Kaip nustatomas transformatoriaus efektyvumas? Maksimalus šiluminių variklių efektyvumas (Karno teorema)

Apibrėžimas [ | ]

Efektyvumas

Matematiškai efektyvumo apibrėžimą galima parašyti taip:

Kur A- naudingą darbą (energiją), ir K- sunaudota energija.

Jei efektyvumas išreiškiamas procentais, tada jis apskaičiuojamas pagal formulę:

Kur Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- šiluma, paimta iš šaltojo galo (šaldymo mašinose, aušinimo talpa); A (\displaystyle A)

Šilumos siurbliams vartojamas terminas yra transformacijos koeficientas

Kur Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma))- aušinimo skysčiui perduodama kondensacinė šiluma; A (\displaystyle A)- šiam procesui sunaudotą darbą (arba elektros energiją).

Tobulame automobilyje Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), nuo čia iki idealaus automobilio ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Nei vienas atliktas veiksmas neįvyksta be nuostolių – jie visada egzistuoja. Gautas rezultatas visada yra mažesnis už pastangas, kurias reikia įdėti norint jį pasiekti. Naudingumo (našumo) koeficientas parodo, kokie dideli yra nuostoliai atliekant darbus.

Kas slepiasi po šia santrumpa? Iš esmės tai yra mechanizmo arba rodiklio efektyvumo koeficientas racionalus naudojimas energijos. Efektyvumo vertė neturi matavimo vienetų, ji išreiškiama procentais. Šis koeficientas nustatomas kaip prietaiso naudingo darbo ir jo eksploatavimui sugaišto darbo santykis. Norint apskaičiuoti efektyvumą, skaičiavimo formulė atrodys taip:

Efektyvumas = 100* (atliktas naudingas darbas/išleistas darbas)

IN įvairių įrenginiųšiam santykiui apskaičiuoti naudojame skirtingos reikšmės. Dėl elektros varikliai Efektyvumas atrodys kaip atlikto naudingo darbo ir iš tinklo gautos elektros energijos santykis. Už bus apibrėžiamas kaip atlikto naudingo darbo ir sunaudotos šilumos kiekio santykis.

Dėl efektyvumo nustatymas Reikia, kad visi būtų skirtingi ir darbas būtų išreikštas tais pačiais vienetais. Tada bus galima palyginti bet kokius objektus, pavyzdžiui, elektros generatorius ir biologinius objektus pagal efektyvumą.

Kaip jau buvo pažymėta, dėl neišvengiamų nuostolių mechanizmų veikimo metu naudingumo koeficientas visada yra mažesnis nei 1. Taigi šiluminių punktų naudingumo koeficientas siekia 90%, vidaus degimo variklių naudingumo koeficientas nesiekia 30%, o efektyvumo koeficientas siekia 90%. elektros transformatorius yra 98%. Efektyvumo samprata gali būti taikomas tiek visam mechanizmui, tiek atskiriems jo komponentams. Atliekant bendrą viso mechanizmo efektyvumo (jo efektyvumo) vertinimą, individo efektyvumo sandauga komponentaišį įrenginį.

Problema efektyvus naudojimas kuro šiandien neatsirado. Nuolat brangstant energijos ištekliams kyla klausimas didinant efektyvumą mechanizmai iš grynai teorinio virsta praktiniu klausimu. Jei įprasto automobilio efektyvumas neviršija 30%, tuomet mes tiesiog išmetame 70% savo pinigų, išleistų automobilio papildymui.

Atsižvelgiant į vidaus degimo variklio (ICE) efektyvumą, matyti, kad nuostoliai atsiranda visuose jo veikimo etapuose. Taigi tik 75% gaunamo kuro sudegina variklio cilindruose, o 25% patenka į atmosferą. Iš viso sudeginto kuro tik 30-35% išsiskiriančios šilumos panaudojama naudingiems darbams atlikti, likusi šilumos dalis arba prarandama išmetamosiose dujose, arba lieka automobilio aušinimo sistemoje. Nuo gautos galios iki naudingo darbo Sunaudojama apie 80%, likusi galios dalis skiriama trinties jėgoms įveikti ir naudojama transporto priemonės pagalbiniams mechanizmams.

