Transformatörün verimliliği nasıl belirlenir? Isı motorlarının maksimum verimliliği (Carnot teoremi)

Tanım [ | ]

Yeterlik

Matematiksel olarak verimliliğin tanımı şu şekilde yazılabilir:

Nerede A- yararlı iş (enerji) ve Q- harcanan enerji.

Verimlilik yüzde olarak ifade edilirse aşağıdaki formülle hesaplanır:

Nerede Q X (\ displaystyle Q_(\ mathrm (X) ))- soğuk uçtan alınan ısı (soğutma makinelerinde soğutma kapasitesi); bir (\displaystyle A)

Isı pompaları için kullanılan terim dönüşüm oranı

Nerede Q Γ (\displaystyle Q_(\Gama ))- soğutucuya aktarılan yoğuşma ısısı; bir (\displaystyle A)- bu süreç için harcanan iş (veya elektrik).

Mükemmel arabada Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gama )=Q_(\mathrm (X) )+A), buradan ideal araca ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Gerçekleştirilen tek bir eylem kayıpsız gerçekleşmez; bunlar her zaman mevcuttur. Elde edilen sonuç her zaman onu başarmak için harcanması gereken çabadan daha azdır. Performans katsayısı (verimlilik), iş yaparken kayıpların ne kadar büyük olduğunu gösterir.

Bu kısaltmanın arkasında ne gizli? Özünde bu, mekanizmanın veya göstergenin verimlilik katsayısıdır. akılcı kullanım enerji. Verimlilik değerinin herhangi bir ölçü birimi yoktur, yüzde olarak ifade edilir. Bu katsayı, cihazın faydalı çalışmasının, çalışması için harcanan işe oranı olarak belirlenir. Verimliliği hesaplamak için hesaplama formülü şöyle görünecektir:

Verimlilik =100* (yapılan faydalı iş/harcanan iş)

İÇİNDE çeşitli cihazlar kullandığımız bu oranı hesaplamak için Farklı anlamlar. İçin elektrik motorları Verimlilik, gerçekleştirilen faydalı işin ağdan alınan elektrik enerjisine oranı gibi görünecektir. Çünkü yapılan yararlı işin harcanan ısı miktarına oranı olarak tanımlanacaktır.

İçin verimliliğin belirlenmesi Herkesin farklı olması ve işin aynı birimlerle ifade edilmesi gerekiyor. Böylece elektrik jeneratörleri ve biyolojik nesneler gibi herhangi bir nesneyi verimlilik açısından karşılaştırmak mümkün olacak.

Daha önce de belirtildiği gibi mekanizmaların çalışması sırasında kaçınılmaz kayıplar nedeniyle verimlilik faktörü her zaman 1'den küçüktür. Böylece termik istasyonların verimliliği %90'a ulaşır, içten yanmalı motorların verimliliği %30'un altına düşer ve termik santrallerin verimliliği %90'a ulaşır. bir elektrik transformatörü %98'dir. Verimlilik kavramı hem mekanizmaya bir bütün olarak hem de bireysel bileşenlerine uygulanabilir. Mekanizmanın bir bütün olarak verimliliğine (verimliliğine) ilişkin genel bir değerlendirme yapılırken, bireysel verimliliğin çarpımı bileşenler bu cihaz.

Sorun etkili kullanım yakıt bugün görünmedi. Enerji kaynaklarının maliyetinin sürekli artmasıyla birlikte soru verimliliği artırmak mekanizmalar tamamen teorik bir meseleden pratik bir meseleye dönüşüyor. Normal bir arabanın verimliliği %30'u geçmezse, o zaman araca yakıt ikmali için harcadığımız paranın %70'ini çöpe atarız.

İçten yanmalı motorun (ICE) verimliliği göz önüne alındığında, çalışmasının her aşamasında kayıpların meydana geldiği görülmektedir. Böylece gelen yakıtın sadece %75'i motor silindirlerinde yakılır, %25'i ise atmosfere salınır. Yanan yakıtın tamamından açığa çıkan ısının yalnızca %30-35'i yararlı işler yapmak için kullanılır; geri kalan ısı ya egzoz gazlarında kaybolur ya da otomobilin soğutma sisteminde kalır. Alınan güçten faydalı iş Yaklaşık %80'i kullanılır, gücün geri kalanı sürtünme kuvvetlerinin üstesinden gelmek için harcanır ve aracın yardımcı mekanizmaları tarafından kullanılır.

