kVAr;
(3) průměrný činitel zatížení transformátoru pro zemědělský transformátor může být β = 20 %; Pro průmyslové podniky pracující ve třísměnném provozu je žádoucí β = 75 %;
(4) provozní doba transformátoru T = 8760 hodin, maximální doba ztráty zátěže: T = 5500 hodin;
(5) ztráty transformátoru naprázdno P0, ztráty při jmenovité zátěži PK, I0%, UK %
2, ztrátové charakteristiky transformátoru
P0 — ztráty naprázdno, zejména ztráty v železe, včetně ztrát hysterezí a ztrát vířivými proudy;
Ztráta hystereze je úměrná frekvenci; Úměrné druhé mocnině hysterezního koeficientu maximální hustoty toku.
Ztráty vířivými proudy jsou úměrné součinu frekvence, maximální hustoty toku a tloušťky plechu z křemíkové oceli.
PC – zátěžové ztráty, v podstatě zatěžovací proud procházející vinutím ve ztrátovém odporu, běžně známý jako ztráty v mědi. Jeho velikost závisí na zatěžovacím proudu a je úměrná druhé mocnině zatěžovacího proudu; (vyjádřeno ve standardních hodnotách převodu teploty cívky).
Ztráty zátěže jsou také ovlivněny teplotou transformátoru a únik toku způsobený proudem zátěže má za následek ztráty vířivými proudy ve vinutí a parazitní ztráty v kovové části mimo vinutí.
Celkové ztráty transformátoru δ P=P0+PC Ztrátový faktor transformátoru =PC/P0
Účinnost transformátoru = PZ/ (PZ+ δ P), vyjádřená v procentech; PZ — výstupní výkon sekundárního vinutí transformátoru.
3. Výpočet proměnných ztrát elektrické energie
Ztráty elektrické energie v transformátoru se skládají ze ztrát železa a ztrát mědi. Ztráty železa souvisí s dobou provozu, ztráty mědí s velikostí zátěže. Energetické ztráty by se proto měly počítat samostatně.
1, výpočet ztrátového výkonu železa: různé typy a ztrátový výkon železa, výpočetní vzorec: ztrátový výkon železa (kWh) = ztráta naprázdno (kW) × doba napájení (hodiny)
2, výpočet ztráty výkonu mědi: když je úroveň zatížení 40 % nebo nižší, podle celkové měsíční spotřeby elektřiny (odečtu elektroměru) 2 %, vzorec pro výpočet je: ztráta výkonu mědi (kW) = měsíční spotřeba elektřiny (kW). ) × 2 %
4, bez ztráty zatížení, ztráta zatížení, výpočet impedance napětí
Ztráty naprázdno: Když je sekundární vinutí transformátoru otevřený obvod a na primární vinutí je aplikováno jmenovité napětí sinusového průběhu jmenovité frekvence, spotřebovaný činný výkon se nazývá ztráty naprázdno. Algoritmus je následující: ztráty naprázdno = ztrátový koeficient naprázdno x jednotkové ztráty x jádro.
Ztráty zátěže: Když je sekundární vinutí transformátoru zkratováno (ustálený stav), činný výkon spotřebovaný jmenovitým proudem primárního vinutí se nazývá ztráty zátěže.
Algoritmus je následující: ztráty zatížení = ztráty odporu největšího páru vinutí + dodatečné ztráty
Dodatečné ztráty = ztráty vířivými proudy ve vinutí + ztráty cirkulací paralelního drátu vinutí + ztráty rozptylem + ztráty ve svorkách
Impedanční napětí: při zkratu sekundárního vinutí transformátoru (ustálený stav) se jmenovitý proud protékající primárním vinutím a přiložené napětí nazývá impedanční napětí Uz. Obvykle se Uz vyjadřuje jako procento jmenovitého napětí, tzn. Uz = (Uz/U1n)*100 %
