Hogyan határozható meg a transzformátor hatásfoka? Hőmotorok maximális hatásfoka (Carnot-tétel)

Meghatározás [ | ]

Hatékonyság

Matematikailag a hatékonyság definíciója a következőképpen írható fel:

Ahol A- hasznos munka (energia), ill K- elhasznált energia.

Ha a hatékonyságot százalékban fejezzük ki, akkor a következő képlettel számítjuk ki:

Ahol Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- a hideg végről vett hő (hűtőgépekben, hűtőteljesítmény); A (\displaystyle A)

A hőszivattyúkra használt kifejezés a transzformációs arány

Ahol Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- kondenzációs hő átadása a hűtőfolyadéknak; A (\displaystyle A)- az erre a folyamatra fordított munka (vagy villamos energia).

A tökéletes autóban Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), innentől az ideális autóig ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Egyetlen végrehajtott művelet sem megy veszteség nélkül – ezek mindig léteznek. Az elért eredmény mindig kevesebb, mint az eléréséhez szükséges erőfeszítés. A teljesítmény (hatékonyság) együttható azt jelzi, hogy mekkora veszteség keletkezik a munkavégzés során.

Mi rejtőzik e rövidítés mögött? Lényegében ez a mechanizmus vagy mutató hatékonysági együtthatója racionális használat energia. A hatékonysági értéknek nincs mértékegysége, százalékban van kifejezve. Ezt az együtthatót az eszköz hasznos munkájának és a működésére fordított munkának az arányaként határozzák meg. A hatékonyság kiszámításához a számítási képlet így fog kinézni:

Hatékonyság = 100* (hasznos elvégzett/elhasznált munka)

BAN BEN különféle eszközök ennek az aránynak a kiszámításához használjuk különböző jelentések. Mert villanymotorok A hatékonyság úgy néz ki, mint az elvégzett hasznos munka és a hálózattól kapott elektromos energia aránya. For az elvégzett hasznos munka és a felhasznált hőmennyiség aránya.

Mert a hatékonyság meghatározása Szükséges, hogy mindenki más és a munka azonos egységekben fejeződjön ki. Ezután bármilyen objektumot, például villamosenergia-termelőket és biológiai objektumokat lehet majd összehasonlítani a hatékonyság szempontjából.

Mint már említettük, a mechanizmusok működése során bekövetkező elkerülhetetlen veszteségek miatt a hatékonysági tényező mindig kisebb, mint 1. Így a hőközpontok hatásfoka eléri a 90%-ot, a belső égésű motorok hatásfoka pedig kevesebb, mint 30%, a hatásfok pedig egy elektromos transzformátor 98%. A hatékonyság fogalma alkalmazható mind a mechanizmus egészére, mind annak egyes elemeire. Amikor általánosan értékeljük a mechanizmus egészének hatékonyságát (hatékonyságát), az egyén hatékonyságának szorzatát alkatrészek ez az eszköz.

Probléma hatékony felhasználásaüzemanyag ma nem jelent meg. Az energiaforrások folyamatos drágulásával a kérdés a hatékonyság növelése A mechanizmusok tisztán elméletiből gyakorlati kérdéssé válnak. Ha egy normál autó hatásfoka nem haladja meg a 30%-ot, akkor az autó tankolására fordított pénzünk 70%-át egyszerűen kidobjuk.

A belső égésű motor (ICE) hatásfokának figyelembevétele azt mutatja, hogy működésének minden szakaszában veszteség keletkezik. Így a beérkező üzemanyagnak csak 75%-a ég el a motor hengereiben, és 25%-a kerül ki a légkörbe. Az elégetett üzemanyagból a felszabaduló hőnek csak 30-35%-a hasznosul hasznos munkára, a hő többi része vagy a kipufogógázokban elvész, vagy az autó hűtőrendszerében marad. A kapott hatalomtól a hasznos munka Körülbelül 80%-át használják fel, a maradék erőt a súrlódási erők leküzdésére fordítják, és a jármű segédmechanizmusai használják fel.

