خسارة الطاقة في المحولات

خسارة في المحول

نظرًا لأن المحول الكهربائي هو جهاز ثابت، فإن الخسارة الميكانيكية في المحول عادةً لا تظهر. نحن عادةً ما نعتبر فقط الخسائر الكهربائية في المحول.

تعتبر الخسارة في أي جهاز بشكل عام كاختلاف بين الطاقة المدخلة والطاقة المخرجة. عندما يتم تزويد الطاقة المدخلة إلى الطرف الأول للمحول، يستخدم جزء من تلك الطاقة لتغطية الخسائر الأساسية في المحول، أي خسارة الهستيريزيس في المحول وخسارة التيار الدائري في لب المحول، ويفقد جزء آخر من الطاقة المدخلة كخسارة I²R ويتم تبددها كحرارة في اللفائف الأولية والثانوية، لأنه يوجد بعض المقاومة الداخلية فيها.

يُطلق على الأولى خسارة اللب أو خسارة الحديد في المحول ويُطلق على الثانية خسارة أومية أو خسارة النحاس في المحول. يحدث خسارة أخرى في المحول تُعرف باسم خسارة الفيض، بسبب روابط الفيض العشوائي مع البنية الميكانيكية وموصلات اللفائف.

خسارة النحاس في المحول

خسارة النحاس هي خسارة I²I2R، مع I1²R1 على الجانب الأولي وI2²R2 على الجانب الثانوي. هنا، I1 وI2 هما التيار الأولي والثاني، وR1 وR2 هما مقاومة اللفائف. بما أن هذه التيارات تعتمد على الحمل، فإن خسارة النحاس في المحول تتغير مع الحمل.

خسارة اللب في المحول

تعتمد خسارة الهستيريزيس وخسارة التيار الدائري على الخصائص المغناطيسية للمواد المستخدمة في بناء لب المحول وتصميمه. لذا فإن هذه الخسائر في المحول ثابتة ولا تعتمد على تيار الحمل. لذلك يمكن اعتبار خسارة اللب في المحول والتي تُعرف أيضًا بخسارة الحديد في المحول ثابتة لجميع نطاقات الحمل.

تُرمز خسارة الهستيريزيس في المحول بـ،

تُرمز خسارة التيار الدائري في المحول بـ،

Kh = ثابت الهستيريزيس.

Ke = ثابت التيار الدائري.

Kf = ثابت الشكل.

يمكن تمثيل خسارة النحاس ببساطة بـ،

IL²R2′ + خسارة الفيض

حيث، IL = I2 = حمل المحول، وR2′ هي مقاومة المحول المشار إليها بالجانب الثانوي.

الآن سنناقش خسارة الهستيريزيس وخسارة التيار الدائري بمزيد من التفاصيل لفهم أفضل لموضوع الخسائر في المحولات.

خسارة الهستيريزيس في المحول

يمكن شرح خسارة الهستيريزيس في المحولات بطريقتين: ماديًا ورياضيًا.

التفسير المادي لخسارة الهستيريزيس

للب المحول مصنوع من "الفولاذ السيليكوني المتجه القابل للتدوير بالبرودة". الفولاذ هو مادة فررومغناطيسية جيدة جدا. هذا النوع من المواد حساس للغاية للتغذية المغناطيسية. مما يعني أنه كلما مر الفيض المغناطيسي عبره، سيتصرف كمغناطيس. المواد الفررومغناطيسية تحتوي على العديد من المجالات في تركيبتها.

المجالات هي مناطق صغيرة في بنية المادة، حيث تكون جميع الأقطاب متوازية بنفس الاتجاه. وبعبارة أخرى، المجالات مثل مغناطيسات صغيرة دائمة موجودة بشكل عشوائي في بنية المادة.

تكون هذه المجالات موزعة داخل بنية المادة بطريقة عشوائية بحيث يكون المجال المغناطيسي الإجمالي لهذه المادة صفرًا. عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي (mmf)، يتم توجيه المجالات العشوائية بالتوازي مع الحقل.

