È noto che l'energia elettrica viene trasmessa su lunghe distanze a tensioni superiori al livello utilizzato dai consumatori. L'uso di trasformatori è necessario per convertire le tensioni ai valori richiesti, aumentare la qualità del processo di trasmissione dell'elettricità e anche ridurre le perdite risultanti.

Descrizione e principio di funzionamento del trasformatore

Un trasformatore è un dispositivo utilizzato per abbassare o aumentare la tensione, modificare il numero di fasi e, in rari casi, modificare la frequenza della corrente alternata.

Esistono i seguenti tipi di dispositivi:

• energia;
• misurazione;
• bassa potenza;
• impulso;
• trasformatori di picco.

Un dispositivo statico è costituito dai seguenti elementi strutturali principali: due (o più) avvolgimenti e un circuito magnetico, chiamato anche nucleo. Nei trasformatori la tensione viene fornita all'avvolgimento primario e rimossa dal secondario in forma convertita. Gli avvolgimenti sono collegati induttivamente da un campo magnetico nel nucleo.

Insieme agli altri convertitori, i trasformatori hanno un fattore di efficienza (abbreviato come Efficienza), con un simbolo. Questo coefficiente rappresenta il rapporto tra l'energia effettivamente utilizzata e l'energia consumata dal sistema. Può anche essere espresso come il rapporto tra la potenza consumata dal carico e la potenza consumata dal dispositivo dalla rete. L'efficienza è uno dei parametri primari che caratterizzano l'efficienza del lavoro svolto da un trasformatore.

Tipi di perdite in un trasformatore

Il processo di trasferimento dell'elettricità dall'avvolgimento primario a quello secondario è accompagnato da perdite. Per questo motivo non tutta l’energia viene trasferita, ma la maggior parte.

Il design del dispositivo non prevede parti rotanti, a differenza di altre macchine elettriche. Ciò spiega l'assenza di perdite meccaniche in esso.

Pertanto, il dispositivo contiene le seguenti perdite:

• elettrici, in avvolgimenti di rame;
• magnetico, con anima in acciaio.

Diagramma energetico e legge di conservazione dell'energia

Il principio di funzionamento del dispositivo può essere presentato schematicamente sotto forma di diagramma energetico, come mostrato nell'immagine 1. Il diagramma riflette il processo di trasferimento di energia, durante il quale vengono generate perdite elettriche e magnetiche .

Secondo il diagramma, la formula per determinare la potenza effettiva P 2 è la seguente:

P2 =P1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

dove P 2 è utile e P 1 è la potenza consumata dal dispositivo dalla rete.

Indicando le perdite totali ΔP, la legge di conservazione dell'energia sarà simile a: P 1 = ΔP+P 2 (2)

Da questa formula è chiaro che P 1 viene speso per P 2, nonché per le perdite totali ΔP. Pertanto, l'efficienza del trasformatore si ottiene sotto forma di rapporto tra la potenza fornita (utile) e la potenza consumata (rapporto tra P 2 e P 1).

Determinazione dell'efficienza

Con la precisione richiesta per il calcolo del dispositivo, i valori di efficienza precedentemente ricavati possono essere presi dalla Tabella n. 1:

Come mostrato nella tabella, il valore del parametro dipende direttamente dalla potenza totale.

Determinazione dell'efficienza mediante misurazioni dirette

La formula per il calcolo dell'efficienza può essere presentata in diverse versioni:

Questa espressione riflette chiaramente che il valore di efficienza del trasformatore non è superiore a uno e non è nemmeno uguale ad esso.

La seguente espressione determina il valore della potenza netta:

P2 =U2 *J2 *cosφ2 , (4)

dove U 2 e J 2 sono la tensione secondaria e la corrente di carico e cosφ 2 è il fattore di potenza, il cui valore dipende dal tipo di carico.

Poiché P 1 =ΔP+P 2, la formula (3) assume la seguente forma:

Le perdite elettriche dell'avvolgimento primario ΔP el1n dipendono dal quadrato della corrente che vi scorre. Pertanto andrebbero definiti in questo modo:

(6)

Nel suo turno:

(7)

dove r mp è la resistenza attiva dell'avvolgimento.

Poiché il funzionamento di un dispositivo elettromagnetico non è limitato alla modalità nominale, la determinazione del grado di carico di corrente richiede l'uso di un fattore di carico pari a:

β=J2 /J2н, (8)

dove J 2n è la corrente nominale dell'avvolgimento secondario.

