Енергийна загуба на трансформатори

Потери в трансформатор

Тъй като електрическият трансформатор е статично устройство, механичните загуби обикновено не се взимат предвид. Обикновено се разглеждат само електрическите загуби в трансформатора.

Загубата във всяко устройство обикновено се дефинира като разликата между входящата и изходящата мощност. Когато входящата мощност се подава към первичната обмотка на трансформатора, част от тази мощност се използва за компенсиране на ядрените загуби в трансформатора, т.е. хистерезисните загуби и загубите от завихряващи се токове в ядрото на трансформатора, а друга част от входящата мощност се губи като I2R загуби и се разпръсква като топлина в первичната и вторичната обмотка, тъй като тези обмотки имат някакво вътрешно съпротивление.

Първата се нарича ядрена загуба или железна загуба в трансформатора, а втората се нарича омова загуба или медна загуба в трансформатора. Друга загуба, която се появява в трансформатора, е известна като стрей загуба, поради стрей магнитни потоци, свързани с механичната конструкция и проводниците на обмотките.

Медна загуба в трансформатора

Медната загуба е I²I2R загуба, с I12R1 от страна на первичната обмотка и I22R2 от страна на вторичната обмотка. Тук, I1 и I2 са токовете на первичната и вторичната обмотка, а R1 и R2 са съпротивленията на обмотките. Тъй като тези токове зависят от натоварването, медната загуба в трансформатора варира с натоварването.

Ядрени загуби в трансформатора

Хистерезисната загуба и загубата от завихряващи се токове зависят от магнитните свойства на материалите, използвани за конструиране на ядрото на трансформатора, и неговият дизайн. Така че тези загуби в трансформатора са фиксирани и не зависят от натоварващия ток. Следователно ядрените загуби в трансформатора, които са известни и като железни загуби, могат да се считат за постоянни за целия диапазон на натоварване.

Хистерезисната загуба в трансформатора се обозначава като,

Загубата от завихряващи се токове в трансформатора се обозначава като,

Kh = Хистерезисна константа.

Ke = Константа на завихряващите се токове.

Kf = Форма константа.

Медната загуба може просто да се обозначи като,

IL2R2′ + Стрей загуба

Където, IL = I2 = натоварване на трансформатора, а R2′ е съпротивлението на трансформатора, референтно към вторичната обмотка.

Сега ще обсъдим хистерезисната загуба и загубата от завихряващи се токове малко по-подробно, за по-добро разбиране на темата за загубите в трансформаторите.

Хистерезисна загуба в трансформатора

Хистерезисната загуба в трансформаторите може да бъде обяснена по два начина: физически и математически.

Физическо обяснение на хистерезисната загуба

Магнитното ядро на трансформатора е направено от „Хладно валован ориентиран кремиций желязо“. Желязото е много добър феромагнитен материал. Този вид материали е много чувствителен към намагничаване. Това означава, че когато магнитен поток премине през него, то ще се държи като магнит. Феромагнитните вещества имат множество домени в своята структура.

Домените са много малки области в структурата на материала, където всички диполи са успоредни в една и съща посока. С други думи, домените са като малки постоянните магнити, разположени случайно в структурата на веществото.

Тези домени са разположени в структурата на материала по такъв случаен начин, че общият резултантен магнитен пол на дадения материал е нула. Когато се приложи външен магнитен пол (mmf), случайно насочените домени се подравняват успоредно към полето.

След като полето е премахнато, повечето домени се връщат на случайни позиции, но някои остават подравнени. Благодарение на тези непроменени домени, веществото става леко намагнетено постоянно. Това намагничаване се нарича „Спонтанно намагничаване“.

За да се нейтрализира това намагничаване, е необходима някаква противоположна mmf. Магнитомоторната сила или mmf, приложена в ядрото на трансформатора, е алтернативна. За всеки цикъл, поради това обратно подравняване на домените, ще има допълнителна работа. Поради тази причина, ще има потребителство на електрическа енергия, което се нарича хистерезисна загуба на трансформатора.

Математическо обяснение на хистерезисната загуба в трансформатора

Определение на хистерезисната загуба

Разгледайте пръстен от феромагнитен образец с обиколка L метра, поперечно сечение a m2 и N обика на изолирана жица, както е показано на снимката до текста,

Нека приемем, че токът, протичащ през катушката, е I ампер,

Магнитосилата,

Нека, плътността на потока в този момент е B,

Следователно, общият поток през пръстена, Φ = BXa Wb

Тъй като токът, протичащ през соленоида, е алтернативен, потокът, произвеждан в железния пръстен, също е алтернативен по природа, така че индуцираната електродвижуща сила (e′) ще бъде изразена като,

Според законите на Ленц, тази индуцирана електродвижуща сила ще противодейства на протичането на тока, затова, за да се поддържа токът I в катушката, източникът трябва да достави равна и противоположна електродвижуща сила. Следователно, приложена електродвижуща сила,

Енергията, изразходвана за кратко време dt, при което плътността на потока се е променила,

Следователно, общата работа, извършена или изразходваната енергия за един пълен цикъл на намагничаване, е,

Сега aL е обемът на пръстена, а H.dB е площта на елементарната ивица на кривата B – H, показана на фигурата по-горе,

Следователно, изразходваната енергия за един цикъл = обемът на пръстена × площта на хистерезисния цикъл.В случая на трансформатора, този пръстен може да се разглежда като магнитно ядро на трансформатора. Следователно, извършената работа е нищо друго, освен електрическа енергийна загуба в ядрото на трансформатора, и това се нарича хистерезисна загуба в трансформатора.

Какво е загубата от завихряващи се токове?

В трансформатора, ние подаваме алтернативен ток в первичната обмотка, този алтернативен ток произвежда алтернативен намагничаващ поток в ядрото, и тъй като този поток се свързва с вторичната обмотка, ще има индуцирано напрежение в вторичната, което води до протичане на ток през натоварването, свързано с него.

Някои от алтернативните потоци на трансформатора; може да се свържат и с други проводни части, като стоманеното ядро или железното тяло на трансформатора и т.н. Тъй като алтернативният поток се свързва с тези части на трансформатора, ще има местно индуцирана електродвижуща сила.

Благодарение на тези електродвижещи сили, ще има токове, които ще циркулират местно в тези части на трансформатора. Тези циркулиращи токове няма да допринесат за изхода на трансформатора и ще се разпилят като топлина. Този вид енергийна загуба се нарича загуба от завихряващи се токове в трансформатора.

Това беше широко и просто обяснение на загубата от завихряващи се токове. Подробното обяснение на тази загуба не е в обхвата на обсъжданията в тази глава.