Электр энергиясын беру кезінде трансформаторлардың энергия жоғалысын қалай азайтуға болады?

Трансформатор жоғалтуларының түрлерін түсіну: Өзек жоғалтуы мен жүктемелік жоғалту

Жүктемесіз (өзек) жоғалту: гистерезис, өздік ток және темір жоғалту механизмдері

Жүктемесіз жоғалтулар трансформатор қосылған кезде — жүктемеге қарамастан — пайда болады және толығымен өзектің магниттелуінен туындайды. Бұл тұрақты жоғалтуларға мыналар кіреді:

• Гистерезис жоғалтуы : Өзек материалының циклдық намагничевание және размагничевание кезінде жылу ретінде шығынатын энергия.
• Өздік ток жоғалтуы : Өзек пластинкаларында индуцирленген айналмалы токтардан пайда болатын кедергілік жылу, ол магнит ағынының жиілігінің квадраты мен пластинка қалыңдығына пропорционал.

Бірге алғанда, олар типтік күштік трансформаторлардағы жалпы энергия шығынының 20–40%-ын құрайды (Ponemon, 2023). Жүктеме шығындарынан айырықша, өзек шығындары әртүрлі жүктеме жағдайларында тұрақты қалады, бірақ кернеу шығысы немесе гармоникалық бұрмалау кезінде қатты артады — сонымен қатар өзектің материал сапасына өте сезімтал.

Жүктеме (мыс) шығындары: I²R жылуы, қабықша әсері және көршілік әсеріне тәуелділік

Жүктеме шығындары токпен квадраттық тәуелділікте өседі (I²R) және жоғары жүктемелерде басым болады — жалпы шығындардың 60–80%-ын құрайды. Негізгі қосқыштар:

• Кедергілік (Джоуль) жылуы : Орам өткізгіштеріндегі электрлік энергияның тікелей жылуға айналуы.
• Қабықша әсері : Айнымалы токтың өткізгіш бетіне жиналуы, нәтижесінде тиімді кедергі артады — әсіресе 50 Гц-тен жоғары жиіліктерде.
• Көршілік әсері : Көршілес өткізгіштерден келетін магнит өрістерінің әсерінен токтың бөлінуінің бұрмалануы, бұл AC кедергісін әрі қарай арттырады.

Бұл әсерлер гармоникалық бай жүктемелер кезінде күшейеді, температураның көтерілуін және изоляцияның қартаюын тездетеді. Олардың болдырмауы өткізгіштің оптималды геометриясына, жетілдірілген орау техникасына және сенімді жылу басқару жүйесіне негізделеді — тек өткізгіштің шамасына емес.

Жоғары тиімділікті трансформаторлар үшін өзек жоғалтуларын азайту стратегиялары

Жетілдірілген өзек материалдары: бағытталған кремнийлі болат пен аморфты металл арасындағы таңдау

Гранулалық бағытталған электрлік болат немесе GOES әлі де көптеген салаларда қолданылатын негізгі материал болып табылады, себебі оның гранулалары бір бағытта реттелген. Бұл реттелу гистерезис жоғалтуын қалыпты бағытталмаған болатқа қарағанда шамамен 30% азайтады. Содан кейін тиімділікті тағы да бір деңгейге көтеретін аморфты металл қорытпалары бар. Бұл материалдардың өзекті жоғалтуын 65 пайыздан 70 пайызға дейін азайтуы мүмкін. Неге? Себебі атом деңгейінде олар толығымен ретсіз орналасқан, ал бұл кездейсоқ орналасу өзінен-өзі қиыншылық туғызатын айналмалы токтардың пайда болуын тоқтатады. Бірақ аморфты өзектердің кемшілігі мынада: олар өндіріс кезінде арнайы өңдеуді қажет етеді, ұсақ-түйек қатты қажет етеді және қосымша қойма талаптарын қанағаттандыруы керек. Барлық бұл қосымша шығындар бағаны шамамен 15–25% арттырады. Алайда, жалпы көріністі қарастырғанда бұл әлі де тиімді. Тұрақты жұмыс істейтін жабдықтар үшін уақыт өте келе энергия бойынша үнемделген қаражат бастапқы инвестицияны 5–8 жыл ішінде қайтарып береді. Осылайша, бұл материалдар тораптарды ұзақ мерзімге тиімді ұстауға бағытталған электр энергиясы компаниялары үшін өте тартымды болып табылады.