Net apie tai paprastas pavyzdys mechanizmo efektyvumo analizė leidžia nustatyti kryptis, kuriomis turėtų būti atliekami darbai siekiant sumažinti nuostolius. Taip, vienas iš prioritetines sritis- užtikrinti visišką kuro degimą. Tai pasiekiama papildomai purškiant kurą ir padidinus slėgį, todėl varikliai su tiesioginiu įpurškimu ir turbokompresoriumi tampa tokie populiarūs. Iš variklio pašalinta šiluma naudojama kurui pašildyti, kad jos geriau išgaruotų, o naudojant sumažinami mechaniniai nuostoliai šiuolaikinės veislės

Čia mes išnagrinėjome tokią sąvoką, kaip aprašyta, kas tai yra ir ką ji veikia. Naudojant vidaus degimo variklio pavyzdį, svarstomas jo veikimo efektyvumas ir nustatomos kryptys bei būdai, kaip padidinti šio įrenginio galimybes, taigi ir efektyvumą.

Tarp daugybės įvairių automobilyje esančių mechanizmų charakteristikų, lemiamas yra vienas Vidaus degimo variklio efektyvumas. Norint išsiaiškinti šios koncepcijos esmę, reikia tiksliai žinoti, kas yra klasikinis vidaus degimo variklis.

Vidaus degimo variklio efektyvumas – kas tai?

Visų pirma, variklis kuro degimo metu susidariusią šiluminę energiją paverčia tam tikru kiekiu mechaninis darbas. Skirtingai nuo garo variklių, šie varikliai yra lengvesni ir kompaktiškesni. Jie yra daug ekonomiškesni ir sunaudoja griežtai apibrėžtą skystąjį ir dujinį kurą. Taigi šiuolaikinių variklių efektyvumas skaičiuojamas pagal jų technines charakteristikas ir kitus rodiklius.

Efektyvumas (našumo koeficientas) – tai tikrosios variklio velenui perduodamos galios ir stūmoklio dėl dujų veikimo gaunamos galios santykis. Jei palyginsime skirtingos galios variklių efektyvumą, galime nustatyti, kad ši kiekvieno iš jų vertė turi savo ypatybes.

Abu varikliai, nepaisant dizaino panašumo, turi Skirtingos rūšys mišinio susidarymas. Todėl karbiuratoriaus variklio stūmokliai veikia aukštesnėje temperatūroje, todėl reikalingas kokybiškas aušinimas. Dėl to šiluminė energija, kuris galėtų virsti mechaniniu, išsisklaido be jokios naudos, sumažindamas bendrą reikšmę Efektyvumas

Tačiau siekiant padidinti benzininio variklio efektyvumą, imamasi tam tikrų priemonių. Pavyzdžiui, viename cilindre gali būti du įsiurbimo ir išmetimo vožtuvai, o ne vienas įsiurbimo ir išmetimo vožtuvas. Be to, kai kuriuose varikliuose kiekvienai žvakei sumontuota atskira uždegimo ritė. Droselio sklendė daugeliu atvejų valdoma naudojant elektrinę pavarą, o ne įprastą kabelį.

Dyzelinio variklio efektyvumas – pastebimas efektyvumas

Dyzelinas yra vienas iš vidaus degimo variklių tipų, kuriuose darbinis mišinys užsidega dėl suspaudimo. Todėl oro slėgis cilindre yra daug didesnis nei benzininio variklio. Lyginant dyzelinio variklio efektyvumą su kitų konstrukcijų efektyvumu, galime pastebėti didžiausią jo efektyvumą.

Esant mažam greičiui ir dideliam poslinkiui efektyvumo rodiklis gali viršyti 50%.

Reikėtų atkreipti dėmesį į santykinai mažą suvartojimą dyzelinis kuras ir mažas turinys kenksmingų medžiagų išmetamosiose dujose. Taigi vidaus degimo variklio naudingumo vertė visiškai priklauso nuo jo tipo ir konstrukcijos. Daugelyje transporto priemonių prastą efektyvumą kompensuoja įvairūs patobulinimai, siekiant pagerinti bendrą našumą. specifikacijas.

