Gubitak energije transformatora

Gubitci u transformatoru

Budući da je električni transformator statičko uređaj, mehanički gubitak u transformatoru obično nije prisutan. Obično uzimamo u obzir samo električke gubitke u transformatoru.

Gubitak u bilo kojem stroju općenito se definira kao razlika između ulazne snage i izlazne snage. Kada se ulazna snaga dostavlja primarnom zavojnicu transformatora, dio te snage koristi se za kompensaciju gubitaka u jezgru transformatora, tj. gubitaka histerese u transformatoru i gubitaka strujanja vrtloga u jezgru transformatora, a dio ulazne snage gubi se kao I2R gubitak i rasipa kao toplina u primarnim i sekundarnim zavojnicama, jer ove zavojnice imaju neku unutarnju otpornost.

Prvi se naziva gubitkom jezgra ili gubitkom čelika u transformatoru, a drugi poznat je kao ohmički gubitak ili gubitak bakra u transformatoru. Još jedan gubitak nastaje u transformatoru, poznat kao gubitak strujanja, zbog stranih fluksa koji su povezani s mehaničkim strukturom i vodilima zavojnica.

Gubitak bakra u transformatoru

Gubitak bakra je I²I2R gubitak, s I12R1 na primarnoj strani i I22R2 na sekundarnoj strani. Ovdje, I1 i I2 predstavljaju primarne i sekundarne struje, a R1 i R2 su otpornosti zavojnica. Budući da ove struje ovisi o opterećenju, gubitak bakra u transformatoru varira s opterećenjem.

Gubitci jezgra u transformatoru

Gubitak histerese i gubitak strujanja vrtloga, oboje ovisi o magnetskim svojstvima materijala korištenih za izradu jezgra transformatora i njegovog dizajna. Stoga su ovi gubitci u transformatoru fiksirani i ne ovisi o strujnom opterećenju. Stoga se gubitci jezgra u transformatoru, koji se alternativno nazivaju gubitcima čelika u transformatoru, mogu smatrati konstantnim za sve razine opterećenja.

Gubitak histerese u transformatoru označava se kao,

Gubitak strujanja vrtloga u transformatoru označava se kao,

Kh = Konstanta histerese.

Ke = Konstanta strujanja vrtloga.

Kf = konstanta forme.

Gubitak bakra može se jednostavno označiti kao,

IL2R2′ + gubitak strujanja

gdje, IL = I2 = opterećenje transformatora, a R2′ je otpornost transformatora referentna na sekundarnoj strani.

Sada ćemo detaljnije razmotriti gubitak histerese i gubitak strujanja vrtloga kako bismo bolje razumjeli temu gubitaka u transformatorima.

Gubitak histerese u transformatoru

Gubitak histerese u transformatorima može se objasniti na dva načina: fizički i matematički.

Fizičko objašnjenje gubitka histerese

Magnetno jezgro transformatora izrađeno je od 'Hladno valjanog granulo orijentiranog silikonskog čelika'. Čelični je vrlo dobar feromagnetski materijal. Ovakvi materijali su vrlo osjetljivi na magnetizaciju. To znači, kad god bi magnetski fluks prošao kroz, ponašao bi se poput magneta. Feromagnetski spojevi imaju brojne domene u svojoj strukturi.

Domeni su vrlo mali regioni u strukturi materijala, gdje su svi dipolovi paralelni istom smjeru. Drugim riječima, domene su poput malih stalnih magneta situiranih nasumično u strukturi tvari.

Ovi domeni su raspoređeni unutar strukture materijala na takav nasumičan način, da je neto rezultantno magnetsko polje navedenog materijala nula. Kada se primijeni vanjsko magnetsko polje (mmf), nasumično usmjereni domeni poravnaju se paralelno s poljem.

Nakon što se polje ukloni, većina domena vraća se na nasumične pozicije, ali neki ostaju poravnati. Zbog ovih nepromijenjenih domena, tvar postaje blago trajno magnetizirana. Ova magnetizacija se naziva "Spontana magnetizacija".

Da bi se neutralizirala ova magnetizacija, potrebno je primijeniti neki suprotni mmf. Magnetni pokret ili mmf primijenjen u jezgru transformatora je alterirajući. Za svaki ciklus zbog obrtanja domena, bit će dodatno posla. Zbog toga, bit će potrošnja električne energije, koja se naziva gubitak histerese transformatora.

Matematičko objašnjenje gubitka histerese u transformatoru

Određivanje gubitka histerese

Promotrimo prsten od feromagnetskog uzorka obujma L metara, presjeka površine a m2 i N zavojnica izolovane žice kao što je prikazano na slici pored,

Pretpostavimo da struja koja protječe kroz zavojnicu iznosi I amp,

Magnetična sila,

Neka je gustoća fluksa u tom trenutku B,

Stoga, ukupni fluks kroz prsten, Φ = BXa Wb

Budući da struja koja protječe kroz solenoid alterira, fluks proizveden u željeznom prstenu također je alterirajuće prirode, stoga se inducirana emf (e′) izrazit će kao,

Prema Lensovom zakonu, ova inducirana emf će suprotstaviti protoku struje, stoga, kako bi se održala struja I u zavojnici, izvor mora dostaviti jednak i suprotan emf. Stoga primijenjena emf,

Energija potrošena u kratkom vremenskom intervalu dt, tijekom kojeg je gustoća fluksa promijenjena,

Stoga, ukupno poslovo ili potrošena energija tijekom jednog kompletnog ciklusa magnetizacije je,

Sada aL je volumen prstena, a H.dB je površina elementarnog trake B – H krivulje prikazane na slici iznad,

Stoga, potrošena energija po ciklu = volumen prstena × površina petlje histerese. U slučaju transformatora, ovaj prsten se može smatrati magnetskim jezgrom transformatora. Stoga, poslovo je ništa drugo nego gubitak električne energije u jezgru transformatora, a to se naziva gubitak histerese u transformatoru.

Što je gubitak strujanja vrtloga?

U transformatoru, isporučujemo alterirajuću struju na primarnoj strani, ta alterirajuća struja proizvodi alterirajući magnetski fluks u jezgru, a kako se taj fluks povezuje s sekundarnom zavojnicom, dobit ćemo inducirani napon na sekundarnoj strani, što rezultira protokom struje kroz opterećenje povezano s njim.

Neki od alterirajućih fluksa transformatora; također se mogu povezati s drugim vodljivim dijelovima poput čeličnog jezgra ili željeznog tijela transformatora itd. Kako se alterirajući fluks povezuje s tim dijelovima transformatora, dobit će se lokalno inducirani emf.

Zbog ovih emf-ova, dobit će se struje koje će lokalno cirkulirati na tim dijelovima transformatora. Ove cirkulirajuće struje ne doprinose izlazu transformatora i rasipa se kao toplina. Ovaj tip gubitka energije naziva se gubitak strujanja vrtloga u transformatoru.

To je široko i jednostavno objašnjenje gubitka strujanja vrtloga. Detaljno objašnjenje ovog gubitka nije u sklopu rasprave u ovom poglavlju.