Bagaimanakah kecekapan transformer ditentukan? Kecekapan maksimum enjin haba (teorem Carnot)

Definisi [ | ]

Kecekapan

Secara matematik, definisi kecekapan boleh ditulis sebagai:

di mana A- kerja yang berguna (tenaga), dan Q- tenaga yang dibelanjakan.

Jika kecekapan dinyatakan sebagai peratusan, maka ia dikira dengan formula:

di mana Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- haba yang diambil dari hujung sejuk (dalam mesin penyejukan, kapasiti penyejukan); A (\displaystyle A)

Istilah yang digunakan untuk pam haba ialah nisbah transformasi

di mana Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- haba pemeluwapan dipindahkan ke penyejuk; A (\displaystyle A)- kerja (atau tenaga elektrik) yang dibelanjakan untuk proses ini.

Dalam kereta yang sempurna Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), dari sini kepada kereta yang ideal ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Tiada satu tindakan yang dilakukan berlaku tanpa kerugian - ia sentiasa wujud. Hasil yang diperoleh sentiasa kurang daripada usaha yang perlu dikeluarkan untuk mencapainya. Pekali prestasi (kecekapan) menunjukkan betapa besar kerugian semasa melaksanakan kerja.

Apakah yang tersembunyi di sebalik singkatan ini? Pada dasarnya, ini adalah pekali kecekapan mekanisme atau penunjuk penggunaan rasional tenaga. Nilai kecekapan tidak mempunyai sebarang unit ukuran; ia dinyatakan sebagai peratusan. Pekali ini ditentukan sebagai nisbah kerja berguna peranti kepada kerja yang dibelanjakan untuk operasinya. Untuk mengira kecekapan, formula pengiraan akan kelihatan seperti ini:

Kecekapan =100* (kerja berguna yang dilakukan/kerja yang dibelanjakan)

DALAM pelbagai peranti untuk mengira nisbah ini kita gunakan makna yang berbeza. Untuk motor elektrik Kecekapan akan kelihatan seperti nisbah kerja berguna yang dilakukan kepada tenaga elektrik yang diterima daripada rangkaian. Untuk akan ditakrifkan sebagai nisbah kerja berguna yang dilakukan kepada jumlah haba yang dibelanjakan.

Untuk penentuan kecekapan Ia adalah perlu bahawa setiap orang adalah berbeza dan kerja dinyatakan dalam unit yang sama. Ia kemudiannya boleh membandingkan mana-mana objek, seperti penjana elektrik dan objek biologi, dari segi kecekapan.

Seperti yang telah dinyatakan, disebabkan oleh kerugian yang tidak dapat dielakkan semasa operasi mekanisme, faktor kecekapan sentiasa kurang daripada 1. Oleh itu, kecekapan stesen haba mencapai 90%, kecekapan enjin pembakaran dalaman adalah kurang daripada 30%, dan kecekapan pengubah elektrik ialah 98%. Konsep kecekapan boleh digunakan untuk kedua-dua mekanisme secara keseluruhan dan kepada komponen individunya. Apabila membuat penilaian umum kecekapan mekanisme secara keseluruhan (kecekapannya), produk kecekapan individu komponen peranti ini.

Masalah penggunaan yang berkesan bahan api tidak muncul hari ini. Dengan peningkatan berterusan dalam kos sumber tenaga, persoalannya meningkatkan kecekapan mekanisme bertukar daripada teori semata-mata kepada isu praktikal. Jika kecekapan kereta biasa tidak melebihi 30%, maka kita hanya membuang 70% daripada wang kita yang dibelanjakan untuk mengisi minyak kereta.

Pertimbangan kecekapan enjin pembakaran dalaman (ICE) menunjukkan bahawa kerugian berlaku pada semua peringkat operasinya. Oleh itu, hanya 75% bahan api yang masuk dibakar dalam silinder enjin, dan 25% dilepaskan ke atmosfera. Daripada semua bahan api yang terbakar, hanya 30-35% daripada haba yang dilepaskan digunakan untuk melakukan kerja yang berguna; haba selebihnya sama ada hilang dalam gas ekzos atau kekal dalam sistem penyejukan kereta. Daripada kuasa yang diterima kepada kerja yang berguna Kira-kira 80% digunakan, selebihnya kuasa dibelanjakan untuk mengatasi daya geseran dan digunakan oleh mekanisme tambahan kenderaan.