Bu konuda bile basit örnek mekanizmanın verimliliğinin analizi, kayıpları azaltmak için işin hangi yönde yapılması gerektiğini belirlememizi sağlar. Evet, biri öncelikli alanlar- yakıtın tamamen yanmasını sağlamak. Bu, yakıtın ilave atomizasyonu ve artan basınçla elde edilir, bu nedenle doğrudan enjeksiyonlu ve turboşarjlı motorlar bu kadar popüler hale geliyor. Motordan uzaklaştırılan ısı, yakıtın daha iyi buharlaşması için ısıtılması için kullanılır ve mekanik kayıplar azaltılır. modern çeşitler

Burada böyle bir kavramın anlatıldığı şekliyle ne olduğunu ve neleri etkilediğini ele aldık. İçten yanmalı bir motor örneğini kullanarak, çalışmasının verimliliği dikkate alınır ve bu cihazın yeteneklerini ve dolayısıyla verimliliğini artırmanın yönleri ve yolları belirlenir.

Bir arabadaki çeşitli mekanizmaların pek çok özelliği arasında en belirleyici olanı İçten yanmalı motor verimliliği. Bu konseptin özünü bulmak için klasik içten yanmalı motorun ne olduğunu tam olarak bilmeniz gerekir.

İçten yanmalı motorun verimliliği - nedir?

Öncelikle motor, yakıtın yanması sırasında ortaya çıkan termal enerjiyi belirli bir miktar enerjiye dönüştürür. mekanik iş. Buhar motorlarının aksine bu motorlar daha hafif ve daha kompakttır. Çok daha ekonomiktirler ve kesin olarak tanımlanmış sıvı ve gaz yakıtları tüketirler. Böylece modern motorların verimliliği, teknik özelliklerine ve diğer göstergelere göre hesaplanır.

Verimlilik (performans katsayısı), motor miline iletilen gerçek gücün, gazların hareketi nedeniyle piston tarafından alınan güce oranıdır. Farklı güçteki motorların verimliliğini karşılaştırırsak, her biri için bu değerin kendine has özelliklere sahip olduğunu tespit edebiliriz.

Her iki motor da tasarım benzerliğine rağmen Farklı türde karışım oluşumu. Bu nedenle karbüratörlü bir motorun pistonları daha yüksek sıcaklıklarda çalışır ve yüksek kalitede soğutma gerektirir. Bu nedenle Termal enerji Mekanik hale gelebilecek olan, herhangi bir fayda sağlamadan dağılarak, Genel anlam Yeterlik

Ancak benzinli motorun verimliliğini artırmak için bazı önlemler alınır. Örneğin, bir silindirde bir emme ve bir egzoz valfi yerine iki emme ve bir egzoz valfi bulunabilir. Ayrıca bazı motorlarda her buji için ayrı bir ateşleme bobini takılıdır. Gaz kelebeği birçok durumda sıradan bir kablo yerine elektrikli bir tahrik kullanılarak kontrol edilir.

Dizel motor verimliliği – fark edilir verimlilik

Dizel, çalışma karışımının sıkıştırma sonucu ateşlendiği içten yanmalı motor türlerinden biridir. Bu nedenle silindirdeki hava basıncı benzinli motora göre çok daha yüksektir. Dizel motorun verimliliğini diğer tasarımların verimliliğiyle karşılaştırdığımızda, en yüksek verimliliğini not edebiliriz.

Düşük hızlarda ve büyük deplasmanlarda verimlilik göstergesi %50'yi aşabilir.