Da qui scriviamo le espressioni per determinare la corrente dell'avvolgimento secondario:

J2 =β*J2n (9)

Se sostituiamo questa uguaglianza nella formula (5), otteniamo la seguente espressione:

Si noti che la determinazione del valore di efficienza utilizzando l'ultima espressione è consigliata da GOST.

Riassumendo le informazioni presentate, notiamo che l'efficienza di un trasformatore può essere determinata dai valori di potenza degli avvolgimenti primari e secondari del dispositivo in modalità nominale.

Determinazione dell'efficienza mediante metodo indiretto

A causa degli elevati valori di efficienza, che possono essere pari o superiori al 96%, nonché della natura antieconomica del metodo di misurazione diretta, non è possibile calcolare il parametro con un elevato grado di precisione. Pertanto, la sua determinazione viene solitamente effettuata con un metodo indiretto.

Riassumendo tutte le espressioni ottenute, otteniamo la seguente formula per il calcolo dell'efficienza:

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

In sintesi, va notato che un indicatore di alta efficienza indica il funzionamento efficiente del dispositivo elettromagnetico. Le perdite negli avvolgimenti e nel nucleo in acciaio, secondo GOST, sono determinate dall'esperienza o da un cortocircuito e le misure volte a ridurle contribuiranno a raggiungere i massimi valori di efficienza possibili, che è ciò a cui dobbiamo tendere.

Probabilmente tutti si sono interrogati sull'efficienza (Coefficient of Efficiency) di un motore a combustione interna. Dopotutto, più alto è questo indicatore, più efficiente sarà il funzionamento dell'unità di potenza. Il tipo più efficiente al momento è considerato il tipo elettrico, la sua efficienza può arrivare fino al 90-95%, ma per i motori a combustione interna, siano essi diesel o benzina, è, per usare un eufemismo, tutt'altro che ideale. ..

Ad essere onesti, le opzioni del motore moderno sono molto più efficienti delle loro controparti rilasciate 10 anni fa e ci sono molte ragioni per questo. Pensa tu stesso prima, la versione da 1,6 litri produceva solo 60-70 CV. E ora questo valore può raggiungere 130-150 CV. Si tratta di un lavoro scrupoloso per aumentare l’efficienza, in cui ogni “passo” è dato da tentativi ed errori. Partiamo però da una definizione.

- questo è il valore del rapporto tra due quantità, la potenza fornita all'albero motore e la potenza ricevuta dal pistone, dovuta alla pressione dei gas che si sono formati accendendo il carburante.

In termini semplici, si tratta della conversione dell'energia termica o termica che appare durante la combustione di una miscela di carburante (aria e benzina) in energia meccanica. Va notato che ciò è già accaduto, ad esempio, con le centrali elettriche a vapore: anche il carburante, sotto l'influenza della temperatura, spingeva i pistoni delle unità. Tuttavia, gli impianti erano molte volte più grandi e il combustibile stesso era solido (solitamente carbone o legna da ardere), il che rendeva difficile il trasporto e il funzionamento era costantemente necessario “alimentarlo” con le pale; I motori a combustione interna sono molto più compatti e leggeri di quelli “a vapore”, ed il carburante è molto più facile da immagazzinare e trasportare.

Maggiori informazioni sulle perdite

Guardando al futuro, possiamo affermare con sicurezza che l'efficienza di un motore a benzina varia dal 20 al 25%. E ci sono molte ragioni per questo. Se prendiamo il carburante in entrata e lo convertiamo in percentuali, sembra che otteniamo “il 100% dell’energia” che viene trasferita al motore, e poi ci sono delle perdite:

1)Efficienza del carburante . Non tutto il carburante viene bruciato, una piccola parte va con i gas di scarico, a questo livello perdiamo già fino al 25% di efficienza. Naturalmente, ora i sistemi di alimentazione stanno migliorando, è apparso un iniettore, ma è tutt'altro che ideale.

2) Il secondo sono le perdite termicheE . Il motore riscalda se stesso e molti altri elementi, come i radiatori, la sua carrozzeria e il liquido che circola al suo interno. Inoltre, parte del calore se ne va con i gas di scarico. Tutto ciò si traduce in una perdita di efficienza fino al 35%.

3) Il terzo sono le perdite meccaniche . SU tutti i tipi di pistoni, bielle, anelli, tutti i punti in cui è presente attrito. Ciò può includere anche perdite derivanti dal carico del generatore, ad esempio più elettricità genera il generatore, più rallenta la rotazione dell'albero motore. Naturalmente, anche i lubrificanti hanno fatto progressi, ma ancora una volta nessuno è riuscito a superare completamente l'attrito: le perdite sono ancora del 20%.

