Energieverlies van transformatoren

Verliezen in Transformatoren

Aangezien de elektrische transformatie een statisch apparaat is, komt mechanische verlies in de transformatie normaliter niet aan bod. We beschouwen doorgaans alleen elektrische verliezen in de transformatie.

Verlies in elke machine wordt breed gedefinieerd als het verschil tussen ingangsvermogen en uitgangsvermogen. Wanneer ingangsvermogen aan de primaire zijde van de transformatie wordt toegevoerd, wordt een deel van dat vermogen gebruikt om kernverliezen in de transformatie te compenseren, namelijk hystereseverlies in de transformatie en stroomverlies in de kern van de transformatie, en een deel van het ingangsvermogen gaat verloren als I2R-verlies en wordt afgevoerd als warmte in de primaire en secundaire windingen, omdat deze windingen een zekere interne weerstand hebben.

Het eerste wordt kernverlies of ijzerverlies in de transformatie genoemd en het laatste staat bekend als ohmisch verlies of koperverlies in de transformatie. Een ander verlies treedt op in de transformatie, bekend als Stray Loss, door Stray fluxes die verbonden zijn met de mechanische structuur en de windinggeleiders.

Koperverlies in Transformatoren

Koperverlies is I²I2R-verlies, met I12R1 aan de primaire zijde en I22R2 aan de secundaire zijde. Hierbij zijn I1 en I2 de primaire en secundaire stromen, en R1 en R2 de weerstanden van de windingen. Aangezien deze stromen afhankelijk zijn van de belasting, varieert het koperverlies in een transformatie met de belasting.

Kernverliezen in Transformatoren

Hystereseverlies en stroomverlies, beide afhankelijk van de magnetische eigenschappen van de materialen die worden gebruikt voor de constructie van de kern van de transformatie en het ontwerp. Deze verliezen in de transformatie zijn vast en hangen niet af van de belastingsstroom. Kernverliezen in de transformatie, ook bekend als ijzerverlies in de transformatie, kunnen als constant worden beschouwd voor alle belastingsbereiken.

Hystereseverlies in de transformatie wordt aangeduid als,

Stroomverlies in de transformatie wordt aangeduid als,

Kh = Hystereseconstante.

Ke = Stroomconstante.

Kf = vormconstante.

Koperverlies kan eenvoudig worden aangeduid als,

IL2R2′ + Stray loss

Waarbij IL = I2 = belasting van de transformatie, en R2′ is de weerstand van de transformatie, verwijzend naar de secundaire zijde.

Nu zullen we Hystereseverlies en Stroomverlies in iets meer detail bespreken voor een beter begrip van het onderwerp verliezen in transformatoren.

Hystereseverlies in Transformatoren

Hystereseverlies in transformatoren kan op twee manieren worden uitgelegd: fysiek en wiskundig.

Fysische Uitleg van Hystereseverlies

De magnetische kern van de transformatie is gemaakt van 'Geprepareerd Geroest Graan Gerichte Siliciumstaal'. Staal is een zeer goed ferromagnetisch materiaal. Dit soort materialen is zeer gevoelig voor magnetisatie. Dat betekent, telkens wanneer magneetflux erdoorheen gaat, zal het zich gedragen als een magneet. Ferromagnetische stoffen hebben een aantal domeinen in hun structuur.

Domeinen zijn zeer kleine gebieden in de materiaalstructuur, waarbij alle dipolen parallel aan dezelfde richting staan. Met andere woorden, de domeinen zijn als kleine permanente magneten die willekeurig in de structuur van de stof zijn gelegen.

Deze domeinen zijn zo willekeurig in de materiaalstructuur gerangschikt, dat het netto resulterende magnetische veld van het materiaal nul is. Wanneer een externe magnetische veld (mmf) wordt toegepast, richten de willekeurig gerichte domeinen zich parallel aan het veld.

Nadat het veld is verwijderd, keeren de meeste domeinen terug naar willekeurige posities, maar sommige blijven gericht. Door deze onveranderde domeinen wordt de stof permanent licht gemagnetiseerd. Deze magnetisme wordt "Spontane Magnetisme" genoemd.

Om dit magnetisme te neutraliseren, is een tegengestelde mmf nodig. De magnetomotiefkracht of mmf die in de kern van de transformatie wordt toegepast, is wisselend. Voor elke cyclus, door deze domeinomkering, zal er extra werk worden verricht. Daarom zal er elektrische energie worden verbruikt, wat bekend staat als Hystereseverlies van de transformatie.

Wiskundige Uitleg van Hystereseverlies in Transformatoren

Bepaling van Hystereseverlies

Overweeg een ring van een ferromagnetisch monster met een omtrek L meter, doorsnede a m2 en N windingen van geïsoleerd draad, zoals getoond in de afbeelding hiernaast,

Laten we aannemen, de stroom die door de spoel loopt is I amp,

Magnetiserende kracht,

Laten we aannemen, de fluxdichtheid op dit moment is B,

Dus, de totale flux door de ring, Φ = BXa Wb

Aangezien de stroom die door de solenoïde loopt wisselend is, is de in het ijzeren ring geproduceerde flux ook wisselend, dus de geïnduceerde spanning (e') wordt uitgedrukt als,

Volgens Lenz's wet zal deze geïnduceerde spanning de stroom tegenwerken, daarom moet de bron een gelijkwaardige en tegengestelde spanning leveren om de stroom I in de spoel te handhaven. Dus de toegepaste spanning,

Energie verbruikt in korte tijd dt, tijdens welke de fluxdichtheid is veranderd,

Dus, het totale verrichte werk of verbruikte energie tijdens één volledige cyclus van magnetisme is,

Nu is aL het volume van de ring en H.dB het oppervlak van het elementaire strookje van de B – H-kromme zoals getoond in de figuur hierboven,

Dus, Energie verbruikt per cyclus = volume van de ring × oppervlak van de hystereselus. In het geval van de transformatie, kan deze ring worden beschouwd als de magnetische kern van de transformatie. Het verrichte werk is niets anders dan het elektrische energieverlies in de kern van de transformatie, en dit staat bekend als hystereseverlies in de transformatie.

Wat is Stroomverlies?

In de transformatie voeren we wisselstroom in de primaire zijde, deze wisselstroom produceert wisselmagnetiserende flux in de kern en aangezien deze flux verbonden is met de secundaire winding, zal er een geïnduceerde spanning in de secundaire zijde ontstaan, waardoor er stroom door de belasting stroomt die eraan is verbonden.

Sommige van de wisselende fluxen van de transformatie; kunnen ook verbonden zijn met andere geleidende delen zoals de staalkern of het ijzeren lichaam van de transformatie, enz. Aangezien de wisselende flux verbonden is met deze delen van de transformatie, zal er een lokaal geïnduceerde spanning zijn.

Door deze spanningen zal er stroom circuleren in die delen van de transformatie. Deze circulerende stroom zal niet bijdragen aan de uitvoer van de transformatie en zal worden afgevoerd als warmte. Dit type energieverlies wordt stroomverlies in de transformatie genoemd.

Dit was een brede en eenvoudige uitleg van stroomverlies. De gedetailleerde uitleg van dit verlies valt buiten het bereik van de discussie in dit hoofdstuk.