Nispeten düşük tüketime dikkat etmelisiniz dizel yakıt ve düşük içerik zararlı maddeler egzoz gazlarında. Dolayısıyla içten yanmalı bir motorun verim değeri tamamen tipine ve tasarımına bağlıdır. Pek çok araçta düşük verimlilik, genel performansı iyileştirmeye yönelik çeşitli iyileştirmelerle dengelenir. özellikler.

biliniyor ki Elektrik enerjisi iletildi uzun mesafeler Tüketicilerin kullandığı seviyeyi aşan voltajlarda. Gerilimleri gerekli değerlere dönüştürmek, elektrik iletim sürecinin kalitesini arttırmak ve ayrıca ortaya çıkan kayıpları azaltmak için transformatörlerin kullanılması gereklidir.

Transformatörün tanımı ve çalışma prensibi

Transformatör, voltajı düşürmek veya artırmak, faz sayısını değiştirmek ve nadir durumlarda alternatif akımın frekansını değiştirmek için kullanılan bir cihazdır.

Aşağıdaki cihaz türleri mevcuttur:

• güç;
• ölçüm;
• düşük güç;
• nabız;
• tepe transformatörleri.

Statik aparat aşağıdaki ana parçalardan oluşur: yapısal elemanlar: iki (veya daha fazla) sargı ve aynı zamanda çekirdek olarak da adlandırılan manyetik bir devre. Transformatörlerde, birincil sargıya voltaj verilir ve ikincil sargıdan dönüştürülmüş bir biçimde çıkarılır. Sargılar endüktif olarak bağlanır manyetik alançekirdekte.

Diğer dönüştürücülerle birlikte transformatörlerin de bir verimlilik faktörü vardır (kısaltılmış hali: Yeterlik), İle sembol. Bu katsayı, etkin olarak kullanılan enerjinin sistemden tüketilen enerjiye oranını temsil eder. Yükün tükettiği gücün, cihazın ağdan tükettiği güce oranı olarak da ifade edilebilir. Verimlilik, bir transformatör tarafından gerçekleştirilen işin verimliliğini karakterize eden temel parametrelerden biridir.

Transformatördeki kayıp türleri

Elektriğin birincil sargıdan ikincil sargıya aktarılması işlemine kayıplar eşlik eder. Bu nedenle enerjinin tamamı değil büyük bir kısmı aktarılır.

Cihazın tasarımı diğer elektrikli makinelerden farklı olarak dönen parçalar içermiyor. Bu, içindeki mekanik kayıpların olmadığını açıklar.

Yani cihaz aşağıdaki kayıpları içerir:

• elektrik, bakır sargılarda;
• Manyetik, çelik çekirdekli.

Enerji diyagramı ve Enerjinin Korunumu Yasası

Cihazın çalışma prensibi Şekil 1'de gösterildiği gibi şematik olarak bir enerji diyagramı şeklinde sunulabilir. Diyagram, elektriksel ve manyetik kayıpların oluştuğu enerji aktarım sürecini yansıtmaktadır. .

Diyagrama göre, etkin güç P2'yi belirleme formülü aşağıdaki gibidir:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

burada P2 kullanışlıdır ve P1, cihazın ağdan tükettiği güçtür.

Toplam kayıpları ΔP ifade ederek, enerjinin korunumu yasası şöyle görünecektir: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Bu formülden P1'in P2'ye ve ayrıca ΔP toplam kayıplarına harcandığı açıktır. Dolayısıyla transformatörün verimliliği, sağlanan (faydalı) gücün tüketilen güce oranı (P2 ve P1 oranı) şeklinde elde edilir.

Verimliliğin belirlenmesi

Cihazın hesaplanması için gerekli doğrulukla, önceden elde edilen verimlilik değerleri Tablo No. 1'den alınabilir:

Verimliliğin doğrudan ölçümlerle belirlenmesi

Verimliliği hesaplama formülü çeşitli versiyonlarda sunulabilir:

Bu ifade, transformatörün verim değerinin birden fazla olmadığını ve ona eşit olmadığını açıkça yansıtmaktadır.

Aşağıdaki ifade net güç değerini belirler:

P 2 =U 2 *J 2 *cosφ 2 , (4)

burada U 2 ve J 2 ikincil voltaj ve yük akımıdır ve cosφ 2, değeri yükün türüne bağlı olan güç faktörüdür.

