Потери в трансформаторе и способы борьбы с ними

Использование трансформаторов связано с неизбежными потерями электрической энергии, которые желательно свести к минимуму. Различают два вида потерь в трансформаторе: потери на нагревание обмоток при прохождении по ним переменного электрического тока, получившие название потери в меди (Р_м— мощность потерь в меди), и потери в стальном сердечнике, связанные с гистерезисом и вихревыми токами, получившие название потери в стали — мощность потерь в стали). На последних потерях остановимся подробнее.

Переменный магнитный поток, созданный намагничивающими силами первичной и вторичной обмоток w₂i₂), вызывает циклическое перемагничивание сердечника. Оно осуществляется по динамической петле перемагничивания. Потери энергии за один цикл перемагничивания пропорциональны площади петли. На рисунке 3.6.1 приведены кривые перемагничивания, снятые при разных значениях напряжения, подведенного к трансформатору (а — при более высоком напряжении).

Рис. 3.6.1.

Рис. 3.6.2.

При малых частотах потери энергии обусловлены явлениями магнитного гистерезиса. Вихревые точки в этом случае малы, так как они пропорциональны ЭДС индукции, т. е. частоте. С увеличением частоты потери энергии при перемагничивании возрастают, и в сердечнике возникают значительные вихревые токи. На рисунке 3.6.2 приведены кривые перемагничивания (а) и (б), снятые при одном и том же значении напряжения, подведенном к трансформатору, но при разных значениях частоты f и/₂, причем /₂ >f. Для магнитной индукции выше 1 Тл потери в стали приближенно можно рассчитать по формуле:

где G — масса стали, кг; В_тах — максимальная магнитная индукция; а, — коэффициент потерь на гистерезис; <�г_вт— коэффициент потерь на вихревые токи.

Коэффициенты а_г и имеют различные значения в зависимости от сорта стали и зависят от частоты. Так как Ф_та1~ В_тал и В_тал по уравнению (3.5.5) пропорционален приложенному напряжению, то потери в стали пропорциональны квадрату приложенного напряжения.

Снижения потерь, обусловленных явлением магнитного гистерезиса, достигают применением магнитомягких материалов (малое значение задерживающего поля, большое значение индукции насыщения). Как отмечалось ранее, к таким ферромагнитным материалам относятся электротехнические стали, сплав пермалой и др.

Для снижения потерь от вихревых токов сердечники выполняют из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга (лаком, бумагой), и добавлением присадок кремния, увеличивающих удельное электрическое сопротивление пластин. С увеличением частоты толщину пластин сердечника уменьшают. Так, для частоты / = 50 Гц толщина пластин d = 0,35 мм; для частот звукового диапазона d- 0,10…0,03 мм. Для уменьшения потерь на вихревые токи в диапазоне радиотехнических частот (высокие частоты) в качестве сердечников применяют магнитодиэлектрические материалы — ферриты, карбонильное железо и др. Эти материалы обладают большим удельным сопротивлением.

Потери энергии в трансформаторе, определяющие его КПД, можно определить, осуществляя режимы холостого хода и короткого замыкания.