МДК 1. Расчет потерь мощности в трансформаторе
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
Расчет потерь мощности в трансформаторе Когда трансформатор функционирует на холостом ходу или под нагрузкой, в магнитопроводе прибора, электроизолированных обмотках и прочих элементах конструкции устройства часть активной мощности агрегата убывает. Потери представляют собой переменную величину, поэтому КПД приборов неодинаковый и никогда не достигает 100%-ного значения. На витках медной обмотки катушек энергия рассеивается из-за сопротивления проводника. У тока, проходящего по контуру, падает напряжение, вызывая, уменьшение мощности. Непродуктивные потери при эксплуатации силовых установок возникают на холостом ходе, когда одна обмотка трансформатора находится на выделенном питании, а остальные контуры разомкнуты. Неизбежно возникают утечки и утрата мощностных характеристик работы агрегатов. Диэлектрические потери (в изоляционном слое) для трансформаторов, работающих на средней частоте в 50 Гц, являются несущественными. Незначительно влияют на показатель КПД утечки в первичной обмотке. Наиболее значительные энергозатраты вызывают магнитные явления в трансформаторах. При работе трансформаторного узла без нагрузки ток, который подается на первичную обмотку, расходуется на намагничивание стального сердечника. Потери магнитопровода провоцируют такие магнитные явления, как гистерезис (циклическое перемагничивание) и вихревые токи. Снижение активной мощности происходит из-за ее рассеивания в системе после поступления на первичный контур обмотки. Несмотря на увеличение энергии реактивного типа, номинальная нагрузка уменьшается. Разница между мощностями, поступающими на первый и второй контуры устройства, определяет суммарное снижение мощности. При работе не нагруженного трансформаторного оборудования потребляемая прибором активная мощность затрачивается на уравновешивание затрат тока холостого хода в магнитном сердечнике и катушке первичного контура. Для записи процесса используют выражение I20r1. Возникают магнитные потери магнитопровода РМ. При номинальном первичном напряжении и частоте тока суммарные некомпенсируемые затраты мощности относят к холостым потерям Р0. Для вычислений используют формулу: Р0 = РМ + I20 ∙r1, в которой активным сопротивлением первой катушки выступает величина r1. Значение Р0 никаким образом не меняется при регулировании нагрузки электромагнитного силового узла и является постоянным. Величина магнитного потока Ф0 остается неизменной при любых параметрах нагрузочных токов I1 и I2, поэтому значение IНАМ также не изменяется. Магнитные потери прямо пропорциональны массе стального сердечника и значению магнитной индукции. В ферромагнетиках есть зоны самопроизвольного намагничивания, называемые доменами. Для магнитных моментов диполей характерна беспорядочная направленность, поэтому вне воздействия внешнего поля намагничивания итоговый магнитный момент ферромагнетика приближается к нулю. Посредством помещения металлической детали в магнитное поле переменного действия, сгенерированное переменным током, происходит циклическое перемагничивание ферромагнитного сердечника с частотой этого тока. Одновременно из-за внутреннего трения изменяют свое направление магнитные моменты доменов. В зависимости от величины индукции магнитного поля, действующего извне, ферромагнетик приобретает большую степень намагничивания. Когда значение индукции достигает определенной величины, происходит переориентирование доменов вдоль вектора направления поля. Петля гистерезиса выражает взаимосвязь между магнитным потоком и переменным током. Она оказывает определенное влияние на возникновение потерь трансформаторных установок, функционирующих на холостом режиме. При каждом цикле перемагничивания затрачивается некоторая работа, величина которой пропорциональна площади петли гистерезиса. Работа способствует тепловому нагреванию сердечника и вызывает дополнительные энергозатраты. Чтобы снизить потери прибора на гистерезис, магнитопроводы выполняют из специальной трансформаторной стали категории электротехническая. В проводниках, помещенных в область воздействия переменных магнитных полей, в стальном сердечнике преобразователя электроэнергии создаются вихревые токи (Фуко), которые замыкаются в металлическом магнитопроводе (стержне или броне), нагревают деталь и способствуют убыли энергии. Чтобы компенсировать силу действия вихревых токов, возникающих в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, для изготовления трансформаторных сердечников используют изолированные пластины стали, набранные определенным способом. Процессы, связанные с рассеиванием энергии в сердечнике агрегата, образуются областью магнитного потока, которая замыкается через воздух вблизи витков обмотки. Побочные потери силового устройства вызывает активное сопротивление катушек, возникающее в результате нагрева проводника под действием токов. Поэтому для сокращения энергопотерь трансформаторные обмотки выполняют из меди. Нагрев катушек трансформатора током вызывает снижение мощности. Такие затраты в среднем на электросеть составляют 5% от общего количества потребляемой энергии. Величина электрических потерь зависит от следующих факторов: нагрузки энергосистемы; конфигурации, длины, размера сечения внутренних сетей; текущего режима работы узла; коэффициента мощности системы в средневзвешенном значении; схемы расположения компенсирующих устройств. На переменную величину потерь мощности электроэнергии влияет показатель квадрата тока в контурах обмотки. При подаче нагрузки на трансформатор электромагнитная мощность из первичной обмотки поступает на вторичную катушку. По второму контуру проходит ток I2, вместе с ним в первом контуре образуется ток I1, значение которого находится в прямой зависимости от силы нагрузки I2. Происходит убыль электрической мощности, величина которой определяется пропорционально квадратам токов обоих катушек и рассчитывается по формуле: РНАГР = I21∙r1 + I22 ∙ r2, где I1 и I2 – нагрузочные токи цепи; r1 и r2 – сопротивления проводников обмоток. Закономерной представляется зависимость потерь РНАГР от требуемой конечному потребителю величины мощности энергии. Имеют место колебания нагрузочных затрат в конкретном временном интервале, поэтому электрические потери в обмотках различны в пределах суток, являются величинами непостоянными и «привязаны» к режимам нагрузки. Добавочные затраты мощности электроэнергии возникают не только в катушках и магнитопроводе, но и в других элементах конструкции трансформатора – в стенках охлаждающего бака для отведения теплопотерь, ярмовых балках, не содержащих витков обмотки, прессующих кольцах. Определение годовых потерь электроэнергии в трансформаторе Сделаем это на примере потери электроэнергии за год в трансформаторе типа ТДН 16000/110 мощностью 16 МВА, напряжением 110/10 при его расчетной нагрузке Sр = 12 МВА и продолжительной максимальной нагрузке Тм = 4000 ч. Паспортные данные трансформатора, см. ГОСТ 12965-85 таблица 6: ∆Рк = 85 кВт – потери короткого замыкания; ∆Рх.х = 18 кВт – потери холостого хода. Определяем время потерь по эмпирической формуле 5.25 [Л6. с. 106]:  2. Определяем потерю электроэнергии в трансформаторе за год (8760 ч) по формуле 5.28 [Л6. с. 106]:  где: n – количество трансформаторов; β – коэффициент загрузки трансформатора, представляющий собой отношение расчетной мощности к номинальной (β = Sp/Sн). Определение полного тока короткого замыкания Полный ток короткого замыкания представляет собой сумму двух составляющих: вынужденной, имеющей периодический характер и свободной, имеющей апериодический характер  Максимальное мгновенное значение полного тока обычно наступает через 0,01 с после начала процесса КЗ. Этот ток называют ударным током iу  Рисунок 1.Апериодическая слагающая затухает по закону экспонентной кривой, где ia.0 – амплитудное (максимальное) значение апериодической составляющей; Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей, определяемая соотношением между индуктивностью Lк и активным сопротивлением r к цепи до точки КЗ. Ударный ток (соответствует времени 0,01с) через полпериода с момента возникновения КЗ. При расчете токов КЗ в электроустановках предприятий принимаются следующие допущения: - электродвижущие силы источников питания считают неизменными; - трехфазную систему считают симметричной; - не учитывают насыщение магнитных систем, что позволяет считать все цепи линейными; - пренебрегают емкостными проводимостями всех элементов короткозамкнутой цепи; - не учитывают влияние недвигательной нагрузки на токи КЗ; - не учитывают подпитку места КЗ со