Még ezen is egyszerű példa a mechanizmus hatékonyságának elemzése lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk azokat az irányokat, amelyekben a veszteségek csökkentése érdekében munkát kell végezni. Igen, az egyik kiemelt területek- az üzemanyag teljes elégésének biztosítása. Ezt az üzemanyag további porlasztásával és megnövelt nyomással érik el, ezért a közvetlen befecskendezésű és turbófeltöltős motorok egyre népszerűbbek. A motorból eltávolított hőt az üzemanyag melegítésére használják fel a jobb párolgás érdekében, a mechanikai veszteségek pedig csökkennek a felhasználással modern fajták

Itt megvizsgáltuk egy ilyen koncepciót, a leírás szerint, mi ez és mit érint. A belső égésű motor példáján figyelembe veszik működésének hatékonyságát, és meghatározzák az eszköz képességeinek, következésképpen a hatékonyság növelésének irányait és módjait.

Az autóban található különféle mechanizmusok számos jellemzője közül a döntő Belső égésű motor hatásfoka. Ahhoz, hogy megértsük ennek a koncepciónak a lényegét, pontosan tudnod kell, mi is az a klasszikus belsőégésű motor.

A belső égésű motor hatásfoka - mi ez?

Mindenekelőtt a motor az üzemanyag elégetésekor keletkező hőenergiát egy bizonyos mennyiségre alakítja át gépészeti munka. A gőzgépekkel ellentétben ezek a motorok könnyebbek és kompaktabbak. Sokkal gazdaságosabbak, és szigorúan meghatározott folyékony és gáznemű tüzelőanyagokat fogyasztanak. Így a modern motorok hatékonyságát műszaki jellemzőik és egyéb mutatóik alapján számítják ki.

A hatásfok (teljesítménytényező) a motor tengelyére továbbított tényleges teljesítmény és a dugattyú által a gázok hatására kapott teljesítmény aránya. Ha összehasonlítjuk a különböző teljesítményű motorok hatásfokát, megállapíthatjuk, hogy ez az érték mindegyiknél megvan a maga sajátossága.

Mindkét motor, a tervezési hasonlóság ellenére, rendelkezik különböző fajták keverékképzés. Ezért a karburátoros motor dugattyúi magasabb hőmérsékleten működnek, és jó minőségű hűtést igényelnek. Emiatt hőenergia, amely mechanikussá válhat, minden haszon nélkül eloszlik, csökkenti általános jelentése Hatékonyság

A benzinmotorok hatékonyságának növelése érdekében azonban bizonyos intézkedéseket tesznek. Például egy hengernek lehet két szívó- és egy kipufogószelepe, ahelyett, hogy egy szívó- és egy kipufogószelepe lenne. Ezenkívül egyes motorokhoz külön gyújtótekercs van beépítve minden gyújtógyertyához. A fojtószelep vezérlése sok esetben elektromos meghajtással történik, nem pedig hagyományos kábellel.

Dízelmotor hatékonysága – észrevehető hatékonyság

A dízel a belső égésű motorok egyik típusa, amelyben a munkakeverék a kompresszió következtében meggyullad. Ezért a hengerben a levegőnyomás sokkal magasabb, mint a benzinmotoroké. Egy dízelmotor hatásfokát más kivitelek hatékonyságával összehasonlítva a legmagasabb hatásfokot jegyezhetjük meg.

Alacsony sebességnél és nagy elmozdulásnál a hatékonysági mutató meghaladhatja az 50%-ot.

Érdemes figyelni a viszonylag alacsony fogyasztásra gázolajés alacsony tartalommal káros anyagok kipufogógázokban.Így a belső égésű motor hatásfoka teljes mértékben a típusától és a kialakításától függ. Sok járműben a gyenge hatékonyságot különféle fejlesztések ellensúlyozzák az általános teljesítmény javítása érdekében. specifikációk.