Yra žinoma, kad Elektros energija perduota į dideli atstumai esant įtampai, viršijančiai vartotojų naudojamą lygį. Transformatorių naudojimas būtinas norint konvertuoti įtampas į reikiamas reikšmes, pagerinti elektros perdavimo proceso kokybę, taip pat sumažinti dėl to atsirandančius nuostolius.

Transformatoriaus aprašymas ir veikimo principas

Transformatorius yra įtaisas, skirtas sumažinti arba padidinti įtampą, pakeisti fazių skaičių ir retais atvejais keisti kintamosios srovės dažnį.

Yra šie įrenginių tipai:

• galia;
• matavimas;
• mažai energijos;
• pulsas;
• smailių transformatorių.

Statinis aparatas susideda iš šių pagrindinių konstrukciniai elementai: dvi (ar daugiau) apvijų ir magnetinė grandinė, kuri dar vadinama šerdimi. Transformatoriuose įtampa tiekiama į pirminę apviją ir pašalinama iš antrinės konvertuota forma. Apvijos jungiamos indukciniu būdu, per magnetinis laukasšerdyje.

Kartu su kitais keitikliais transformatoriai turi efektyvumo koeficientą (sutrumpintai kaip Efektyvumas), Su simbolis. Šis koeficientas parodo efektyviai sunaudotos energijos ir sistemos suvartojamos energijos santykį. Jis taip pat gali būti išreikštas kaip apkrovos sunaudotos galios ir įrenginio iš tinklo suvartojamos galios santykis. Efektyvumas yra vienas iš pagrindinių parametrų, apibūdinančių transformatoriaus atliekamo darbo efektyvumą.

Nuostolių tipai transformatoriuje

Elektros energijos perdavimo iš pirminės apvijos į antrinę procesą lydi nuostoliai. Dėl šios priežasties perduodama ne visa energija, bet didžioji jos dalis.

Įrenginio konstrukcijoje, skirtingai nei kitose elektros mašinose, nėra besisukančių dalių. Tai paaiškina mechaninių nuostolių nebuvimą.

Taigi įrenginyje yra šie nuostoliai:

• elektrinis, varinėse apvijose;
• magnetinis, plieninėje šerdyje.

Energijos diagrama ir energijos tvermės dėsnis

Prietaiso veikimo principas gali būti schematiškai pateiktas energijos diagramos pavidalu, kaip parodyta 1 paveiksle. Diagrama atspindi energijos perdavimo procesą, kurio metu susidaro elektriniai ir magnetiniai nuostoliai. .

Pagal diagramą efektyviosios galios P ​​2 nustatymo formulė yra tokia:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

kur P 2 yra naudingas, o P 1 yra įrenginio iš tinklo sunaudota galia.

Žymint bendruosius nuostolius ΔP, energijos tvermės dėsnis atrodys taip: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Iš šios formulės aišku, kad P 1 išleidžiama P 2, taip pat bendriems nuostoliams ΔP. Taigi transformatoriaus naudingumo koeficientas gaunamas tiekiamos (naudingos) galios ir sunaudotos galios santykio pavidalu (P 2 ir P 1 santykis).

Efektyvumo nustatymas

Esant reikiamam prietaiso skaičiavimo tikslumui, anksčiau išvestas efektyvumo vertes galima paimti iš lentelės Nr. 1:

Efektyvumo nustatymas tiesioginiais matavimais

Efektyvumo skaičiavimo formulė gali būti pateikta keliomis versijomis:

Ši išraiška aiškiai atspindi, kad transformatoriaus naudingumo vertė yra ne daugiau kaip viena, o taip pat nėra lygi.

Ši išraiška nustato grynosios galios vertę:

P 2 = U 2 * J 2 * cosφ 2 , (4)

čia U 2 ir J 2 – antrinė įtampa ir apkrovos srovė, o cosφ 2 – galios koeficientas, kurio reikšmė priklauso nuo apkrovos tipo.