Pertanto, il risultato finale è che l’efficienza è di circa il 20%! Naturalmente, tra le opzioni a benzina, ci sono opzioni straordinarie in cui questa cifra sale al 25%, ma non ce ne sono molte.

Cioè, se la tua auto consuma carburante 10 litri ogni 100 km, solo 2 litri andranno direttamente al lavoro e il resto sono perdite!

Naturalmente, puoi aumentare la potenza, ad esempio annoiando la testa, guardando un breve video.

Se ricordi la formula, risulta:

Quale motore ha la massima efficienza?

Ora voglio parlare delle opzioni benzina e diesel e scoprire quale di queste è la più efficiente.

Per dirla in un linguaggio semplice e senza entrare nei termini tecnici, se si confrontano i due fattori di efficienza, il più efficiente è, ovviamente, il diesel ed ecco perché:

1) Un motore a benzina converte solo il 25% dell'energia in energia meccanica, ma un motore diesel ne converte circa il 40%.

2) Se si equipaggia un tipo diesel con turbocompressore, è possibile ottenere un'efficienza del 50-53%, e questo è molto significativo.

Allora perché è così efficace? È semplice: nonostante il tipo di lavoro simile (entrambi sono unità a combustione interna), il diesel svolge il suo lavoro in modo molto più efficiente. Ha una compressione maggiore e il carburante si accende utilizzando un principio diverso. Si riscalda meno, il che significa che si risparmia sul raffreddamento, ha meno valvole (risparmio sull'attrito), e inoltre non ha le solite bobine di accensione e candele, il che significa che non richiede costi energetici aggiuntivi dal generatore . Funziona a velocità più basse, non è necessario girare freneticamente l'albero motore: tutto ciò rende la versione diesel un campione in termini di efficienza.

Informazioni sull'efficienza del carburante diesel

DA un valore di efficienza più elevato, segue l'efficienza del carburante. Quindi, ad esempio, un motore da 1,6 litri può consumare solo 3-5 litri in città, a differenza del tipo a benzina, dove il consumo è di 7-12 litri. Il diesel è molto più efficiente; il motore stesso è spesso più compatto e leggero e, recentemente, anche più rispettoso dell’ambiente. Tutti questi aspetti positivi si ottengono grazie al valore maggiore, esiste una relazione diretta tra rendimento e compressione, vedi targhetta.

Tuttavia, nonostante tutti i vantaggi, presenta anche molti svantaggi.

Come diventa chiaro, l'efficienza di un motore a combustione interna è tutt'altro che ideale, quindi il futuro appartiene chiaramente alle opzioni elettriche: non resta che trovare batterie efficienti che non temono il gelo e mantengano la carica per lungo tempo.

Contenuto:

Nel processo di spostamento delle cariche all'interno di un circuito chiuso, una certa quantità di lavoro viene eseguita dalla sorgente di corrente. Può essere utile e completo. Nel primo caso, la sorgente di corrente sposta le cariche nel circuito esterno, mentre esegue lavoro, e nel secondo caso le cariche si muovono attraverso l'intero circuito. In questo processo, l'efficienza della sorgente di corrente, definita come il rapporto tra la resistenza esterna e quella totale del circuito, è di grande importanza. Se la resistenza interna della sorgente e la resistenza esterna del carico sono uguali, metà della potenza totale andrà persa nella sorgente stessa, e l'altra metà verrà rilasciata sul carico. In questo caso, l'efficienza sarà dello 0,5 o del 50%.

Efficienza del circuito elettrico

Il fattore di efficienza in esame è principalmente associato alle quantità fisiche che caratterizzano la velocità di conversione o trasmissione dell'elettricità. Tra questi, la potenza, misurata in watt, viene al primo posto. Esistono diverse formule per determinarlo: P = U x I = U2/R = I2 x R.

Nei circuiti elettrici possono esserci valori di tensione e quantità di carica diversi rispettivamente e anche il lavoro svolto è diverso in ciascun caso. Molto spesso è necessario stimare la velocità con cui l'elettricità viene trasmessa o convertita. Questa velocità rappresenta la potenza elettrica corrispondente al lavoro svolto in una determinata unità di tempo. Sotto forma di formula, questo parametro sarà simile a questo: P=A/∆t. Pertanto il lavoro viene visualizzato come il prodotto della potenza per il tempo: A=P∙∆t. L'unità di lavoro utilizzata è .

