Кпд трансформатора: расчёт(формулы) и от чего зависит

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД — это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.

Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей — это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия

Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P₁ и P₂ согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P₁ и P₂ являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.

Если, например, истинные значения мощности P₁ = 1000 кВт и P₂ = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.

η = 950/1000 = 0,95

можно получить

или

Поэтому ГОСТ 25941-83, «Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия», предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь p_Σ.

Подставив в формулу (1) P₂ = P₁ — p_Σ, получим

(3)

Применив здесь подстановку P₁= P₂ + p_Σ, получим другой вид формулы:

(4)

Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P₁ и для генераторов P₂), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь p_Σ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже p_Σ определяется со значительно меньшей точностью, чем P₁ или P₂, при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.

Методика и порядок измерений

Идеальные условия можно рассматривать только в теории. Для корректной оценки замкнутой системы необходимо учитывать энергетические потери на выполнение необходимой работы. Ниже показано, как определить КПД механических силовых агрегатов с применением разных исходных данных.

Движению поршня в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания препятствует сила трения. Поступательно-возвратные движения в ходе стандартного цикла преобразуются во вращение вала с дополнительными потерями. Высокая температура не выполняет в данном случае полезные функции. Чтобы не допустить разрушения агрегата, необходимо поддерживать определенный тепловой режим. Приходится обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью помпы.

Понятно, что в подобном случае сделать общий КПД расчет с учетом каждого компонента конструкции непросто. Однако можно узнать в ходе эксперимента с высокой точностью, какое количество топлива (масса – m) придется затратить на 100 км пробега машины за соответствующее время (t). Далее нужно взять из сопроводительной документации (справочников) следующие данные:

мощность мотора – Рм;
удельную теплоту бензина – У.

В этом варианте для расчета КПД двигателя формула преобразуется следующим образом:

η = (Pм * t) / (У * m).

Для отображения результата в % итоговое значение умножают на 100.

Если мощность силового агрегата не известна, определять эффективность можно по массе авто (Mа). Измерять ее несложно с помощью промышленных весов (на станции техосмотра, элеваторе). В ходе эксперимента разгоняются с места до контрольной скорости (v). Массу топлива вычисляют по объему (переведенному из литров в м кв.), который умножают на плотность (справочная величина в кг на куб. м).

В этом случае КПД расчет находят по формуле:

η = (Mа * v2)/(2 * У * m).

Следует перевести предварительно скорость из км/час в м/с.

Проще измеряется эффективность электродвигателя с паспортной мощностью (P). Его подключают к источнику питания с известным напряжением (U). После выхода на стабильную частоту вращения фиксируют значение тока (I) в цепи. Далее применяют классическую формулу:

η = P/ (U * I).

Если сопроводительная документация отсутствует, технические параметры берут с официального сайта производителя. Однако и в этом случае следует понимать ограниченную точность подобных данных. В процессе эксплуатации характеристики могут ухудшиться за счет естественного износа. Погрешность увеличивается после длительной интенсивной эксплуатации, при подключении редуктора или другого переходного устройства.

Значительно улучшить точность можно с применением простой методики:

устанавливают на вал шкив с закрепленным тросом;
поднимают на контрольную высоту (h) груз c массой m;
секундомером фиксируют время (t) на выполнение этой работы;
мультиметром измеряют напряжение (U) и силу тока (I) на клеммах источника питания и в разрыве цепи, соответственно.

Для нахождения КПД в физике формула выглядит следующим образом:

η = (m * h * g)/(I * U * t),

где g – это гравитационная постоянная (9,80665).

Эффективность любого силового агрегата определяют по соотношению полезной работы к расходованной энергии. Чтобы корректно определять класс техники, пользуются переводом в проценты. Следует подчеркнуть, что значение больше 100% обозначает ошибку в расчетах. Создатель подобного агрегата станет «властелином мира», так как изобретет вечный двигатель.

Общие положения

Коэффициент полезного действия определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P₂ к потребляемой мощности P₁:

(1)

или в процентах

(2)

Современные электрические машины имеют высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.). Так, у машин постоянного тока мощностью 10 кВт к. п. д. составляет 83 – 87%, мощностью 100 кВт – 88 – 93% и мощностью 1000 кВт – 92 – 96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие к. п. д.; например, у двигателя постоянного тока мощностью 10 Вт к. п. д. 30 – 40%.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента полезного действия электрической машины от нагрузки

Кривая к. п. д. электрической машины η = f(P₂) сначала быстро растет с увеличением нагрузки, затем к. п. д. достигает максимального значения (обычно при нагрузке, близкой к номинальной) и при больших нагрузках уменьшается (рисунок 1). Последнее объясняется тем, что отдельные виды потерь (электрические I_а2r_а и добавочные) растут быстрее, чем полезная мощность.

Взаимосвязь полезной мощности и КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) – величина безразмерная, численно выражается в процентах. КПД обозначают буквой η.

