변압기의 에너지 손실

변압기 손실

전기 변압기는 정적 장치이므로 일반적으로 변압기의 기계적 손실은 고려되지 않습니다. 우리는 보통 변압기의 전기적 손실만을 고려합니다.

기계에서의 손실은 일반적으로 입력 전력과 출력 전력의 차이로 정의됩니다. 변압기의 일차측에 입력 전력을 공급하면, 그 중 일부는 변압기의 코어 손실(히스테리시스 손실 및 에디 전류 손실)을 보상하기 위해 사용되고, 다른 일부는 I2R 손실로 잃어버리고, 일차와 이차 권선의 내부 저항으로 인해 열로 방출됩니다.

첫 번째는 변압기의 코어 손실 또는 철 손실이라고 불리며, 나중 것은 오믹 손실 또는 구리 손실이라고 알려져 있습니다. 또한 변압기에서 스트레이 플럭스가 기계 구조와 권선 도체와 연결되어 발생하는 스트레이 손실도 있습니다.

변압기의 구리 손실

구리 손실은 I²I2R 손실이며, 일차측에서는 I12R1이고 이차측에서는 I22R2입니다. 여기서 I1과 I2는 일차 및 이차 전류이고, R1과 R2는 권선의 저항입니다. 이러한 전류는 부하에 따라 달라지므로, 변압기의 구리 손실은 부하에 따라 변동합니다.

변압기의 코어 손실

히스테리시스 손실과 에디 전류 손실은 모두 변압기 코어를 구성하는 재료의 자기 특성과 설계에 따라 달라집니다. 따라서 이러한 손실은 부하 전류에 영향을 받지 않고 고정된 값입니다. 따라서 변압기의 코어 손실, 즉 철 손실은 모든 부하 범위에서 일정하다고 간주할 수 있습니다.

변압기의 히스테리시스 손실은 다음과 같이 표시됩니다,

변압기의 에디 전류 손실은 다음과 같이 표시됩니다,

Kh = 히스테리시스 상수

Ke = 에디 전류 상수

Kf = 형상 상수

구리 손실은 간단히 다음과 같이 표시할 수 있습니다,

IL2R2′ + 스트레이 손실

여기서, IL = I2 = 변압기 부하, 그리고 R2′는 이차측으로 참조된 변압기 저항입니다.

이제 변압기의 손실 주제를 더 잘 이해하기 위해 히스테리시스 손실과 에디 전류 손실에 대해 조금 더 자세히 논의하겠습니다.

변압기의 히스테리시스 손실

변압기의 히스테리시스 손실은 물리적으로와 수학적으로 두 가지 방법으로 설명할 수 있습니다.

히스테리시스 손실의 물리적 설명

변압기의 자기 코어는 '냉연 방향성 실리콘 강철'로 만들어집니다. 강철은 매우 좋은 강자성 재료입니다. 이러한 종류의 재료는 자기 플럭스가 통과할 때마다 자석처럼 작동합니다. 강자성 물질은 구조 내에 많은 도메인을 가지고 있습니다.

도메인은 재료 구조 내의 매우 작은 영역으로, 모든 디폴이 동일한 방향으로 평행하게 배열되어 있습니다. 즉, 도메인은 물질 구조 내에 무작위로 위치한 작은 영구 자석과 같습니다.

이러한 도메인은 재료 구조 내에서 무작위로 배열되어 있어, 해당 재료의 순방향 자기장은 0입니다. 외부 자기장(mmf)이 적용되면, 무작위로 배열된 도메인은 자기장과 평행하게 정렬됩니다.

자기장이 제거된 후, 대부분의 도메인은 무작위 위치로 돌아가지만, 일부는 정렬된 상태로 남아 있습니다. 이러한 변경되지 않은 도메인 때문에, 물질은 약간 영구적으로 자화됩니다. 이를 '자발적 자화'라고 합니다.

이 자화를 중립화하기 위해서는 반대 방향의 mmf가 필요합니다. 변압기 코어에 적용되는 자기기동력 또는 mmf는 교류입니다. 각 주기마다 이러한 도메인 역전으로 인해 추가적인 작업이 이루어지며, 이로 인해 전기 에너지가 소비되는데, 이를 변압기의 히스테리시스 손실이라고 합니다.

변압기의 히스테리시스 손실의 수학적 설명

히스테리시스 손실의 결정

L 미터의 둘레, a m²의 단면적, N 개의 절연 선으로 된 페로자성 시편의 링을 고려해보겠습니다,

코일을 통과하는 전류가 I 암페어라고 가정해봅시다,

자기화력,

이 순간의 플럭스 밀도가 B라고 하면,

따라서, 링을 통과하는 총 플럭스, Φ = BXa Wb

솔레노이드를 통과하는 전류가 교류이므로, 철 링에서 생성되는 플럭스도 교류 성질을 가지며, 따라서 유도되는 전동력(e′)은 다음과 같이 표현됩니다,

렌츠 법칙에 따르면, 이 유도 전동력은 전류의 흐름을 저지하므로, 코일에 전류 I을 유지하기 위해서는 소스가 같은 크기의 반대 방향의 전동력을 공급해야 합니다. 따라서 적용된 전동력,

플럭스 밀도가 변화하는 짧은 시간 dt 동안 소비되는 에너지,

따라서, 한 주기 동안 자화에 소비되는 총 작업량 또는 에너지는,

aL은 링의 부피이고, H.dB는 위의 그림에 표시된 B – H 곡선의 기본적인 부분의 면적입니다,

따라서, 한 주기당 소비되는 에너지 = 링의 부피 × 히스테리시스 루프의 면적.변압기의 경우, 이 링은 변압기의 자기 코어로 간주될 수 있습니다. 따라서 수행되는 작업은 변압기 코어에서의 전기 에너지 손실이며, 이를 변압기의 히스테리시스 손실이라고 합니다.

에디 전류 손실이란?

변압기에서 일차측에 교류를 공급하면, 이 교류는 코어에서 교류 자기 플럭스를 생성하고, 이 플럭스가 이차 권선과 연결되면, 이차측에 유도 전압이 발생하여 부하에 전류가 흐릅니다.

변압기의 일부 교류 플럭스는 변압기의 철 코어나 철 몸체 등의 다른 도체 부분과 연결될 수 있습니다. 이러한 교류 플럭스가 변압기의 이러한 부분과 연결되면, 국소적으로 유도 전동력이 발생합니다.

이러한 유도 전동력으로 인해, 변압기의 이러한 부분에서 국소적으로 전류가 순환합니다. 이러한 순환 전류는 변압기의 출력에 기여하지 않고 열로 방출됩니다. 이러한 형태의 에너지 손실을 변압기의 에디 전류 손실이라고 합니다.

이것은 에디 전류 손실에 대한 광범위하고 간단한 설명입니다. 이 장에서는 이러한 손실에 대한 자세한 설명은 포함되지 않습니다.