Per determinare l'efficienza di un dispositivo, macchina, circuito elettrico o altro sistema simile in relazione alla potenza e al funzionamento, viene utilizzata l'efficienza. Questo valore è definito come il rapporto tra l'energia utilmente spesa e la quantità totale di energia immessa nel sistema. L’efficienza è indicata con il simbolo η, ed è definita matematicamente come la formula: η = A/Q x 100% = [J]/[J] x 100% = [%], in cui A è il lavoro svolto dal consumatore , Q è l'energia fornita dalla sorgente. Secondo la legge di conservazione dell'energia, il valore di efficienza è sempre uguale o inferiore all'unità. Ciò significa che il lavoro utile non può superare la quantità di energia spesa per realizzarlo.

In questo modo vengono determinate le perdite di potenza in qualsiasi sistema o dispositivo, nonché il grado della sua utilità. Ad esempio, nei conduttori, le perdite di potenza si verificano quando la corrente elettrica viene parzialmente convertita in energia termica. L'entità di queste perdite dipende dalla resistenza del conduttore; non fanno parte del lavoro utile.

Esiste una differenza espressa dalla formula ∆Q=A-Q, che mostra chiaramente la potenza dissipata. Qui la relazione tra l'aumento delle perdite di potenza e la resistenza del conduttore è molto chiaramente visibile. L'esempio più eclatante è una lampada a incandescenza, la cui efficienza non supera il 15%. Il restante 85% della potenza viene convertito in radiazione termica, cioè infrarossa.

Qual è l'efficienza di una fonte di corrente

L'efficienza considerata dell'intero circuito elettrico ci consente di comprendere meglio l'essenza fisica dell'efficienza della fonte di corrente, la cui formula è composta anche da varie quantità.

Nel processo di spostamento delle cariche elettriche lungo un circuito elettrico chiuso, una certa quantità di lavoro viene eseguita dalla sorgente di corrente, che si distingue come utile e completa. Mentre esegue un lavoro utile, la sorgente di corrente sposta le cariche nel circuito esterno. Quando sono completamente operative, le cariche, sotto l'influenza di una fonte di corrente, si muovono attraverso l'intero circuito.

Vengono visualizzati come formule nel modo seguente:

• Lavoro utile - Apolez = qU = IUt = I2Rt.
• Lavoro totale - Atotale = qε = Iεt = I2(R +r)t.

Sulla base di ciò, possiamo ricavare le formule per la potenza utile e totale della fonte attuale:

• Potenza utile - Puse = Apoles /t = IU = I2R.
• Potenza totale - Ppieno = Apieno/t = Iε = I2(R + r).

Di conseguenza, la formula per l'efficienza della sorgente di corrente assume la seguente forma:

• η = Apoles/Atollo = Puse/Ptot = U/ε = R/(R + r).

La massima potenza utile si ottiene con un determinato valore di resistenza del circuito esterno, a seconda delle caratteristiche della sorgente di corrente e del carico. Tuttavia, occorre prestare attenzione all'incompatibilità tra la massima potenza netta e la massima efficienza.

Studio della potenza e del rendimento della sorgente di corrente

L'efficienza di una fonte di corrente dipende da molti fattori che dovrebbero essere considerati in una determinata sequenza.

Per determinarlo, secondo la legge di Ohm, esiste la seguente equazione: i = E/(R + r), in cui E è la forza elettromotrice della sorgente di corrente e r è la sua resistenza interna. Questi sono valori costanti che non dipendono dalla resistenza variabile R. Usandoli, puoi determinare la potenza utile consumata dal circuito elettrico:

• W1 = i x U = i2 x R. Qui R è la resistenza del consumatore di elettricità, i è la corrente nel circuito, determinata dall'equazione precedente.

Pertanto, il valore della potenza utilizzando le variabili finali sarà mostrato come: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Trattandosi di una variabile intermedia, in questo caso la funzione W1(R) può essere analizzata per il suo estremo. A tale scopo è necessario determinare il valore di R in corrispondenza del quale il valore della derivata prima della potenza utile associata alla resistenza variabile (R) sarà pari a zero: dW1/dR = E2 x [(R + r )2 - 2 x R x (R + r) ] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r )4 (R + r)3

Da questa formula si può concludere che il valore della derivata può essere zero solo ad una condizione: la resistenza del ricevitore di energia elettrica (R) proveniente dalla sorgente di corrente deve raggiungere il valore della resistenza interna della sorgente stessa (R => r ). In queste condizioni, il valore del fattore di efficienza η sarà determinato come il rapporto tra la potenza utile e quella totale della sorgente di corrente - W1/W2. Poiché nel punto massimo di potenza utile la resistenza del consumatore di energia della fonte di corrente sarà uguale alla resistenza interna della fonte di corrente stessa, in questo caso l'efficienza sarà dello 0,5 o del 50%.