Формула имеет вид:

η = А/Q,

где:

А – полезная работа (энергия);
Q – затраченная энергия.

По мере увеличения КПД в различных двигателях допустимо выстроить следующую линейку:

электродвигатель – до 98%;
ДВС – до 40%;
паровая турбина – до 30%.

Что касается мощности, КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, которую выдает источник. В любом случае η ≤ 1.

Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого

Получение максимальной энергии на выходе ИП

К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.

Максимальная энергия или мощность на выходе ИП может быть достигнута при согласовании сопротивления нагрузки Rн и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это значит, что Rн = R0. В этом случае КПД равен 50%. Это вполне приемлемо для малоточных цепей и радиотехнических устройств.

Однако этот вариант не подходит для электрических установок. Чтобы впустую не тратились большие мощности, режим эксплуатации генераторов, выпрямителей, трансформировав и электродвигателей таков, что к.п.д. приближается к 95% и выше.

График зависимости Рпол и η от тока в цепи

Достижение максимального КПД

Формула КПД источника тока имеет вид:

η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,

где:

Pн – мощность нагрузки;
Pобщ – общая мощность;
R – полное сопротивление цепи;
Rн – сопротивление нагрузки;
r – внутреннее сопротивление ИТ.

Как видно из графика, изображённого на рис. выше, мощность Pн с уменьшением тока в цепи стремится к нулю. КПД, в свою очередь, достигнет максимального значения, когда цепь будет разомкнута, и ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи станет равным нулю.

Если обратиться к элементарному тепловому двигателю, состоящему из поршня и цилиндра, то у него степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого мотора возможно в случае:

изначально высоких параметров: давления и температуры рабочего тела перед началом расширения;
приближения их значений к параметрам окружающей среды по окончании расширения.

Достижение ηmax доступно лишь при наиболее эффективном изменении давления рабочего компонента во вращательное движение вала.

К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.

Механическую работу, по сути, совершает только второй вид энергии. Это порождает целый ряд минусов тормозящих процесс повышения КПД:

некоторая часть давления уходит на внешнюю среду;
достижение максимального коэффициента полезного действия невозможно без увеличения процента использования энергии давления для преобразования в работу;
нельзя поднять КПД тепловых двигателей, не изменяя S поверхности приложения давления, и без удаления этой поверхности от точки вращения;
использование только газообразного рабочего тела не способствует повышению η тепловых двигателей.

Для достижения высокого коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно определяться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройства:

ввести в цикл расширения ещё одно рабочее тело с другими физическими свойствами;
наиболее полно перед расширением использовать оба вида энергии рабочего тела;
осуществлять генерацию добавочного рабочего тела прямо при расширении газообразного.

Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Постоянный электрический ток

Мощность ИТ и внутреннее сопротивление

Можно собрать последовательную схему, в которую войдут гальванический двухполюсник и сопротивление нагрузки. Двухполюсник, имеющий внутренний импеданс r и ЭДС – Е, отдаёт на внешнюю нагрузку R ток I. Задача цепи – питание электричеством активной нагрузки, выполняющей полезную работу. В качестве нагрузки может быть применена лампочка или обогреватель.

Простая схема для исследования зависимости Рполезн. от R

Рассматривая эту цепь, можно определиться с зависимостью полезной мощности от величины сопротивления. Для начала находят R-эквивалентное всей цепи.

Оно выглядит так:

Rэкв. = R + r.

Движение электричества в цепи находится по формуле:

I = E/(R + r).

В таком случае Р ЭДС на выходе составит Рвых. = E*I = E²/(R + r).

Далее можно найти Р, рассеиваемую при нагреве генератора из-за внутреннего сопротивления:

Pr = I² * r = E² * r/(R + r)².

На следующем этапе определяются с мощностью, отбираемой нагрузкой:

PR = I² * R = E² * R/(R + r)².

Общая Р на выходе двухполюсника будет равна сумме:

Рвых. = Рr + PR.

Это значит, что потери энергии изначально происходят при рассеивании на импедансе (внутреннем сопротивлении) двухполюсника.

Далее, чтобы увидеть, при какой величине нагрузки достигается максимальная величина полезной мощности Рполезн., строят график.

При его рассмотрении видно, что самое большое значение мощности – в точке, где R и r сравнялись. Это точка согласования сопротивлений генератора и нагрузки.

Внимание! Когда R > r, то ток, возникающий в цепи, мал для передачи энергии нагрузке с достаточной скоростью. При R

Наиболее наглядный пример согласования можно увидеть в радиотехнике при согласовании выходного сопротивления УНЧ (усилителя низкой частоты) и звуковых динамиков. На выходе усилителя сопротивление находится в пределах от 4 до 8 Ом, в то время как Rвх динамика составляет 8 Ом. Устройство позволяет подключить к своему выходному каскаду, как один динамик на 8 Ом, так и параллельно два по 4 Ома. И в том, и в другом случае УНЧ будет работать в заданном режиме, без потерь мощности.