Ismeretes, hogy Elektromos energia továbbítják hosszútáv a fogyasztók által használt szintet meghaladó feszültségeknél. A transzformátorok alkalmazása szükséges a feszültségek kívánt értékre történő átalakításához, a villamosenergia-átviteli folyamat minőségének javításához, valamint az ebből eredő veszteségek csökkentéséhez.

A transzformátor leírása és működési elve

A transzformátor olyan eszköz, amely csökkenti vagy növeli a feszültséget, megváltoztatja a fázisok számát, és ritka esetekben a váltakozó áram frekvenciáját.

A következő készüléktípusok léteznek:

• erő;
• mérő;
• alacsony fogyasztású;
• impulzus;
• csúcs transzformátorok.

A statikus berendezés a következő fő részekből áll szerkezeti elemek: két (vagy több) tekercs és egy mágneses áramkör, amelyet magnak is neveznek. A transzformátorokban a feszültséget a primer tekercsre táplálják, és a szekunder tekercsből átalakított formában eltávolítják. A tekercsek induktívan, átmenően vannak összekötve mágneses mező a magban.

Más konverterekkel együtt a transzformátoroknak is van egy hatékonysági tényezője (rövidítve: Hatékonyság), Val vel szimbólum. Ez az együttható a hatékonyan felhasznált energia és a rendszer által fogyasztott energia arányát jelenti. Kifejezhető a terhelés által fogyasztott teljesítmény és az eszköz által a hálózatról fogyasztott teljesítmény arányában is. A hatásfok az egyik elsődleges paraméter, amely a transzformátor által végzett munka hatékonyságát jellemzi.

A veszteségek típusai a transzformátorban

Az elektromos áram primer tekercsről a szekunder tekercsre történő átvitelének folyamatát veszteségek kísérik. Emiatt nem minden energia kerül átadásra, hanem a legtöbb.

A készülék kialakítása nem tartalmaz forgó alkatrészeket, ellentétben más elektromos gépekkel. Ez magyarázza a mechanikai veszteségek hiányát.

Tehát az eszköz a következő veszteségeket tartalmazza:

• elektromos, réz tekercsben;
• mágneses, acél magban.

Energiadiagram és az energiamegmaradás törvénye

A készülék működési elve sematikusan bemutatható energiadiagram formájában, ahogy az 1. képen látható. A diagram az energiaátvitel folyamatát tükrözi, melynek során elektromos és mágneses veszteségek keletkeznek. .

A diagram szerint a P 2 effektív teljesítmény meghatározásának képlete a következő:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

ahol P 2 hasznos, P 1 pedig az eszköz által a hálózatról fogyasztott energia.

A ΔP teljes veszteséget jelölve az energia megmaradás törvénye így néz ki: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Ebből a képletből világos, hogy P 1-et P 2-re, valamint a ΔP teljes veszteségre költenek. Így a transzformátor hatásfoka a betáplált (hasznos) teljesítmény és az elfogyasztott teljesítmény aránya (P 2 és P 1 aránya) formájában érhető el.

A hatékonyság meghatározása

A készülék kiszámításához szükséges pontossággal a korábban származtatott hatásfok értékek az 1. számú táblázatból vehetők át:

Hatékonyság meghatározása közvetlen mérésekkel

A hatékonyság kiszámításának képlete több változatban is bemutatható:

Ez a kifejezés egyértelműen tükrözi, hogy a transzformátor hatékonysági értéke nem több egynél, és nem is egyenlő vele.

A következő kifejezés határozza meg a nettó teljesítmény értékét:

P 2 =U 2 *J 2 *cosφ 2, (4)

ahol U 2 és J 2 a szekunder feszültség és terhelési áram, cosφ 2 pedig a teljesítménytényező, melynek értéke a terhelés típusától függ.