P1 =ΔP+P2 olduğundan formül (3) aşağıdaki formu alır:

Birincil sargının ΔP el1n elektriksel kayıpları, içinden akan akımın karesine bağlıdır. Bu nedenle şu şekilde tanımlanmaları gerekir:

(6)

Sırasıyla:

(7)

burada r mp aktif sargı direncidir.

İşten beri elektromanyetik cihaz Nominal modla sınırlı değildir; akım yükünün derecesinin belirlenmesi, aşağıdakilere eşit bir yük faktörünün kullanılmasını gerektirir:

β=J 2 /J 2н, (8)

burada J 2n sekonder sargının nominal akımıdır.

Buradan sekonder sargı akımını belirlemek için ifadeleri yazıyoruz:

J 2 =β*J 2n (9)

Bu eşitliği formül (5)'te yerine koyarsak aşağıdaki ifadeyi elde ederiz:

Son ifadeyi kullanarak verimlilik değerinin belirlenmesinin GOST tarafından önerildiğini unutmayın.

Sunulan bilgileri özetleyerek, bir transformatörün verimliliğinin, cihazın birincil ve ikincil sargılarının nominal modda güç değerleriyle belirlenebileceğini not ediyoruz.

Dolaylı yöntemle verimliliğin belirlenmesi

%96 veya daha fazla olabilen büyük verimlilik değerlerinin yanı sıra doğrudan ölçüm yönteminin ekonomik olmaması nedeniyle parametreyi şu şekilde hesaplayın: yüksek derece doğruluk mümkün değildir. Bu nedenle belirlenmesi genellikle dolaylı bir yöntemle gerçekleştirilir.

Elde edilen tüm ifadeleri özetleyerek verimliliği hesaplamak için aşağıdaki formülü elde ederiz:

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

Özetlemek gerekirse, yüksek verimlilik göstergesinin elektromanyetik cihazın verimli çalışmasını gösterdiğini belirtmek gerekir. GOST'a göre sargılarda ve çekirdek çeliğinde meydana gelen kayıplar deneyim veya kısa devre ile belirlenir ve bunları azaltmaya yönelik önlemler, çabalamamız gereken mümkün olan en yüksek verimlilik değerlerinin elde edilmesine yardımcı olacaktır.

Genel Hükümler

Verimlilik, yararlı veya sağlanan gücün oranı olarak tanımlanır. P 2 güç tüketimine P 1:

Modern elektrikli makinelerin yüksek bir verimlilik faktörü (verimlilik) vardır. Evet, arabalarda doğru akım 10 kW güçte verimlilik %83 - 87, 100 kW - %88 - 93 ve 1000 kW - %92 - 96 güçtür. Yalnızca küçük makinelerin verimliliği nispeten düşüktür; örneğin 10 W'luk bir DC motorun verimliliği %30 - 40'tır.

Elektrikli makine verimlilik eğrisi η = F(P 2) Yükün artmasıyla birlikte önce hızlı bir şekilde artar, daha sonra verim maksimum değerine ulaşır (genellikle nominal yüke yakın bir yükte) ve yüksek yüklerde ise düşer (Şekil 1). İkincisi, belirli kayıp türlerinin (elektriksel BEN bir 2 R ve ek olanlar) faydalı güçten daha hızlı büyür.

Verimliliği belirlemek için doğrudan ve dolaylı yöntemler

Verimliliği belirlemek için doğrudan yöntem deneysel değerler P 1 ve P Formül (1)'e göre 2, önemli bir yanlışlık verebilir, çünkü ilk olarak, P 1 ve P 2'nin değeri birbirine yakındır ve ikinci olarak deneysel tespitleri hatalarla ilişkilidir. En büyük zorluklar ve hatalar mekanik gücün ölçülmesinden kaynaklanmaktadır.

Örneğin gerçek güç değerleri P 1 = 1000 kW ve P 2 = 950 kW yerine gerçek verim değeri %2 doğrulukla belirlenebilir.

