Energitab ved transformatorer

Taber i Transformer

Da transformer er en statisk enhed, indgår mekaniske taber normalt ikke. Vi tager generelt kun højde for elektriske taber i transformer.

Tab i en maskine defineres bredt som forskellen mellem input-effekt og output-effekt. Når input-effekt leveres til primærsiden af transformer, bruges en del af denne effekt til at kompensere for kernetaber i transformer, dvs. hysterese-tab og omløbsstrømstab i transformerens kerne, og en anden del af input-effekten går tabt som I2R-tab og udledes som varme i primære og sekundære vindinger, da disse vindinger har en intern modstand.

Den første kaldes kernetab eller jernetab i transformer, og den sidste kendes som ohmisk tab eller kobberetab i transformer. En anden type tab opstår i transformer, kendt som vilkårlig tab, på grund af vilkårlige fluxer, der forbinder med den mekaniske struktur og vindingsledere.

Kobberetab i Transformer

Kobberetab er I²I2R-tab, med I12R1 på primærsiden og I22R2 på sekundærsiden. Her er I1 og I2 de primære og sekundære strømme, og R1 og R2 er vindingers modstand. Da disse strømme afhænger af belastningen, varierer kobberetab i en transformer med belastningen.

Kernetaber i Transformer

Hysterese-tab og omløbsstrømstab, begge afhænger af magnetiske egenskaber ved materialerne, der bruges til at konstruere transformerens kerne, og dens design. Disse tab i transformer er faste og afhænger ikke af belastningsstrømmen. Så kernetaber i transformer, også kendt som jernetab i transformer, kan betragtes som konstant over hele belastningsområdet.

Hysterese-tab i transformer angives som,

Omløbsstrømstab i transformer angives som,

Kh = Hysterese-konstant.

Ke = Omløbsstrøm-konstant.

Kf = formkonstant.

Kobberetab kan simpelthen angives som,

IL2R2′ + vilkårlig tab

Her, IL = I2 = belastning af transformer, og R2′ er modstanden af transformer henviset til sekundær.

Nu vil vi diskutere hysterese-tab og omløbsstrømstab i lidt mere detaljer for bedre forståelse af emnet om tab i transformer.

Hysterese-tab i Transformer

Hysterese-tab i transformer kan forklares på to måder: fysisk og matematisk.

Fysisk Forklaring af Hysterese-tab

Magnetkerne i transformer er lavet af "Koldrullet Kornorienteret Siliciumstål". Stål er et meget godt ferromagnetisk materiale. Dette slags materialer er meget følsomme for at blive magnetiseret. Det betyder, at hver gang magnetfluxe passerer gennem, vil det opføre sig som en magnet. Ferromagnetiske stoffer har mange domæner i deres struktur.

Domæner er meget små regioner i materialets struktur, hvor alle dipoler er parallelt rettet i samme retning. Med andre ord, domænerne er som små permanente magneter, placeret tilfældigt i stoffets struktur.

Disse domæner er arrangeret i materialets struktur på en sådan tilfældig måde, at det nette resulterende magnetfelt for det pågældende materiale er nul. Når et eksternt magnetfelt (mmf) anvendes, aligneres de tilfældigt rettede domæner parallel med feltet.

Efter feltet fjernes, vender de fleste domæner tilbage til tilfældige positioner, men nogle forbliver alignerede. På grund af disse uændrede domæner, bliver stoffet let permanent magnetiseret. Denne magnetisme kaldes "Spontan Magnetisme".

For at neutralisere denne magnetisme, kræves det, at man anvender en modsatretted mmf. Magnetmotorisk kraft eller mmf, der anvendes i transformerens kerne, er alternativ. For hvert cyklus på grund af dette domænereversering, vil der være ekstra arbejde udført. Derfor vil der være en forbrug af elektrisk energi, der kaldes hysterese-tab i transformer.

Matematisk Forklaring af Hysterese-tab i Transformer

Bestemmelse af Hysterese-tab

Overvej en ring af et ferromagnetisk prøvestykke med omkreds L meter, tværsnitsareal a m2 og N spil af isoleret ledning, som vist på billedet ved siden af,

Lad os antage, at strømmen, der løber gennem spolen, er I amp,

Magnetiseringskraft,

Lad, fluxtætheden på dette tidspunkt være B,

Derfor, total flux gennem ringen, Φ = BXa Wb

Da strømmen, der løber gennem solenoide, er alternativ, er fluxen, der dannes i jernringen, også af alternativ natur, så den inducerede spænding (e′) vil blive udtrykt som,

Ifølge Lenz's lov vil denne inducerede spænding modvirke strømfloden, derfor skal kilden for at vedligeholde strømmen I i spolen, levere en lige stor og modsatretted spænding. Derfor anvendt spænding,

Energi forbrugt i kort tid dt, under hvilken fluxtætheden har ændret sig,

Dermed, det totale udførte arbejde eller forbrugte energi under et komplet cyklus af magnetisme er,

Nu aL er ringens volumen, og H.dB er arealet af elementær stribe af B – H kurven, som vist på figuren ovenfor,

Derfor, Energi forbrugt per cyklus = volumen af ringen × areal af hysterese-loop.I tilfældet med transformer, kan denne ring betragtes som magnetkerne i transformer. Derfor er det udførte arbejde intet andet end det elektriske energitab i transformerens kerne, og dette kendes som hysterese-tab i transformer.

Hvad er Omløbsstrømstab?

I transformer, leverer vi alternativ strøm i primæren, denne alternativ strøm producerer alternativ magnetiseringsflux i kernen, og da denne flux forbinder med sekundærvindingen, vil der være en induceret spænding i sekundæren, der fører til, at strøm flyder gennem den forbundne last.

Nogle af transformerens alternativ flux; kan også forbinder med andre ledende dele som stålkerne eller jernlegemet af transformer osv. Da alternativ flux forbinder med disse dele af transformer, vil der være en lokalt induceret spænding.

På grund af disse spændinger, vil der være strømme, der cirkulerer lokalt i disse dele af transformer. Disse cirkulerende strømme bidrager ikke til output fra transformer og dissiperes som varme. Denne type energitab kaldes omløbsstrømstab i transformer.

Dette var en bred og simpel forklaring af omløbsstrømstab. Den detaljerede forklaring af denne tab er ikke i rækkevidde for diskussion i dette kapitel.