Walaupun pada ini contoh mudah analisis kecekapan mekanisme membolehkan kami menentukan arah di mana kerja harus dijalankan untuk mengurangkan kerugian. Ya, salah satu daripada bidang keutamaan- memastikan pembakaran bahan api sepenuhnya. Ini dicapai dengan pengabusan tambahan bahan api dan peningkatan tekanan, itulah sebabnya enjin dengan suntikan terus dan pengecasan turbo menjadi begitu popular. Haba yang dikeluarkan dari enjin digunakan untuk memanaskan bahan api untuk penyejatan yang lebih baik, dan kerugian mekanikal dikurangkan dengan menggunakan varieti moden

Di sini kami telah mempertimbangkan konsep sedemikian, seperti yang diterangkan, apakah itu dan apa yang mempengaruhinya. Menggunakan contoh enjin pembakaran dalaman, kecekapan operasinya dipertimbangkan dan arahan serta cara untuk meningkatkan keupayaan peranti ini, dan, akibatnya, kecekapan ditentukan.

Di antara banyak ciri pelbagai mekanisme dalam kereta, yang menentukan adalah Kecekapan enjin pembakaran dalaman. Untuk mengetahui intipati konsep ini, anda perlu mengetahui dengan tepat apa itu enjin pembakaran dalaman klasik.

Kecekapan enjin pembakaran dalaman - apakah itu?

Pertama sekali, motor menukar tenaga haba yang dijana semasa pembakaran bahan api kepada jumlah tertentu kerja mekanikal. Tidak seperti enjin stim, enjin ini lebih ringan dan lebih padat. Ia jauh lebih menjimatkan dan menggunakan bahan api cecair dan gas yang ditetapkan dengan ketat. Oleh itu, kecekapan enjin moden dikira berdasarkan ciri teknikalnya dan penunjuk lain.

Kecekapan (pekali prestasi) ialah nisbah kuasa sebenar yang dihantar ke aci enjin kepada kuasa yang diterima oleh omboh akibat tindakan gas. Jika kita membandingkan kecekapan enjin dengan kuasa yang berbeza, kita boleh menetapkan bahawa nilai ini untuk setiap daripada mereka mempunyai ciri-ciri sendiri.

Kedua-dua enjin, walaupun persamaan dalam reka bentuk, mempunyai jenis lain pembentukan campuran. Oleh itu, omboh enjin karburetor beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, memerlukan penyejukan berkualiti tinggi. Disebabkan ini tenaga haba, yang boleh bertukar menjadi mekanikal, hilang tanpa sebarang faedah, mengurangkan makna umum Kecekapan

Walau bagaimanapun, untuk meningkatkan kecekapan enjin petrol, langkah-langkah tertentu diambil. Sebagai contoh, satu silinder mungkin mempunyai dua injap masukan dan satu injap ekzos, dan bukannya satu injap masukan dan satu injap ekzos. Di samping itu, sesetengah enjin mempunyai gegelung pencucuh berasingan yang dipasang untuk setiap palam pencucuh. Injap pendikit dikawal dalam banyak kes menggunakan pemacu elektrik dan bukannya kabel biasa.

Kecekapan enjin diesel – kecekapan ketara

Diesel adalah salah satu jenis enjin pembakaran dalaman di mana campuran kerja dinyalakan akibat mampatan. Oleh itu, tekanan udara dalam silinder adalah lebih tinggi daripada enjin petrol. Membandingkan kecekapan enjin diesel dengan kecekapan reka bentuk lain, kita boleh perhatikan kecekapan tertingginya.

Pada kelajuan rendah dan anjakan yang besar, penunjuk kecekapan boleh melebihi 50%.

