Perdita di energia dei trasformatori
Perdite nel Trasformatore
Poiché il trasformatore elettrico è un dispositivo statico, le perdite meccaniche nel trasformatore di solito non sono in questione. Generalmente consideriamo solo le perdite elettriche nel trasformatore.
La perdita in qualsiasi macchina è ampiamente definita come la differenza tra potenza d'ingresso e potenza d'uscita. Quando la potenza d'ingresso viene fornita al primario del trasformatore, una parte di quella potenza viene utilizzata per compensare le perdite del nucleo del trasformatore, ovvero la perdita di isteresi nel trasformatore e la perdita di corrente indotta nel nucleo del trasformatore, e una parte della potenza d'ingresso viene persa come perdita I2R e dissipata sotto forma di calore nei rivestimenti primario e secondario, poiché questi rivestimenti hanno una certa resistenza interna.
La prima è chiamata perdita del nucleo o perdita di ferro nel trasformatore e la seconda è nota come perdita ohmica o perdita di rame nel trasformatore. Un'altra perdita che si verifica nel trasformatore, conosciuta come perdita dispersa, è dovuta ai flussi dispersi che collegano la struttura meccanica e i conduttori dei rivestimenti.
Perdita di Rame nel Trasformatore
La perdita di rame è una perdita I²I2R, con I12R1 sul lato primario e I22R2 sul lato secondario. Qui, I1 e I2 sono le correnti primaria e secondaria, e R1 e R2 sono le resistenze dei rivestimenti. Poiché queste correnti dipendono dal carico, la perdita di rame in un trasformatore varia con il carico.
Perdite del Nucleo nel Trasformatore
La perdita di isteresi e la perdita di corrente indotta, entrambe dipendono dalle proprietà magnetiche dei materiali utilizzati per costruire il nucleo del trasformatore e dal suo design. Quindi, queste perdite nel trasformatore sono fisse e non dipendono dalla corrente di carico. Pertanto, le perdite del nucleo nel trasformatore, notate anche come perdite di ferro nel trasformatore, possono essere considerate costanti per tutte le gamme di carico.
La perdita di isteresi nel trasformatore è denotata come,
La perdita di corrente indotta nel trasformatore è denotata come,
Kh = Costante di isteresi.
Ke = Costante di corrente indotta.
Kf = Costante di forma.
La perdita di rame può essere semplicemente denotata come,
IL2R2′ + Perdita dispersa
Dove, IL = I2 = carico del trasformatore, e R2′ è la resistenza del trasformatore riferita al secondario.
Ora discuteremo la perdita di isteresi e la perdita di corrente indotta in modo un po' più dettagliato per una migliore comprensione del tema delle perdite nei trasformatori.
Perdita di Isteresi nel Trasformatore
La perdita di isteresi nei trasformatori può essere spiegata in due modi: fisicamente e matematicamente.
Spiegazione Fisica della Perdita di Isteresi
Il nucleo magnetico del trasformatore è realizzato in "Acciaio Silicio Orientato a Grana Fredda". L'acciaio è un ottimo materiale ferromagnetico. Questo tipo di materiali è molto sensibile alla magnetizzazione. Ciò significa che, ogni volta che un flusso magnetico passa attraverso, esso si comporterà come un magnete. I materiali ferromagnetici hanno numerose domini nella loro struttura.
I domini sono regioni molto piccole nella struttura del materiale, dove tutti i dipoli sono allineati nella stessa direzione. In altre parole, i domini sono come piccoli magneti permanenti situati casualmente nella struttura del materiale.
Questi domini sono disposti all'interno della struttura del materiale in modo così casuale che il campo magnetico risultante netto del materiale in questione è zero. Quando viene applicato un campo magnetico esterno (mmf), i domini orientati casualmente si allineano paralleli al campo.
Dopo la rimozione del campo, la maggior parte dei domini torna a posizioni casuali, ma alcuni rimangono allineati. A causa di questi domini invariati, il materiale diventa leggermente magnetizzato permanentemente. Questa magnetizzazione è chiamata "Magnetismo Spontaneo".
Per neutralizzare questo magnetismo, è necessario applicare un mmf opposto. La forza magnetomotrice o mmf applicata nel nucleo del trasformatore è alternata. Per ogni ciclo, a causa di questa inversione dei domini, ci sarà un lavoro extra svolto. Per questo motivo, ci sarà un consumo di energia elettrica noto come perdita di isteresi del trasformatore.
Spiegazione Matematica della Perdita di Isteresi nel Trasformatore
Determinazione della Perdita di Isteresi
Consideriamo un anello di un campione ferromagnetico con circonferenza L metri, sezione trasversale a m2 e N spire di filo isolato come mostrato nell'immagine a fianco,
Supponiamo che la corrente che scorre nella bobina sia I amp,
Forza magnetizzante,
Sia, la densità di flusso in questo istante B,
Quindi, il flusso totale attraverso l'anello, Φ = BXa Wb
Poiché la corrente che scorre nella solenoide è alternata, il flusso prodotto nell'anello di ferro è anche di natura alternata, quindi la f.e.m. (e′) indotta sarà espressa come,
Secondo la legge di Lenz, questa f.e.m. indotta opporrà il flusso di corrente, quindi, per mantenere la corrente I nella bobina, la sorgente deve fornire una f.e.m. uguale e opposta. Quindi, la f.e.m. applicata,
Energia consumata in breve tempo dt, durante il quale la densità di flusso è cambiata,
Quindi, il lavoro totale svolto o l'energia consumata durante un ciclo completo di magnetizzazione è,
Ora aL è il volume dell'anello e H.dB è l'area della striscia elementare della curva B – H mostrata nella figura sopra,
Quindi, l'energia consumata per ciclo = volume dell'anello × area del ciclo di isteresi.Nel caso del trasformatore, questo anello può essere considerato come il nucleo magnetico del trasformatore. Pertanto, il lavoro svolto non è altro che la perdita di energia elettrica nel nucleo del trasformatore e ciò è noto come perdita di isteresi nel trasformatore.
Cosa è la Perdita di Corrente Indotta?
Nel trasformatore, forniamo corrente alternata al primario, questa corrente alternata produce un flusso magnetizzante alternato nel nucleo e, poiché questo flusso si collega con l'avvolgimento secondario, vi sarà una tensione indotta nel secondario, risultando in una corrente che scorre attraverso il carico connesso ad esso.
Alcuni dei flussi alternati del trasformatore; possono anche collegarsi con altre parti conduttrici come il nucleo di acciaio o il corpo di ferro del trasformatore, ecc. Poiché i flussi alternati si collegano con queste parti del trasformatore, vi sarà una f.e.m. locale indotta.
A causa di queste f.e.m., vi saranno correnti che circoleranno localmente in quelle parti del trasformatore. Queste correnti circolanti non contribuiranno all'uscita del trasformatore e saranno dissipate sotto forma di calore. Questo tipo di perdita di energia è chiamato perdita di corrente indotta del trasformatore.
Questa era una spiegazione ampia e semplice della perdita di corrente indotta. La spiegazione dettagliata di questa perdita non rientra nell'ambito di discussione di quel capitolo.