η = 950/1000 = 0,95

mevcut

Bu nedenle, GOST 25941-83, "Dönen elektrikli makineler. Kayıpları ve verimliliği belirleme yöntemleri", η% ≥% 85 olan makineler için, kayıp miktarının deneysel verilerden belirlendiği, verimliliği belirlemek için dolaylı bir yöntem öngörmektedir. P Σ .

Formül (1)'de yerine koyma P 2 = P 1 - PΣ, anladık

Buradaki ikameyi kullanma P 1 = P 2 + PΣ, formülün başka bir formunu elde ederiz:

(4)

Ölçmek daha uygun ve doğru olduğundan Elektrik gücü(motorlar için P 1 ve jeneratörler için P 2), bu durumda formül (3) motorlar için, formül (4) ise jeneratörler için daha uygundur. Bireysel kayıpların ve kayıp miktarının deneysel olarak belirlenmesi için yöntemler PΣ elektrikli makine standartlarında ve test ve araştırma kılavuzlarında açıklanmıştır elektrikli makineler. Olsa bile PΣ önemli ölçüde daha az doğrulukla belirlenir P 1 veya PŞekil 2'de ifade (1) yerine formül (3) ve (4) kullanıldığında çok daha doğru sonuçlar elde edilir.

Maksimum verimlilik için koşullar

Farklı kayıp türleri çeşitli şekillerde yüke bağlıdır. Genellikle bazı kayıp türlerinin yük değiştikçe sabit kaldığı, diğerlerinin ise değişken olduğu varsayılabilir. Örneğin, bir DC jeneratörü sabit bir dönüş hızında ve sabit bir uyarma akısında çalışıyorsa, mekanik ve manyetik kayıplar da sabittir. Tersine, elektrik kayıpları Armatür sargılarında ek kutuplar ve kompanzasyon sargıları orantılı olarak değişir BEN a ² ve fırça kontaklarında - orantılı olarak BEN A. Jeneratör voltajı da yaklaşık olarak sabittir ve bu nedenle belirli bir doğruluk derecesine sahiptir. P 2 ∼ BEN A.

Dolayısıyla, genel, biraz idealize edilmiş bir durumda, şunu varsayabiliriz:

Nerede P 0 – yükten bağımsız olarak sabit kayıplar; P 1 – Birinci dereceye bağlı olarak kayıpların değeri k nominal yükte; P 2 – kareye bağlı olarak kayıpların değeri k ng, nominal yükte.

Hadi değiştirelim P(5)'ten 2'si ve PΣ (7)'den verimlilik formülüne.

Hangi değerde olduğunu belirleyelim k ng verimliliği, türevini belirlediğimiz maksimum değerine ulaşır Dη/ dk formül (8)'e göre ng'yi sıfıra eşitleyin:

Bu denklem, paydası sonsuza eşit olduğunda sağlanır; yani, k ng = ∞. Bu dava ilgi çekici değil. Bu nedenle payı sıfıra eşitlemek gerekir. Bu durumda elde ederiz

Böylece değişken kayıpların k ng ² × olduğu bir yükte verim maksimum olacaktır. P 2, yükün karesine bağlı olarak sabit kayıplara eşit olur P 0 .

Formül (9)'a göre maksimum verimde yük faktörünün değeri,

Bir makine belirli bir η max değeri için tasarlanmışsa, o zaman kayıplar k ng × P 1 genellikle nispeten küçüktür, bunu varsayabiliriz

P 0 + P 2 ≈ PΣ = sabit.

Kayıp oranının değiştirilmesi P 0 ve P 2, farklı yükler altında maksimum verimlilik değerine ulaşılabilir. Makine çoğunlukla nominal yüke yakın yüklerde çalışıyorsa bu durumda değerin daha düşük olması avantajlıdır. k ng [bkz. formül (10)] birliğe yakındı. Makine ağırlıklı olarak hafif yüklerde çalışıyorsa, bu durumda değer açısından avantajlıdır. k ng [bkz. formül (10)] buna uygun olarak daha azdı.