Anda harus memberi perhatian kepada penggunaan yang agak rendah minyak diesel dan kandungan rendah bahan berbahaya dalam gas ekzos. Oleh itu, nilai kecekapan enjin pembakaran dalaman bergantung sepenuhnya kepada jenis dan reka bentuknya. Dalam kebanyakan kenderaan, kecekapan yang lemah diimbangi oleh pelbagai penambahbaikan untuk meningkatkan prestasi keseluruhan. spesifikasi.

Adalah diketahui bahawa Tenaga Elektrik dihantar ke jarak jauh pada voltan melebihi paras yang digunakan oleh pengguna. Penggunaan transformer adalah perlu untuk menukar voltan kepada nilai yang diperlukan, meningkatkan kualiti proses penghantaran elektrik, dan juga mengurangkan kerugian yang terhasil.

Penerangan dan prinsip operasi pengubah

Transformer ialah peranti yang digunakan untuk menurunkan atau meningkatkan voltan, menukar bilangan fasa dan, dalam kes yang jarang berlaku, menukar frekuensi arus ulang alik.

Jenis peranti berikut wujud:

• kuasa;
• mengukur;
• kuasa rendah;
• nadi;
• pengubah puncak.

Radas statik terdiri daripada yang utama berikut elemen struktur: dua (atau lebih) belitan dan litar magnetik, yang juga dipanggil teras. Dalam transformer, voltan dibekalkan kepada belitan primer dan dikeluarkan dari sekunder dalam bentuk ditukar. Penggulungan disambungkan secara induktif, melalui medan magnet dalam inti.

Bersama-sama dengan penukar lain, transformer mempunyai faktor kecekapan (disingkatkan sebagai Kecekapan), Dengan simbol. Pekali ini mewakili nisbah tenaga yang digunakan secara berkesan kepada tenaga yang digunakan daripada sistem. Ia juga boleh dinyatakan sebagai nisbah kuasa yang digunakan oleh beban kepada kuasa yang digunakan oleh peranti daripada rangkaian. Kecekapan adalah salah satu parameter utama yang mencirikan kecekapan kerja yang dilakukan oleh pengubah.

Jenis kerugian dalam transformer

Proses pemindahan elektrik dari belitan primer ke sekunder disertai dengan kerugian. Atas sebab ini, tidak semua tenaga dipindahkan, tetapi kebanyakannya.

Reka bentuk peranti tidak termasuk bahagian berputar, tidak seperti mesin elektrik lain. Ini menjelaskan ketiadaan kerugian mekanikal di dalamnya.

Jadi, peranti mengandungi kerugian berikut:

• elektrik, dalam belitan tembaga;
• magnet, dalam teras keluli.

Gambar rajah tenaga dan Undang-undang Pengekalan Tenaga

Prinsip pengendalian peranti boleh dibentangkan secara skematik dalam bentuk gambar rajah tenaga, seperti yang ditunjukkan dalam Imej 1. Gambar rajah mencerminkan proses pemindahan tenaga, di mana kerugian elektrik dan magnet dijana .

Menurut rajah, formula untuk menentukan kuasa berkesan P 2 adalah seperti berikut:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

di mana, P 2 berguna, dan P 1 ialah kuasa yang digunakan oleh peranti daripada rangkaian.

Menyatakan jumlah kerugian ΔP, undang-undang pemuliharaan tenaga akan kelihatan seperti: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Daripada formula ini jelas bahawa P 1 dibelanjakan untuk P 2, serta pada jumlah kerugian ΔP. Oleh itu, kecekapan pengubah diperolehi dalam bentuk nisbah kuasa yang dibekalkan (berguna) kepada kuasa yang digunakan (nisbah P 2 dan P 1).

Penentuan kecekapan

Dengan ketepatan yang diperlukan untuk mengira peranti, nilai kecekapan yang diperoleh sebelum ini boleh diambil dari Jadual No. 1:

Penentuan kecekapan melalui pengukuran langsung

Formula untuk mengira kecekapan boleh dibentangkan dalam beberapa versi:

Ungkapan ini jelas menggambarkan bahawa nilai kecekapan pengubah tidak lebih daripada satu, dan juga tidak sama dengannya.