Магниттік индукциялық тығыздықтың оптимизациясы және B _макс қанықу мен шығындарды теңестіру үшін дереатинг

Магниттік материалдарды олардың максималды пайдаланылатын деңгейінен (Bmax) төмен магниттік индукциялық тығыздықта жұмыс істеу гистерезистік шығындарда қатты төмендеуге әкеледі, себебі бұл шығындар B-ге сызықты тәуелді емес. Мысалы, қалыпты қанығу нүктелерінен — шамамен 1,7–1,8 Тесла аймағынан — жұмыс режимін шамамен 10% төмендету жүктемесіз жұмыс кезіндегі шығындарды 20–25 пайызға дейін қысқартады. Бұл қосымша шамамен 15% көп өзекті материал көлемін талап етеді, бірақ трансформатордың 30 жылдық қызмет көрсету мерзімі бойында экономикалық тиімділігі сақталады, әсіресе кернеудің қаншалықты жақсы реттелетіндігін ескерген кезде. Инженерлердің назарын аударуы қажет тағы бір мәселе — желідегі гармоникалар мен жиілік тербелістері, олар өз кезегінде өзектің белгілі бір аймақтарында жергілікті қанығу аймақтарын тудыруы мүмкін. Егер бұл мәселелер дизайн кезеңінде дұрыс ескерілмесе, төмен деңгейдегі магниттік индукциялық тығыздықта жұмыс істеуден алынатын барлық артықшылықтар толығымен жоғалады.

Орамдардың конструкциясын жасау мен жұмыс істеу параметрлерін реттеу арқылы мыс жоғалтуларын азайту

Кедергі мен айнымалы ток жоғалтуларын азайту үшін өткізгіштің таңдалуы, орамдардың біріктірілуі және геометриялық параметрлерін оптимизациялау

Жоғары өткізгіштікке ие мыс әлі де орамдар үшін ең тиімді таңдау болып табылады, себебі ол негізгі тұрақты ток кедергісін төмендетеді. Ал айнымалы ток жоғалтуларымен күресуде инженерлер жиі транспонирленген немесе Литц сымдарын қолданады. Бұл әдістер токты өткізгіштің көлденең қимасы бойынша біркелкі таратып, теріс әсерін төмендетеді және көршілік әсерінен туындайтын проблемаларды шешеді. Тағы бір әдіс — орамдарды қабаттасып немесе «сандвич» тәрізді орналастыру. Бұл орамдардың санын азайтып, орташа орам ұзындығын қысқартады, нәтижесінде шашыранды жоғалтулар әсіресе жоғары тиімді конструкцияларда 10–15 пайызға дейін төмендейді. Барлық бұл әдістер неге қажет? Олар компоненттердің құрылымдық беріктігін сақтай отырып, жылу жиналуын және уақыт өте келе ақауларға әкелуі мүмкін қиындық туғызатын ыстық дақтарды азайтуда нақты нәтиже береді.

Оптималды ток тығыздығын сақтау үшін жылу басқару мен жүктеме профилінің сәйкестігі

Температура 10 градусқа Цельсий бойынша көтерілгенде орамның кедергісі шамамен 3–4 пайызға артады. Бұл, жақсы салқындату — тек қана тілекті қосымша емес, мыс жоғалтуларын төмендету үшін міндетті талап етілетінін білдіреді. Әртүрлі салқындату әдістері қолданылатын жабдыққа байланысты әртүрлі дәрежеде тиімді болады: кейбір орнатулар үшін мәжбүрлеп желдету жеткілікті, ал басқалары өткізгіштің температурасын тұрақты ұстап, кедергінің бақылаусыз өсуін тоқтату үшін майға батыру немесе бағытталған майлы салқындатуды қажет етеді. Жұмыс істеу режимін дұрыс тепе-теңдікке келтіру де өте маңызды. Трансформаторлар 30% қуаттан төмен тұрақты жүктемеде жұмыс істегенде электр энергиясын үнемдей алмайды, себебі олардың негізгі жоғалтулары басымдыққа ие болады. Алайда, трансформаторларды әрдайым шектерінен асырып жүктегенде изоляция тез тозады. Ақылды операторлар нақты уақытта жүктемені бақылауды кезекті техникалық қызмет көрсету тексерістерімен ұштастырады, сондықтан олар жүктемені динамикалық түрде реттей алады және қажет болған жағдайда оны төмендетеді. IEEE стандарттары ұсынатын 1,5–2,5 ампер/мм² аралығындағы ток тығыздығын сақтау барлық жабдықтың тиімді жұмыс істеуін қамтамасыз етеді және алдын ала зақымдануды болдырмауға көмектеседі.