Kadangi P 1 = ΔP+P 2, formulė (3) įgauna tokią formą:

Pirminės apvijos ΔP el1n elektros nuostoliai priklauso nuo joje tekančios srovės kvadrato. Todėl jie turėtų būti apibrėžti taip:

(6)

Savo ruožtu:

(7)

kur r mp yra aktyvioji apvijos varža.

Nuo darbo elektromagnetinis prietaisas neapsiriboja vardiniu režimu, norint nustatyti srovės apkrovos laipsnį, reikia naudoti apkrovos koeficientą, kuris yra lygus:

β = J 2 / J 2н, (8)

čia J 2n – antrinės apvijos vardinė srovė.

Iš čia užrašome antrinės apvijos srovės nustatymo išraiškas:

J 2 =β*J 2n (9)

Jei šią lygybę pakeisime formule (5), gausime tokią išraišką:

Atminkite, kad efektyvumo vertę nustatyti naudojant paskutinę išraišką rekomenduoja GOST.

Apibendrinant pateiktą informaciją, pažymime, kad transformatoriaus efektyvumą galima nustatyti pagal prietaiso pirminės ir antrinės apvijų galios vertes vardiniu režimu.

Efektyvumo nustatymas netiesioginiu metodu

Dėl didelių efektyvumo verčių, kurios gali būti 96% ar daugiau, taip pat dėl ​​neekonomiško tiesioginio matavimo metodo, apskaičiuokite parametrą su aukštas laipsnis tikslumas neįmanomas. Todėl jo nustatymas dažniausiai atliekamas netiesioginiu metodu.

Susumavus visas gautas išraiškas, gauname tokią efektyvumo skaičiavimo formulę:

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

Apibendrinant reikia pažymėti, kad didelio efektyvumo rodiklis rodo efektyvų elektromagnetinio įrenginio veikimą. Apvijų ir šerdies plieno nuostolius, pagal GOST, lemia patirtis arba trumpasis jungimas, o juos sumažinti skirtos priemonės padės pasiekti kuo aukštesnes efektyvumo vertes, ko ir reikia siekti.

Bendrosios nuostatos

Efektyvumas apibrėžiamas kaip naudingos arba tiekiamos galios santykis P 2 į energijos suvartojimą P 1:

Šiuolaikinės elektros mašinos turi aukštą naudingumo koeficientą (efektyvumą). Taip, prie automobilių nuolatinė srovė esant 10 kW galiai efektyvumas yra 83 - 87%, esant 100 kW galiai - 88 - 93%, o esant 1000 kW galiai - 92 - 96%. Tik mažos mašinos turi santykinai mažą efektyvumą; pavyzdžiui, 10 W nuolatinės srovės variklio efektyvumas yra 30–40%.

Elektros mašinos naudingumo kreivė η = f(P 2) pirmiausia sparčiai didėja didėjant apkrovai, tada efektyvumas pasiekia maksimalią vertę (dažniausiai esant apkrovai, artimai vardinei apkrovai) ir mažėja esant didelėms apkrovoms (1 pav.). Pastarasis paaiškinamas tuo, kad tam tikros rūšies nuostoliai (elektros aš a 2 r ir papildomos) auga greičiau nei naudingoji galia.

Tiesioginiai ir netiesioginiai efektyvumo nustatymo metodai

Tiesioginis efektyvumo nustatymo metodas pagal eksperimentinės vertės P 1 ir P 2 pagal (1) formulę gali duoti didelį netikslumą, nes, pirma, P 1 ir P 2 vertės yra artimos ir, antra, jų eksperimentinis nustatymas yra susijęs su klaidomis. Didžiausius sunkumus ir klaidas sukelia mechaninės galios matavimas.

Jei, pavyzdžiui, tikrosios galios reikšmės P 1 = 1000 kW ir P 2 = 950 kW galima nustatyti 2% tikslumu, tada vietoj tikrosios naudingumo vertės.