Ungkapan berikut menentukan nilai kuasa bersih:

P 2 =U 2 *J 2 *kosφ 2 , (4)

di mana U 2 dan J 2 ialah voltan sekunder dan arus beban, dan cosφ 2 ialah faktor kuasa, yang nilainya bergantung kepada jenis beban.

Oleh kerana P 1 =ΔP+P 2, formula (3) mengambil bentuk berikut:

Kerugian elektrik belitan primer ΔP el1n bergantung pada kuasa dua arus yang mengalir di dalamnya. Oleh itu, mereka harus ditakrifkan dengan cara ini:

(6)

Pada gilirannya:

(7)

di mana r mp ialah rintangan belitan aktif.

Sejak bekerja peranti elektromagnet tidak terhad kepada mod undian, menentukan tahap beban semasa memerlukan penggunaan faktor beban, yang sama dengan:

β=J 2 /J 2н, (8)

di mana J 2n ialah arus terkadar belitan sekunder.

Dari sini, kami menulis ungkapan untuk menentukan arus belitan sekunder:

J 2 =β*J 2n (9)

Jika kita menggantikan kesamaan ini ke dalam formula (5), kita mendapat ungkapan berikut:

Ambil perhatian bahawa menentukan nilai kecekapan menggunakan ungkapan terakhir disyorkan oleh GOST.

Merumuskan maklumat yang dibentangkan, kami perhatikan bahawa kecekapan pengubah boleh ditentukan oleh nilai kuasa belitan primer dan sekunder peranti pada mod undian.

Penentuan kecekapan melalui kaedah tidak langsung

Oleh kerana nilai kecekapan yang besar, yang boleh sama dengan 96% atau lebih, serta sifat tidak ekonomik kaedah pengukuran langsung, hitung parameter dengan darjat tinggi ketepatan tidak mungkin. Oleh itu, penentuannya biasanya dilakukan dengan kaedah tidak langsung.

Merumuskan semua ungkapan yang diperolehi, kami memperoleh formula berikut untuk mengira kecekapan:

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

Untuk meringkaskan, perlu diperhatikan bahawa penunjuk kecekapan tinggi menunjukkan operasi cekap peranti elektromagnet. Kerugian dalam belitan dan keluli teras, menurut GOST, ditentukan oleh pengalaman atau litar pintas, dan langkah-langkah yang bertujuan untuk mengurangkannya akan membantu mencapai nilai kecekapan tertinggi yang mungkin, yang perlu kita usahakan.

Peruntukan am

Kecekapan ditakrifkan sebagai nisbah kuasa yang berguna, atau dihantar P 2 kepada penggunaan kuasa P 1:

Mesin elektrik moden mempunyai faktor kecekapan (efficiency) yang tinggi. Ya, di kereta arus terus dengan kuasa 10 kW kecekapan adalah 83 - 87%, dengan kuasa 100 kW - 88 - 93% dan dengan kuasa 1000 kW - 92 - 96%. Hanya mesin kecil yang mempunyai kecekapan yang agak rendah; sebagai contoh, motor DC 10 W mempunyai kecekapan 30 - 40%.

Keluk kecekapan mesin elektrik η = f(P 2) mula-mula meningkat dengan cepat dengan peningkatan beban, kemudian kecekapan mencapai nilai maksimumnya (biasanya pada beban yang hampir dengan beban undian) dan berkurangan pada beban tinggi (Rajah 1). Yang terakhir ini dijelaskan oleh fakta bahawa jenis kerugian tertentu (elektrik saya a 2 r dan tambahan) berkembang lebih cepat daripada kuasa berguna.

Kaedah langsung dan tidak langsung untuk menentukan kecekapan

Kaedah langsung untuk menentukan kecekapan dengan nilai eksperimen P 1 dan P 2 mengikut formula (1) boleh memberikan ketidaktepatan yang ketara, kerana, pertama, P 1 dan P 2 adalah hampir dalam nilai dan, kedua, penentuan eksperimen mereka dikaitkan dengan ralat. Kesukaran dan kesilapan terbesar adalah disebabkan oleh mengukur kuasa mekanikal.

Jika, sebagai contoh, nilai kuasa sebenar P 1 = 1000 kW dan P 2 = 950 kW boleh ditentukan dengan ketepatan 2%, kemudian bukannya nilai kecekapan sebenar.