Трансформаторлардың энергия жоғалтуын азайту үшін жүйелік деңгейдегі ең жақсы тәжірибелер

Трансформаторларды нақты жүктеме профиліне сәйкес келетіндей етіп дұрыс таңдау және жеткіліксіз жүктеу салдарынан болатын залалдардан сақтану

Трансформатордың үлкендігі әлі де жиі кездесетін проблема болып табылады, ол қажетсіз ақшаға шығын келтіреді. Бұл құрылғылар жүктемесі аз болған кезде, олар ең жақсы өнімділік деңгейінен төмен жұмыс істейді, өйткені ең жоғары тиімділік 50-75% жүктеме аралығында болады. Ядроның жоғалуы энергияның 30%-ын құрайды, тіпті аз шығыс болған кезде де. DOE TP1 және IEC 60076 20 сияқты стандарттар 35-50% аралығындағы жүктемелерде тиімділік талаптарына сәйкес келеді, бірақ көптеген нысандар уақытпен нақты жүктемені өлшеудің орнына теорияның нұсқауына негізделген мөлшерді жалғастырады. Дегенмен, деректерге негізделген әдістерге ауысқан электр компаниялары нақты жақсаруларды байқады. 15 минут сайын толығырақ есептегіштерді оқып, сұраныстың маусымдық өзгеруін бақылағандар жалпы жүйе бойынша 12-18% -ға дейін шығындарды азайтады. Сонымен қатар бұл әдіс оларға қажетсіз жабдыққа қосымша ақша жұмсаудан аулақ болуға көмектеседі.

Тиімді мыс жоғалтуларын азайту үшін қуат коэффициентін түзету және гармоникалық бұрмалануларды жою

Қуат коэффициентінің проблемалары трансформаторлардың қосымша реактивті токты өткізуіне әкеледі, нәтижесінде I²R жоғалтулары қуат коэффициентін түзету дұрыс енгізілмеген жағдайларда 15-тен 40 пайызға дейін секіріп кетуі мүмкін. Қуат коэффициентін 0,95-тен жоғары ұстап, өткізгіштердің қызуын азайту үшін ірі индуктивті жүктемелерге жақын орналасқан конденсаторлық банктарды орнату тиімді — мүмкіндігінше, жүктемеге қарай автоматты түрде қосылатындарды таңдаған жөн. Бір уақытта пассивті немесе активті гармоникалық сүзгіштер кернеу толқындарын бұрмалаған және трансформатордың өзекшелерінде қажетсіз айналмалы токтар туғызған бесінші және жетінші ретті гармоникалармен күреседі. Бұл тәсілдерді біріктіру нағыз нәтиже береді: жалпы мыс жоғалтулары 8-12 пайызға төмендейді, ал изоляция да ұзаққа созылады, себебі жабдық қалыпты жұмыс істеген кезде салқындап, тұрақты жұмыс істейді.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Трансформатордың өзекшелеріндегі жоғалтулар дегеніміз не?

Трансформатордың өзек жоғалтулары негізінен гистерезис пен айналмалы ток жоғалтулары арқылы өзекті магниттейтін кезде шығынатын энергияның шашылуына байланысты пайда болады. Бұлар трансформатор қосылған кезде тұрақты жоғалтулар.

Трансформатордың өзек жоғалтуларын қалай азайтуға болады?

Өзек жоғалтуларын азайту үшін бағытталған дәннің кремнийлі болаты немесе аморфты металл қорытпалары сияқты жетілдірілген өзек материалдарын қолдануға және магнит ағыны тығыздығын максималды деңгейден төмен деңгейге оптималдауға болады.

Трансформатордың жүктеме жоғалтулары дегеніміз не?

Трансформаторлардағы жүктеме жоғалтулары I²R жылуы, терісінің әсері және жақындық әсері нәтижесінде пайда болады; бұл әсерлер жүктеме токтары артқан сайын күшейеді және жоғары жүктемелер кезінде жалпы жоғалтулардың көпшілігін құрайды.

Трансформатордың жүктеме жоғалтуларын қалай минималдауға болады?

Жүктеме жоғалтуларын минималдау үшін жоғары өткізгіштікке ие мыс орамдарын қолдану, аралас орам техникаларын (мысалы, қабаттас орам) қолдану және ток тығыздығын оптималды деңгейде сақтау мен кедергі мен айнымалы ток жоғалтуларын азайту үшін тиімді жылу басқаруын қамтамасыз ету керек.

Қуат коэффициенті трансформатордың пайдалы әсер коэффициентіне қандай әсер етеді?

Қуат коэффициенті реактивті токтың өсуіне әкеліп, I²R шығындарын көтереді, сондықтан трансформатордың пайдалы әсер коэффициентін төмендетеді. Қуат коэффициентін түзету әдістері арқылы оны жақсарту арқылы бұл шығындарды азайтуға және жалпы пайдалы әсер коэффициентін жақсартуға болады.