Attuali problemi di potenza ed efficienza

Definizione [ | ]

Efficienza

Matematicamente, la definizione di efficienza può essere scritta come:

η = UN Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)

Dove UN- lavoro utile (energia), e Q- energia spesa.

Se l'efficienza è espressa in percentuale, viene calcolata con la formula:

η = UN Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),

Dove Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- calore prelevato dall'estremità fredda (nelle macchine frigorifere, capacità di raffreddamento); A (\displaystyle A)

Il termine utilizzato per le pompe di calore è rapporto di trasformazione

ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),

Dove QΓ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- calore di condensazione trasferito al liquido di raffreddamento; A (\displaystyle A)- il lavoro (o l'elettricità) speso per questo processo.

Nell'auto perfetta Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), da qui all'auto ideale ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Efficienza (Efficienza) - caratteristica dell'efficienza di un sistema (dispositivo, macchina) in relazione alla conversione o trasmissione di energia. Determinato dal rapporto tra l'energia utilmente utilizzata e la quantità totale di energia ricevuta dal sistema; solitamente indicato con η (“questo”). η = Wpol/Wcym. L’efficienza è una quantità adimensionale e viene spesso misurata in percentuale. Matematicamente, la definizione di efficienza può essere scritta come:

X 100%,

Dove UN- lavoro utile e Q- energia spesa.

Per la legge di conservazione dell'energia, l'efficienza è sempre inferiore o uguale all'unità, cioè è impossibile ottenere più lavoro utile dell'energia spesa.

Efficienza del motore termico- il rapporto tra il lavoro utile completo del motore e l'energia ricevuta dal riscaldatore. L'efficienza di un motore termico può essere calcolata utilizzando la seguente formula

,

dove è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore, è la quantità di calore ceduta al frigorifero. Massima efficienza tra le macchine cicliche che funzionano a determinate temperature della sorgente calda T 1 e freddo T 2, hanno motori termici funzionanti secondo il ciclo di Carnot; questa efficienza marginale è uguale a

.

Non tutti gli indicatori che caratterizzano l'efficienza dei processi energetici corrispondono alla descrizione di cui sopra. Anche se tradizionalmente o erroneamente vengono chiamati "", possono avere altre proprietà, in particolare superiori al 100%.

Efficienza della caldaia

Articolo principale: Bilancio termico della caldaia

Il rendimento delle caldaie a combustibile fossile viene tradizionalmente calcolato in base al potere calorifico inferiore; si presuppone che l'umidità dei prodotti della combustione esca dalla caldaia sotto forma di vapore surriscaldato. Nelle caldaie a condensazione, questa umidità viene condensata e il calore di condensazione viene utilmente utilizzato. Quando si calcola l'efficienza in base al potere calorifico inferiore, potrebbe risultare maggiore di uno. In questo caso sarebbe più corretto calcolarlo in base al potere calorifico più elevato, che tiene conto del calore di condensazione del vapore; tuttavia, le prestazioni di una tale caldaia sono difficili da confrontare con i dati di altri impianti.

Pompe di calore e refrigeratori

Il vantaggio delle pompe di calore come apparecchi di riscaldamento è la capacità di ricevere talvolta più calore dell'energia consumata per il loro funzionamento; allo stesso modo, una macchina di refrigerazione può rimuovere più calore dall'estremità raffreddata di quanto ne viene speso per organizzare il processo.

L'efficienza di tali motori termici è caratterizzata da coefficiente di performance(per macchine frigorifere) o rapporto di trasformazione(per pompe di calore)

,

dov'è il calore prelevato dall'estremità fredda (nelle macchine frigorifere) o trasferito all'estremità calda (nelle pompe di calore); - il lavoro (o l'elettricità) speso per questo processo. Il ciclo inverso di Carnot ha i migliori indicatori di prestazione per tali macchine: ha un coefficiente di prestazione

,

dove , sono le temperature delle estremità calde e fredde, . Questo valore, ovviamente, può essere arbitrariamente grande; Sebbene sia difficile da avvicinare praticamente, il coefficiente di prestazione può comunque superare l'unità. Ciò non contraddice la prima legge della termodinamica, poiché, oltre all'energia, viene presa in considerazione UN(ad esempio elettrico), per riscaldare Q C'è anche energia prelevata dalla fonte fredda.

Letteratura

• Peryškin A.V. Fisica. 8 ° grado. - Otarda, 2005. - 191 pag. - 50.000 copie. - ISBN 5-7107-9459-7.

Appunti

Fondazione Wikimedia. 2010.

Sinonimi:

• Turbo Pascal
• Efficienza

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