η = 950/1000 = 0,95

tersedia

Oleh itu, GOST 25941-83, "Mesin elektrik berputar. Kaedah untuk menentukan kerugian dan kecekapan," menetapkan untuk mesin dengan η% ≥ 85% kaedah tidak langsung untuk menentukan kecekapan, di mana jumlah kerugian ditentukan daripada data eksperimen hlm Σ .

Menggantikan kepada formula (1) P 2 = P 1 - hlmΣ , kita dapat

Menggunakan penggantian di sini P 1 = P 2 + hlmΣ, kita mendapat satu lagi bentuk formula:

(4)

Oleh kerana ia lebih mudah dan tepat untuk diukur kuasa elektrik(untuk enjin P 1 dan untuk penjana P 2), maka formula (3) lebih sesuai untuk enjin dan formula (4) untuk penjana. Kaedah untuk penentuan percubaan bagi kerugian individu dan jumlah kerugian hlmΣ diterangkan dalam piawaian mesin elektrik dan manual ujian dan penyelidikan mesin elektrik. Walaupun hlmΣ ditentukan dengan ketara kurang ketepatan daripada P 1 atau P 2, apabila menggunakan formula (3) dan (4) dan bukannya ungkapan (1), hasil yang jauh lebih tepat diperolehi.

Syarat untuk kecekapan maksimum

Pelbagai jenis kerugian dalam pelbagai cara bergantung pada beban. Secara umumnya boleh diandaikan bahawa beberapa jenis kerugian kekal malar apabila beban berubah, manakala yang lain berubah-ubah. Sebagai contoh, jika penjana DC beroperasi pada kelajuan putaran malar dan fluks pengujaan malar, maka kerugian mekanikal dan magnet juga malar. sebaliknya, kehilangan elektrik dalam belitan angker, tiang tambahan dan belitan pampasan berubah secara berkadar saya a ², dan dalam sentuhan berus - secara berkadar saya A. Voltan penjana juga lebih kurang malar, dan oleh itu dengan tahap ketepatan tertentu P 2∼ saya A.

Oleh itu, secara umum, kes yang agak ideal, kita boleh menganggapnya

di mana hlm 0 – kerugian berterusan, bebas daripada beban; hlm 1 – nilai kerugian bergantung pada tahap pertama k ng pada beban berkadar; hlm 2 – nilai kerugian bergantung pada kuasa dua k ng, pada beban berkadar.

Mari kita ganti P 2 daripada (5) dan hlmΣ daripada (7) ke dalam formula kecekapan.

Mari kita tentukan pada nilai apa k kecekapan mencapai nilai maksimumnya, yang mana kita menentukan derivatifnya dη/ dk ng mengikut formula (8) dan samakannya dengan sifar:

Persamaan ini berpuas hati apabila penyebutnya sama dengan infiniti, iaitu apabila k ng = ∞. Kes ini tidak diminati. Oleh itu, adalah perlu untuk menetapkan pengangka sama dengan sifar. Dalam kes ini kita dapat

Oleh itu, kecekapan akan menjadi maksimum pada beban di mana kerugian berubah k ng ² × hlm 2, bergantung pada kuasa dua beban, menjadi sama dengan kerugian berterusan hlm 0 .

Nilai faktor beban pada kecekapan maksimum, mengikut formula (9),

Jika mesin direka untuk nilai yang diberikan η max, maka sejak kerugian k ng × hlm 1 biasanya agak kecil, kita boleh menganggapnya

hlm 0 + hlm 2 ≈ hlmΣ = const.

Menukar nisbah kerugian hlm 0 dan hlm 2, kecekapan maksimum boleh dicapai pada beban yang berbeza. Jika mesin beroperasi kebanyakannya pada beban yang hampir dengan beban undian, maka adalah berfaedah bahawa nilainya k ng [lihat formula (10)] hampir kepada perpaduan. Jika mesin beroperasi terutamanya di bawah beban ringan, maka ia berfaedah untuk nilainya k ng [lihat formula (10)] juga kurang.