Mivel P 1 =ΔP+P 2, a (3) képlet a következő alakot veszi fel:

A ΔP el1n primer tekercs elektromos veszteségei a benne folyó áram négyzetétől függenek. Ezért ezeket a következőképpen kell meghatározni:

(6)

Viszont:

(7)

ahol r mp az aktív tekercsellenállás.

Munka óta elektromágneses eszköz nem korlátozódik a névleges üzemmódra, az áramterhelés mértékének meghatározásához terhelési tényezőt kell használni, amely egyenlő:

β=J2/J2н, (8)

ahol J 2n a szekunder tekercs névleges árama.

Innentől kifejezéseket írunk le a szekunder tekercs áramának meghatározásához:

J2 =β*J2n (9)

Ha ezt az egyenlőséget behelyettesítjük az (5) képletbe, a következő kifejezést kapjuk:

Vegye figyelembe, hogy a hatékonysági érték meghatározását az utolsó kifejezéssel a GOST javasolja.

Összefoglalva a bemutatott információkat, megjegyezzük, hogy a transzformátor hatásfoka az eszköz primer és szekunder tekercseinek teljesítményértékei alapján határozható meg névleges üzemmódban.

Hatékonyság meghatározása indirekt módszerrel

A nagy, akár 96%-ot is elérő hatásfok értékek, valamint a közvetlen mérési módszer gazdaságtalansága miatt a paramétert a magas fokozat pontosság nem lehetséges. Ezért meghatározása általában közvetett módszerrel történik.

Az összes kapott kifejezést összegezve a következő képletet kapjuk a hatékonyság kiszámításához:

η=(P 2 /P 1)+ΔP m + ΔP el1 + ΔP el2, (11)

Összefoglalva, meg kell jegyezni, hogy a nagy hatékonyságú mutató az elektromágneses eszköz hatékony működését jelzi. A tekercsek és a magacél veszteségeit a GOST szerint a tapasztalat vagy a rövidzárlat határozza meg, és az ezek csökkentését célzó intézkedések elősegítik a lehető legmagasabb hatékonysági értékek elérését, amire törekednünk kell.

Általános rendelkezések

A hatásfok a hasznos vagy leadott teljesítmény aránya P 2 az energiafogyasztáshoz P 1:

A modern elektromos gépek nagy hatékonysági tényezővel (hatékonysággal) rendelkeznek. Igen, az autóknál egyenáram 10 kW teljesítménynél a hatásfok 83 - 87%, 100 kW teljesítménynél - 88 - 93%, 1000 kW teljesítménynél - 92 - 96%. Csak a kis gépek hatékonysága viszonylag alacsony; például egy 10 W-os egyenáramú motor hatásfoka 30-40%.

Villamos gép hatásfok görbéje η = f(P 2) először a terhelés növekedésével gyorsan növekszik, majd a hatásfok eléri maximális értékét (általában a névleges terheléshez közeli terhelésnél), és nagy terheléseknél csökken (1. ábra). Ez utóbbi azzal magyarázható, hogy bizonyos típusú veszteségek (elektromos én a 2 rés továbbiak) gyorsabban nőnek a hasznos teljesítménynél.

Közvetlen és közvetett módszerek a hatékonyság meghatározására

Közvetlen módszer a hatékonyság meghatározására kísérleti értékek P 1 és P 2 az (1) képlet szerint jelentős pontatlanságot adhat, mivel egyrészt P 1 és P 2 értéke közel van, másodsorban pedig kísérleti meghatározásuk hibás. A legnagyobb nehézségeket és hibákat a mechanikai teljesítmény mérése okozza.

Ha például a valódi teljesítményértékek P 1 = 1000 kW és P 2 = 950 kW 2%-os pontossággal határozható meg, ekkor a hatásfok valós értéke helyett.