стороны электродвигателей напряжением до 1 кВ; Порядок расчета - для рассматриваемой системы электроснабжения составляется расчетная схема; - по расчетной схеме составляется схема замещения; - схема замещения путем преобразования приводится к наиболее простому виду, так чтобы источник питания был связан с точкой КЗ одним результирующим сопротивлением; - по закону Ома определяют ток короткого замыкания, начальное значение периодической и апериодической составляющих тока КЗ и значение ударного тока КЗ. Задание 2 Выполнить расчет потерь мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе для нескольких (не менее 3-х) трансформаторов из таблицы приложения; Проанализировать полученные результаты по итогам расчета; На основании данных анализа выбрать один с наименьшими потерями мощности, наименьшими потерями электроэнергии и с наименьшей стоимостью потерь, сделав соответствующий вывод о целесообразности использования выбранного трансформатора. Решение. Общую величину потерь  активной мощности в трансформаторе определяют по формуле  где  – паспортные потери холостого хода трансформатора, кВт;  – паспортные потери короткого замыкания трансформатора, кВт; – коэффициент загрузки силового трансформатора.Общую величину потерь  реактивной мощности в трансформаторе определяют по формуле  ,где  – паспортный ток холостого хода трансформатора, %; – паспортное напряжение короткого замыкания трансформатора, %; – номинальная мощность трансформатора, кВ∙А.Полные потери мощности в трансформаторе определяются по формуле:  Потери активной энергии  в трансформаторе определяются по формуле: , где  – число часов работы трансформатора в году, час; – время максимальных потерь, условное число часов, в течение которых максимальный ток, протекающий непрерывно, создает потери энергии, равные действительным потерям энергии за год:  где ТМ – время использования максимума нагрузки, условное число часов, в течение которых работа с максимальной нагрузкой передает за год столько энергии, сколько при работе по действительному графику, час. Потери реактивной энергии  в трансформаторе определяются по формуле: .Полные потери электроэнергии в трансформаторе определяются по формуле:  Стоимость потерь С активной электроэнергии в трансформаторе определяется по формуле:  где C0 – средняя стоимость 1 кВт∙часа электроэнергии, руб/кВт∙час. Таблица 1 Результаты расчета потерь мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе ТСЗА-400/10/0.4:
Таблица 2 Результаты расчета потерь мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе ТМ-400/10/0,4:
Таблица 3 Результаты расчета потерь мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе ТНЭЗ-400/10/0.4:
Исходя из расчётов выгоднее всего, при всех прочих равных, трансформатор ТНЭЗ-400/10/0.4. Список источников 1. Электроснабжение и электропотребление на предприятиях : учебное пособие / Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров, А.Л. Дубов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 495 с. — (Среднее профессиональное образование). - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/1058248 2. Электроснабжение и электрооборудование зданий и сооружений : учебник / Т.В. Анчарова, М.А. Рашевская, Е.Д. Стебунова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 415 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1045619 3. Электроснабжение промышленных предприятий и городов : учебное пособие / Г.Н. Ополева. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 416 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/1044499 4. Электроснабжение промышленных предприятий/СтрельниковН.А. - Новосиб.: НГТУ, 2013. - 100 с.: ISBN 978-5-7782-2193-2 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/546194 5. Электроснабжение горного производства. Релейная защита: Учебное пособие / Плащанский Л.А. - М.:Горная книга, 2013. - 299 с.: . - (Горная электромеханика) ISBN 978-5-98672-332-7 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/423742 6. Сибикин, Ю. Д. Электроснабжение промышленных и гражданских зданий : учебник / Ю.Д. Сибикин. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 405 с. - ISBN 978-5-16-013093-4. |
- условное число часов, в течение которых максимальный ток, протекающий непрерывно, создает потери энергии, равные действительным потерям энергии за год.