بعد إزالة الحقل، يعود معظم المجالات إلى مواقع عشوائية، ولكن بعضها يبقى محاذاً. بسبب هذه المجالات غير المتغيرة، تصبح المادة قليلًا مغناطيسية بشكل دائم. يُطلق على هذا المغناطيسية اسم "المغناطيسية التلقائية".

لمحايدة هذه المغناطيسية، يتطلب الأمر تطبيق mmf معاكس. القوة المغناطيسية المحركة (mmf) التي يتم تطبيقها في لب المحول متناوبة. لكل دورة بسبب عكس المجالات، سيكون هناك عمل إضافي يتم. لهذا السبب، سيكون هناك استهلاك للطاقة الكهربائية المعروفة باسم خسارة الهستيريزيس في المحول.

التفسير الرياضي لخسارة الهستيريزيس في المحول

تحديد خسارة الهستيريزيس

لنفترض حلقة من عينة فررومغناطيسية ذات محيط L متر، ومقطع مساحة a م² وN دورات من الأسلاك المعزولة كما هو موضح في الصورة المجاورة،

لنفترض أن التيار المتدفق عبر ملف هو I أمبير،

قوة التغذية المغناطيسية،

لنفترض أن كثافة الفيض في هذا الوقت هي B،

لذلك، الفيض الإجمالي عبر الحلقة، Φ = BXa Wb

بما أن التيار المتدفق عبر الملف هو متناوب، فإن الفيض المنتج في حلقة الحديد أيضًا متناوب بطبيعته، لذا سيتم التعبير عن emf (e′) المحفزة كـ،

وفقاً لقانون لينز، سيعارض هذا emf المحفز تدفق التيار، لذا، من أجل الحفاظ على التيار I في الملف، يجب أن يوفر المصدر emf مساوٍ ومعاكس. لذا emf المطبق،

الطاقه المستهلكة خلال فترة قصيرة dt، خلالها تغير كثافة الفيض،

وبالتالي، العمل الإجمالي المنجز أو الطاقة المستهلكة خلال دورة كاملة من المغناطيسية هو،

الآن aL هو حجم الحلقة وH.dB هو مساحة الشريط الأولي من منحنى B – H الموضح في الشكل أعلاه،

لذا، الطاقة المستهلكة لكل دورة = حجم الحلقة × مساحة حلقة الهستيريزيس. في حالة المحول، يمكن اعتبار هذه الحلقة كلوحة مغناطيسية للمحول. لذا، العمل المنجز هو مجرد خسارة طاقة كهربائية في لوحة المحول وهذا يعرف بخسارة الهستيريزيس في المحول.

ما هي خسارة التيار الدائري؟

في المحول، نقوم بتزويد تيار متناوب في الطرف الأول، هذا التيار المتناوب ينتج تيار مغناطيسي متناوب في اللب وعندما يرتبط هذا الفيض مع اللفائف الثانوية، سيكون هناك فرق محفز في الطرف الثاني، مما يؤدي إلى تدفق التيار عبر الحمل المتصل به.

بعض الفيئات المتناوبة للمحول قد ترتبط أيضًا بأجزاء موصلة أخرى مثل لب الفولاذ أو الجسم الحديد للمحول وما إلى ذلك. عندما يرتبط الفيض المتناوب بهذه أجزاء المحول، سيكون هناك emf محلي محفز.

بسبب هذه emfs، سيكون هناك تيارات ستتداخلا محليًا في تلك أجزاء المحول. هذه التيارات المتداخلا لن تساهم في إنتاج المحول وتتم تبددها كحرارة. هذا النوع من خسارة الطاقة يُعرف بخسارة التيار الدائري في المحول.

كان هذا شرحًا واسعًا وبسيطًا لخسارة التيار الدائري. الشرح التفصيلي لهذه الخسارة ليس ضمن نطاق المناقشة في هذا الفصل.