η = 950/1000 = 0,95

elérhető

Ezért a GOST 25941-83, „Forgó elektromos gépek. A veszteségek és a hatásfok meghatározásának módszerei” szabvány η% ≥ 85%-os gépeknél közvetett módszert ír elő a hatásfok meghatározására, amelyben a veszteségek mértékét kísérleti adatokból határozzák meg. p Σ .

Behelyettesítés az (1) képletbe P 2 = P 1 - pΣ, megkapjuk

Az itteni helyettesítés használata P 1 = P 2 + pΣ, a képlet másik alakját kapjuk:

(4)

Mivel kényelmesebb és pontosabb a mérés elektromos erő(motorokhoz P 1 és generátorokhoz P 2), akkor a (3) képlet alkalmasabb a motorokhoz és a (4) képlet a generátorokhoz. Az egyedi veszteségek és a veszteségek mértékének kísérleti meghatározásának módszerei pΣ az elektromos gépekre vonatkozó szabványokban és a vizsgálati és kutatási kézikönyvekben van leírva elektromos gépek. Még akkor is, ha pΣ-t lényegesen kisebb pontossággal határozzuk meg, mint P 1 ill P 2, ha a (3) és (4) képletet használjuk az (1) kifejezés helyett, lényegesen pontosabb eredményeket kapunk.

A maximális hatékonyság feltételei

Különböző típusú veszteségek különféle módokon terheléstől függ. Általában feltételezhető, hogy bizonyos típusú veszteségek a terhelés változásával állandóak, míg mások változóak. Például, ha egy egyenáramú generátor állandó forgási sebességgel és állandó gerjesztési fluxussal működik, akkor a mechanikai és mágneses veszteségek is állandóak. Oda-vissza, elektromos veszteségek az armatúra tekercsekben a kiegészítő pólusok és a kompenzáló tekercsek arányosan változnak én a ², és a kefe érintkezőkben - arányosan én A. A generátor feszültsége is megközelítőleg állandó, ezért bizonyos fokú pontossággal P 2∼ én A.

Így általános, kissé idealizált esetben azt feltételezhetjük

Ahol p 0 – állandó veszteségek, terheléstől függetlenül; p 1 – a veszteségek értéke I. fokozattól függően k ng névleges terhelés mellett; p 2 – a veszteségek értéke a négyzettől függően k ng, névleges terhelés mellett.

Cseréljük P 2. (5) és pΣ (7)-ből a hatékonysági képletbe.

Határozzuk meg, milyen értékben k ng hatásfok eléri a maximális értékét, amihez meghatározzuk a deriváltot dη/ dk ng a (8) képlet szerint, és egyenlővé teszi nullával:

Ez az egyenlet akkor teljesül, ha nevezője egyenlő a végtelennel, vagyis amikor k ng = ∞. Ez az eset nem érdekes. Ezért a számlálót nullára kell állítani. Ebben az esetben megkapjuk

Így a hatásfok olyan terhelésnél lesz maximális, amelynél változó veszteségek k ng ² × p 2, a terhelés négyzetétől függően, egyenlővé válnak az állandó veszteségekkel p 0 .

A terhelési tényező értéke maximális hatásfok mellett, a (9) képlet szerint,

Ha egy gépet adott η max értékre tervezünk, akkor mivel a veszteségek k ng × p 1 általában viszonylag kicsi, ezt feltételezhetjük

p 0 + p 2 ≈ pΣ = állandó.

A veszteséghányad megváltoztatása p 0 és p 2, a maximális hatékonyság különböző terheléseknél érhető el. Ha a gép többnyire a névleges terheléshez közeli terhelés mellett üzemel, akkor előnyös, ha az érték k ng [lásd a (10) képletet] közel volt az egységhez. Ha a gép főleg kis terhelés mellett üzemel, akkor az érték szempontjából előnyös k ng [lásd a (10) képletet] ennek megfelelően kisebb volt.