Tranzformátorban bekövetkező veszteségek
Mivel a tranzformátor egy statikus eszköz, általában nem számítunk be mechanikai veszteségeket. Csak az elektromos veszteségeket veszünk figyelembe a tranzformátorban.
A bármilyen gépben bekövetkező veszteség általánosságban a bemenő teljesítmény és a kimenő teljesítmény közötti különbséggel definiálható. Amikor bemenő teljesítményt adunk a tranzformátor elsődleges oldalára, ennek egy része a tranzformátor magveszteségeinek (histerézis- és cirkulációs veszteségek) kiegyenlítésére kerül, míg egy másik része I2R veszteségként fokozód meg, és hő formájában diszipálódik az elsődleges és másodlagos tekercsekben, mivel ezek a tekercsek bizonyos belső ellenállásukkal rendelkeznek.
Az elsőt magveszteségnek vagy vasszárnyas veszteségnek nevezzük a tranzformátorban, míg a későbbi ohm-veszteségként vagy rézveszteségként ismert. Egy másik veszteség a tranzformátorban bekövetkezik, amit Stray Lossnak nevezünk, ami a mechanikai szerkezet és a tekercsvezetékekkel kapcsolatos stray flux miatt jön létre.
Rézveszteség a tranzformátorban
A rézveszteség I²I2R veszteség, ahol I12R1 az elsődleges oldalon, I22R2 pedig a másodlagos oldalon van. Itt I1 és I2 az elsődleges és másodlagos áramok, R1 és R2 pedig a tekercsek ellenállása. Mivel ezek az áramok a terheléstől függnek, a tranzformátorban bekövetkező rézveszteség a terheléstől változik.
Magveszteségek a tranzformátorban
A histerézis- és cirkulációs veszteségek mindkettő a tranzformátor magját alkotó anyagok mágneses tulajdonságaitól és a tervezéstől függnek. Ezért ezek a veszteségek rögzítettek, és nem függnek a terhelési áramtól. Tehát a tranzformátor magveszteségei, amelyeket alternatívan vasszárnyas veszteségeknek is nevezünk, állandók lehetnek az összes terhelési tartományban.
A tranzformátor histerézisvesztesége a következőképpen jelölhető:
A tranzformátor cirkulációs vesztesége a következőképpen jelölhető:
Kh = Histerézis konstans.
Ke = Cirkulációs konstans.
Kf = Formkonstans.
A rézveszteség egyszerűen a következőképpen jelölhető:
IL2R2′ + Stray loss
Ahol, IL = I2 = a tranzformátor terhelése, és R2′ a tranzformátor ellenállása, a másodlagos oldalra hivatkozva.
Most részletesebben foglalkozunk a histerézis- és cirkulációs veszteségekkel, hogy jobban megértsük a tranzformátorokban bekövetkező veszteségek témáját.
Histerézisveszteség a tranzformátorban
A tranzformátor histerézisvesztesége két módon is magyarázható: fizikailag és matematikailag.
Fizikai magyarázat a histerézisveszteségről
A tranzformátor mágneses magja "Hideg Lángolt Grán Orientált Szilícium Acél"ből készül. Az acél nagyon jó ferromágneses anyag. Ez a fajta anyagok nagyon érzékenyek a mágnezálásra. Ez azt jelenti, hogy amikor mágneses fluxussal hatnak rá, úgy viselkedik, mint egy mágnes. A ferromágneses anyagok struktúrájában számos domén található.
A domének kis régiók az anyag struktúrájában, ahol az összes dipol párhuzamosan helyezkedik el ugyanabban az irányban. Más szavakkal, a domének olyan kis állandó mágnesek, amelyek véletlenszerűen helyezkednek el az anyag struktúrájában.
Ezek a domének olyan véletlenszerűen helyezkednek el az anyag struktúrájában, hogy a szóban forgó anyag netto mágneses mezője nulla. Ha külső mágneses mezőt (mmf) alkalmazunk, a véletlenszerűen irányított domének párhuzamosan igazodnak a mezővel.
A mező eltávolítása után a legtöbb domén visszaáll véletlenszerű pozícióba, de néhány marad igazítva. Ezek a változatlan domének miatt az anyag kissé állandóan mágnezes lesz. Ez a mágnetizmus "Spontán Mágnesesség" néven ismert.
Ez a mágnetizmus neutralizálásához szükség van egy ellenkező mmf-re. A tranzformátor mágneses aljában alkalmazott mágnesmozgatóerő (mmf) váltó. Minden ciklus során, a domén fordulás miatt, további munka kerül elvégzésre. Ezért a tranzformátorban elektromos energia fogyasztás történik, amit histerézisveszteségnek nevezünk.
Matematikai magyarázat a tranzformátor histerézisveszteségéről
A histerézisveszteség meghatározása
Vegyünk egy ferromágneses minta gyűrűjét, amely L méter kerületű, a m2 keresztmetszete és N szigetelt drótfordulatból áll, ahogy a mellékelt képen látható,
Tegyük fel, hogy a körben áramlik I ampere áram,
Mágnesmozgatóerő,
Legyen, ebben a pillanatban a fluxussűrűség B,
Tehát, a gyűrűn keresztül haladó teljes fluxus, Φ = BXa Wb
Mivel a solenoidon átmenő áram váltó, a vasgyűrűben keletkező fluxus is váltó természetű, ezért a keltett emf (e′) a következőképpen fejezhető ki,
Lenz törvénye szerint ez a keltett emf ellenezi az áram folyását, tehát, hogy az I áramot a tekercsben fenntartsák, a forrásnak egyenlő és ellentétes emf-et kell szolgáltatnia. Így a kifejtett emf,
A rövid idő dt alatt fogyasztott energia, amikor a fluxussűrűség megváltozott,
Így, a teljes végzett munka vagy fogyasztott energia egy teljes mágneses ciklus alatt,
Most aL a gyűrű térfogata, és H.dB a B – H görbe elemi sávjának területe, ahogy a fenti ábrán látható,
Tehát, a ciklusonkénti fogyasztott energia = a gyűrű térfogata × a histerézis hurok területe. A tranzformátor esetében ez a gyűrű a tranzformátor mágneses aljaként tekinthető. Így a végzett munka nem más, mint a tranzformátor mágneses aljában bekövetkező elektromos energiaveszteség, amit histerézisveszteségnek nevezünk a tranzformátorban.
Mi a cirkulációs veszteség?
A tranzformátorban váltóáramot adunk a primáris oldalra, ez a váltóáram váltó mágneses fluxust hoz létre a mágneses aljában, és mivel ez a fluxus a másodlagos tekercsre kapcsolódik, indukált feszültség jön létre a másodlagos oldalon, ami áramot eredményez a vele csatlakoztatott terhelésben.
A tranzformátor egyes váltó fluxusai talán más vezető részekkel is kapcsolódnak, például a vas mágneses aljával vagy a vas testével stb. Mivel a váltó fluxus ezekkel a részekkel kapcsolódik, helyileg indukált emf jön létre.
Ezen emf-k miatt helyi áramok keringnek ezekben a tranzformátor részeiben. Ezek a keringő áramok nem járulnak hozzá a tranzformátor kimenetéhez, hanem hő formájában diszipálódnak. Ez a típusú energiaveszteséget cirkulációs veszteségnek nevezik a tranzformátorban.
Ez volt a cirkulációs veszteség széles és egyszerű magyarázata. A veszteség részletes magyarázata nincs a fejezet tárgykörében.