η = 950/1000 = 0,95

prieinama

Todėl GOST 25941-83 "Sukančios elektros mašinos. Nuostolių ir efektyvumo nustatymo metodai" mašinoms, kurių η% ≥ 85% yra nustatytas netiesioginis efektyvumo nustatymo metodas, kurio metu nuostolių dydis nustatomas iš eksperimentinių duomenų. p Σ .

Pakeitimas į formulę (1) P 2 = P 1 - pΣ, mes gauname

Čia naudojamas pakaitalas P 1 = P 2 + pΣ, gauname kitą formulės formą:

(4)

Kadangi matuoti yra patogiau ir tiksliau elektros energija( varikliams P 1 ir generatoriams P 2), tuomet varikliams labiau tinka formulė (3), generatoriams – (4). Atskirų nuostolių ir nuostolių dydžio eksperimentinio nustatymo metodai pΣ yra aprašyti elektros mašinų standartuose ir bandymų bei tyrimų vadovuose elektros mašinos. Net jei pΣ nustatomas žymiai mažesniu tikslumu nei P 1 arba P 2, vietoj (1) išraiškos naudojant formules (3) ir (4), gaunami žymiai tikslesni rezultatai.

Maksimalaus efektyvumo sąlygos

Įvairių rūšių nuostoliai įvairiais būdais priklauso nuo apkrovos. Paprastai galima daryti prielaidą, kad kai kurių rūšių nuostoliai išlieka pastovūs keičiantis apkrovai, o kiti yra kintami. Pavyzdžiui, jei nuolatinės srovės generatorius dirba pastoviu sukimosi greičiu ir pastoviu žadinimo srautu, tai mechaniniai ir magnetiniai nuostoliai taip pat yra pastovūs. Priešingai, elektros nuostoliai armatūros apvijose proporcingai keičiasi papildomi poliai ir kompensacinės apvijos aš a ², o šepečio kontaktuose - proporcingai aš A. Generatoriaus įtampa taip pat yra maždaug pastovi, todėl su tam tikru tikslumu P 2∼ aš A.

Taigi bendru, šiek tiek idealizuotu atveju, galime manyti, kad

Kur p 0 – pastovūs nuostoliai, nepriklausomi nuo apkrovos; p 1 – nuostolių vertė priklausomai nuo pirmojo laipsnio k ng esant vardinei apkrovai; p 2 – nuostolių vertė priklausomai nuo kvadrato k ng, esant vardinei apkrovai.

Pakeiskime P 2 iš (5) ir pΣ iš (7) į naudingumo formulę.

Nustatykime, kokia verte k ng efektyvumas pasiekia maksimalią reikšmę, kuriai nustatome išvestinę dη/ dk ng pagal (8) formulę ir prilyginkite nuliui:

Ši lygtis yra įvykdyta, kai jos vardiklis yra lygus begalybei, tai yra, kada k ng = ∞. Ši byla nėra įdomi. Todėl skaitiklį būtina nustatyti lygų nuliui. Šiuo atveju gauname

Taigi efektyvumas bus didžiausias esant apkrovai, kuriai esant kintamieji nuostoliai k ng ² × p 2, priklausomai nuo apkrovos kvadrato, tampa lygūs pastoviems nuostoliams p 0 .

apkrovos koeficiento vertė esant didžiausiam efektyvumui pagal (9) formulę,

Jei mašina suprojektuota tam tikrai vertei η max, tai nuo nuostolių k ng × p 1 paprastai yra palyginti maži, galime manyti, kad

p 0 + p 2 ≈ pΣ = konst.

Nuostolių santykio keitimas p 0 ir p 2, maksimali efektyvumo vertė gali būti pasiekta esant skirtingoms apkrovoms. Jei mašina daugiausia veikia esant apkrovai, artimai vardinei apkrovai, tada naudinga, kad vertė k ng [žr. formulę (10)] buvo artima vienybei. Jei mašina daugiausia veikia esant nedidelėms apkrovoms, tai yra naudinga vertei k ng [žr. formulę (10)] buvo atitinkamai mažesnis.