В процессе разработок тех или иных реальных источников тока пользуются представлением его в виде эквивалентного блока. В его состав входят два компонента, с которыми ведётся работа: это идеальный источник и его импеданс.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен . (9)

Из формулы (8) следует, что

, (10)

т.е. Р₁ изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при . Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

(11)

Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи ( I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Зависимость мощностей Р₁, Р_полн= EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.

Рис.1. IE/r

Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р₁, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.

Как проверить трансформатор мультимтером правильно

Не вникая в подробности, которые здесь ни к чему, заметим, что ЭДС, как и напряжение, определяется числом витков обмотки при прочих равных параметрах

Чем больше витков, тем выше значение ЭДС (или напряжения) обмотки. В большинстве случаев мы имеем дело с понижающими трансформаторами. На их первичную обмотку подают высокое напряжение 220 В (230 В по-новому ГОСТу), а со вторичной обмотки снимается низкое напряжение: 9 В, 12 В, 24 В и т.д. Соответственно и число витков также будет разным. В первом случае оно выше, а во втором ниже.

Также, не приводя обоснований, заметим, что мощности обоих обмоток всегда равны:

А так как мощность – это произведение тока i на напряжение u

S = u∙i,

Откуда получаем простое уравнение:

Последнее выражение имеет для нас большой практический интерес, который заключается в следующем. Для сохранения баланса мощностей первичной и вторичной обмоток при увеличении напряжения нужно снижать ток. Поэтому в обмотке с большим напряжением протекает меньший ток и наоборот. Проще говоря, поскольку в первичной обмотке напряжение выше, чем во вторичной, то ток в ней меньше, чем во вторичной. При этом сохраняется пропорция. Например, если напряжение выше в 10 раз, то ток ниже в те же 10 раз.

Отношение числа витков или отношение ЭДС первичной обмотки ко вторичной называют коэффициентом трансформации:

Из приведенного выше, мы можем сделать важнейший вывод, который поможет нам понять, как проверить трансформатор мультиметром.

Вывод заключается в следующем. Поскольку первичная обмотка трансформатора рассчитана на более высокое напряжение (220 В, 230 В) относительно вторичной (12 В, 24 В и т.д.), то она мотается большим числом витков. Но при этом в ней протекает меньший ток, поэтому применяется более тонкий провод большей длины. Отсюда следует, что первичная обмотка понижающего трансформатора обладает большим сопротивлением, чем вторичная.

Поэтому с помощью мультиметра уже можно определить, какие выводы являются выводами первичной обмотки, а какие вторичной, путем измерения и сравнения их сопротивлений.

Как определить обмотки трансформатора

Измерив сопротивление обмоток, мы узнали, как из них рассчитана на более высокое напряжение. Но мы еще не знаем, можно ли на нее подавать 220 В. Ведь более высокое напряжение еще на означает 220 В. Иногда попадаются трансформаторы, рассчитаны на работу от мети переменного тока 110 В и 127 В или меньшее значение. Поэтому если такой трансформатор включить в сеть 220 В, он попросту сгорит.

В таком случае опытные электрики поступают так. Берут лампу накаливания и последовательно соединяют с предполагаемой первичной обмоткой. Далее один вывод обмотки и вывод лампочки подключают в сеть 220 В. Если трансформатор рассчитан на 220 В, то лампа не засветится, так как приложенное напряжение 220 В полностью уравновешивается ЭДС самоиндукции обмотки. ЭДС и приложенное напряжение направлены встречно. Поэтому через лампу накаливания будет протекать небольшой ток – ток холостого хода трансформатора. Величина этого тока недостаточна для разогрева нити лампы накаливания. По этой причине лампа не светится.

Если лампа засветится даже в полнакала, то на такой трансформатор нельзя подавать 220 В; он не рассчитан на такое напряжение.

Очень часто можно встретить трансформатор, имеющий много выводов. Это значит, что он имеет несколько вторичных обмоток. Узнать напряжение каждой из них можно узнать следующим образом.

Раньше мы рассмотрели, как проверить трансформатор мультиметром и определить по отношению сопротивления первичную обмотку. Также с помощью лампы накаливания можно убедится в том, что она рассчитана на 220 В (230 В).

Теперь дело осталось за малым. Подаем на первичную обмотку 220 В и выполняем измерение переменного напряжения на выводах оставшихся обмоток с помощью мультиметра.

Соединение обмоток трансформатора

Вторичные обмотки трансформатора соединяют последовательно и реже параллельно. При последовательном соединении обмотки могут включаться согласно и встречно.

Согласное соединение обмоток трансформатора применяют с целью получения большей величины напряжения, чем дает одна из обмоток. При согласном соединении начало одной обмотки, обозначаемое на чертежах электрических схем точкой или крестиком, соединяется с концом предыдущей. Здесь следует помнить, что максимальный ток всех соединенных обмоток не должен превышать значения той, которая рассчитана на наименьший ток.