Transformerien energiahäviöt

Muuntimen tappiot

Koska muuntin on staattinen laite, mekanisiin tappioihin ei yleensä kiinnitetä huomiota. Harkitsemme vain sähköisiä tappioita muuntimessa.

Mikä tahansa koneen tappio määritellään laajasti syöttötteen ja ulosteen välisenä erotuksena. Kun syöttöttee annetaan muuntimen primääriosaan, osa tästä teestä käytetään kompensoimaan muuntimen ytimen tappioita, eli hystereesi- ja pyörivän sähkön tappioita muuntimen ytimessä, ja osa syöttötteestä häviää I2R-tapaisena tappiona ja jakaantuu lämpönä primääri- ja sekundaariosissa, koska näillä osoissa on sisäistä vastusta.

Ensimmäinen tappio kutsutaan ytimeen liittyväksi tai rautatappioksi muuntimessa, ja myöhempi tunnetaan ohmisten tai kuparitappioiden muuntimessa. Toisena tappiona on vieras tappio, joka johtuu vierastä magneettivirtasta, joka linkittyy mekaaniseen rakenteeseen ja vijauksen johtimiin.

Kuparitappiot muuntimessa

Kuparitappio on I²I2R-tappio, jossa I12R1 primääriosassa ja I22R2 sekundaariosassa. Tässä I1 ja I2 ovat primääri- ja sekundaariovirta, ja R1 ja R2 ovat vijauksien vastukset. Koska nämä virtat riippuvat kuormasta, kuparitappio muuntimessa vaihtelee kuorman mukaan.

Ytimeen liittyvät tappiot muuntimessa

Hystereesi- ja pyörivän sähkön tappiot riippuvat muuntimen ytimen rakennusmateriaalien magneettisista ominaisuuksista ja sen suunnittelusta. Näin ollen nämä tappiot muuntimessa ovat vakioja eivätkä riipu kuormavirtasta. Ytimeen liittyvät tappiot, jotka tunnetaan myös rautatappioiden nimellä, voidaan pitää vakiona kaikilla kuormituksen tasoilla.

Muuntimen hystereesi-tappio merkitään seuraavasti,

Muuntimen pyörivän sähkön tappio merkitään seuraavasti,

Kh = Hystereesi-vakio.

Ke = Pyörivän sähkön vakio.

Kf = muodon vakio.

Kuparitappio voidaan yksinkertaisesti merkitä seuraavasti,

IL2R2′ + vieras tappio

Tässä IL = I2 = muuntimen kuorma, ja R2′ on muuntimen vastus viitaten sekundaariossa.

Nyt käsittelemme hystereesi- ja pyörivän sähkön tappioita hieman yksityiskohtaisemmin paremman ymmärryksen saamiseksi muuntimien tappiosta.

Hystereesi-tappio muuntimessa

Muuntimen hystereesi-tappio voidaan selittää kahdella tavalla: fysikaalisesti ja matemaattisesti.

Fysikaalinen selitys hystereesi-tappiolle

Muuntimen magneettinen ydin on valmistettu 'Cold Rolled Grain Oriented Silicon Steel'-materiaalista. Teräs on erittäin hyvä ferromagneettinen materiaali. Tämäntyyppiset materiaalit ovat erittäin herkkä magnetisoitumiselle. Se tarkoittaa, että kun magneettivirta kulkee läpi, se käyttäytyy kuin magneetti. Ferromagneettiset aineet koostuvat monista domainista rakenteessaan.

Domainit ovat hyvin pieniä alueita materiaalin rakenteessa, jossa kaikki dipolit ovat samansuuntaisia. Toisin sanoen, domainit ovat kuin pieniä pysyviä magneetteja, jotka sijaitsevat satunnaisesti aineen rakenteessa.

Nämä domainit sijoittuvat materiaalin rakenteeseen niin satunnaisesti, että kyseisen aineen netto magneettikenttä on nolla. Kun ulkoinen magneettikenttä (mmf) sovelletaan, satunnaisesti suunnatut domainit suuntautuvat kentän mukaiseksi.

Kun kenttä poistetaan, useimmat domainit palautuvat satunnaisiin asentoihin, mutta jotkut pysyvät suunnatuina. Nämä muuttumattomat domainit aiheuttavat aineen pysyvän magneittisuuden. Tätä magneittisuutta kutsutaan "spontaaniksi magneittisuudeksi".

Tämän magneittisuuden neutralisointiin tarvitaan jonkin verran vastaista mmf:ää. Muuntimen ytimeen sovellettu magnetomotivoiva voima (mmf) on vaihteleva. Jokaisella kierroksella tämän domaingaalisuuden vuoksi tehdään lisätyötä. Tämän vuoksi sähköenergiaa kulutetaan, mikä tunnetaan muuntimen hystereesi-tappiona.

Matemaattinen selitys hystereesi-tappiolle muuntimessa

Hystereesi-tappion määrittäminen

Oletetaan, että on olemassa ferromagneettisen näytteen rengas, jonka piiri on L metriä, pinta-ala a m2 ja N kierrosta eristettyä langasta kuvan mukaisesti,

Oletetaan, että kiertokulkuun kulkee I amperiä,

Magnetisoiva voima,

Oletetaan, että tämänhetkinen fluxti tiheys on B,

Siten, renkaan kautta kulkeva kokonaissähkövirta, Φ = BXa Wb

Koska kiertokulkua läpi kulkeva virta on vaihteleva, teräsrengas tuottama fluxti on myös vaihteleva, joten induktoidun emf:n (e′) ilmaisuna on,

Lenzin lain mukaan tämä induktoidun emf vastustaa virran virtaamista, joten virran I ylläpitämiseksi kiertokulkussa lähde täytyy toimittaa yhtä suuri ja vastakkainen emf. Siksi sovellettava emf on,

Kulutettu energia lyhyessä ajassa dt, jolloin fluxti tiheyden muutos on,

Näin ollen yhden kierroksen aikana suoritettu työ tai kulutettu energia on,

Nyt aL on renkaan tilavuus ja H.dB on B – H -käyrän elementaarisen nauhan pinta-ala kuvassa yläpuolella,

Siten, kulutettu energia yhden kierroksen aikana = renkaan tilavuus × hystereesi-silmukan pinta-ala. Muuntimen tapauksessa tämä rengas voidaan pitää muuntimen magneettina ytimenä. Siten, suoritettu työ on muuntimen ytimessä kuluneen sähköenergian tappio, ja tätä kutsutaan muuntimen hystereesi-tappioksi.

Mikä on pyörivän sähkön tappio?

Muuntimeen syötetään vaihteleva virta primääriosaan, joka tuottaa vaihtelevan magneettivirran ytimessä, ja kun tämä fluxti linkittyy sekundaariossa, siellä indusoituu jännite, mikä johtaa virtaan, joka kulkee kytkettyyn kuormaan.

Jotkut muuntimen vaihtelevat fluxit voivat myös linkittyä muihin johtaviin osiin, kuten teräsytymään tai muuntimen rautakehoon. Kun vaihteleva flux linkittyy näihin osiin, siellä indusoituu paikallinen emf.

Näiden emf:n ansiosta syntyy virta, joka kiertää paikallisesti näitä muuntimen osia. Nämä kiertovirtat eivät edistä muuntimen tulosta ja häviävät lämpönä. Tämäntyyppinen energian tappio kutsutaan muuntimen pyörivän sähkön tappioksi.

Tämä oli laaja ja yksinkertainen selitys pyörivän sähkön tappiosta. Tämän tappion yksityiskohtainen selitys ei ole keskustelun aiheen piirissä tässä luvussa.