Коэффициент полезного действия трансформатора
Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями.
Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д.) — это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой:
η = (P2 / P1) • 100 %,
где Р1 — мощность, потребляемая из сети, Р2 — мощность, отдаваемая нагрузке. Таким образом, для практического определения к.п.д. трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда cos ф ≈ 1 (поток рассеяния невелик), и мощность Р2 может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенных во вторичную цепь. Такой метод определения к.п.д. называется методом непосредственных измерений. Он весьма прост, но имеет два существенных недостатка: малую точность и неэкономичность. Первый из них обусловлен тем, что к.п.д. промышленных трансформаторов очень высок (до 99%), поэтому мощности Р2 и Р1 иногда мало отличаются по величине.
В этом случае незначительные ошибки в показаниях приборов приведут к большим ошибкам в значении к.п.д. Неэкономичность этого способа связана с большим расходом электроэнергии за время испытания, так как трансформатор приходится нагружать до номинальной мощности. Поэтому метод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для трансформаторов малой мощности с небольшим к.п.д. (например, в учебной практике).
На практике к.п.д. трансформаторов определяют косвенным методом, т. е. путем раздельного определения потерь.
При этом исходят из того, что к.п.д. трансформатора может быть представлен в следующем виде:
η = P2 / (P2 + Pст + Pм),
где Рст — потери в стали (в сердечнике), а Рм — потери в меди (в обмотках). Потери в стали и потери в меди измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.
В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой, определяют потери в стали, т. е. потери на гистерезис и вихревые токи. Так как при номинальном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали для него являются постоянной величиной. Таким образом, можно считать, что в режиме холостого хода энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки. При этом, правда, не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток невелик, и потери от него также невелики. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода I01.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко, а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение, при котором токи в обмотках не превышают номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замыкания. Следовательно, ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора в этом опыте, покажет мощность, соответствующую потерям в меди (Рм).