Straty energii w transformatorach

Straty w transformatorze

Ponieważ transformator jest urządzeniem statycznym, straty mechaniczne zazwyczaj nie są brane pod uwagę. Zwykle rozpatrujemy tylko straty elektryczne w transformatorze.

Strata w dowolnym urządzeniu jest szeroko definiowana jako różnica między mocą wejściową a mocą wyjściową. Gdy moc wejściowa jest podawana do pierwotnej części transformatora, część tej mocy służy do kompensacji strat rdzeniowych w transformatorze, tj. strat hysteresyjnych i prądów wirowych w rdzeniu transformatora, a część mocy wejściowej traci się jako strata I2R i rozprasza w postaci ciepła w obwodach pierwotnym i wtórnym, ponieważ te obwody mają pewne opory wewnętrzne.

Pierwsza z nich nazywana jest stratą rdzeniową lub stratą żelazną w transformatorze, a druga znana jest jako strata ohmiczna lub strata miedziana w transformatorze. Inna strata występująca w transformatorze, zwana stratą poboczną, powstaje ze względu na pola magnetyczne poboczne połączone z konstrukcją mechaniczną i przewodnikami obwodów.

Strata miedziana w transformatorze

Strata miedziana to strata I²I2R, gdzie I12R1 po stronie pierwotnej i I22R2 po stronie wtórnej. Tutaj, I1 i I2 to prądy pierwotny i wtórny, a R1 i R2 to opory obwodów. Ponieważ te prądy zależą od obciążenia, strata miedziana w transformatorze zmienia się wraz z obciążeniem.

Straty rdzeniowe w transformatorze

Straty hysteresyjne i prądy wirowe, obie zależą od właściwości magnetycznych materiałów użytych do budowy rdzenia transformatora i jego projektu. Te straty w transformatorze są stałe i nie zależą od prądu obciążenia. Dlatego straty rdzeniowe w transformatorze, znane również jako straty żelazne w transformatorze, można uważać za stałe dla wszystkich zakresów obciążenia.

Strata hysteresyjna w transformatorze oznaczana jest jako,

Strata prądów wirowych w transformatorze oznaczana jest jako,

Kh = stała hysteresyjna.

Ke = stała prądów wirowych.

Kf = stała kształtu.

Strata miedziana może być prosto oznaczona jako,

IL2R2′ + strata poboczna

Gdzie, IL = I2 = obciążenie transformatora, a R2′ to opór transformatora odnoszący się do strony wtórnej.

Teraz omówimy straty hysteresyjne i prądy wirowe bardziej szczegółowo, aby lepiej zrozumieć temat strat w transformatorach.

Strata hysteresyjna w transformatorze

Straty hysteresyjne w transformatorach mogą być wyjaśnione na dwa sposoby: fizycznie i matematycznie.

Fizyczne wyjaśnienie straty hysteresyjnej

Rdzeń transformatora wykonany jest z 'Zimnorolowanej Krystalicznie Oskrzydlonej Stali Żelazosilikatowej'. Stal jest bardzo dobrym materiałem ferromagnetycznym. Ten rodzaj materiałów jest bardzo wrażliwy na namagnesowanie. To oznacza, że za każdym razem, gdy pole magnetyczne będzie przechodzić przez, zachowa się jak magnes. Substancje ferromagnetyczne mają wiele domen w swojej strukturze.

Domeny to bardzo małe regiony w strukturze materiału, gdzie wszystkie dipole są równoległe do tego samego kierunku. Innymi słowy, domeny są jak małe magnesy stałe ułożone losowo w strukturze substancji.

Te domeny są tak ułożone w strukturze materiału, że całkowite pole magnetyczne danego materiału wynosi zero. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne (mmf) jest zastosowane, domeny skierowane losowo ustawiają się równolegle do pola.

Po usunięciu pola, większość domen wraca do pozycji losowych, ale niektóre pozostają ustawione. Dzięki tym niezmienionym domenom, substancja staje się nieco permanentnie namagnesowana. Ta magnetyczność nazywana jest "Magnetyzmem Spontanicznym".

Aby neutralizować tę magnetyczność, wymagane jest zastosowanie pewnego przeciwnego mmf. Siła magnetomotoryczna lub mmf zastosowana w rdzeniu transformatora jest naprzemienna. W każdym cyklu, ze względu na odwrócenie domen, będzie wykonywana dodatkowa praca. Dlatego spowoduje to zużycie energii elektrycznej, które nazywane jest stratą hysteresyjną transformatora.

Matematyczne wyjaśnienie straty hysteresyjnej w transformatorze

Określenie straty hysteresyjnej

Rozważmy pierścień próbkowy ferromagnetycznego materiału o obwodzie L metrów, przekroju poprzecznym a m2 i N zwitkach izolowanego drutu, jak pokazano na rysunku obok,

Przyjmijmy, że prąd płynący przez cewkę wynosi I amperów,

Siła magnetyzująca,

Przyjmijmy, że gęstość strumienia magnetycznego w tym momencie wynosi B,

Zatem, całkowity strumień magnetyczny przez pierścień, Φ = BXa Wb

Ponieważ prąd płynący przez cewkę jest naprzemienny, strumień magnetyczny wytworzony w pierścieniu żelaza również jest naprzemienny, więc indukowana emf (e′) będzie wyrażona jako,

Zgodnie z prawem Lenza ta indukowana emf będzie przeciwstawiać się przepływowi prądu, dlatego, aby utrzymać prąd I w cewce, źródło musi dostarczyć równą i przeciwną emf. Zatem zastosowana emf,

Energia zużyta w krótkim czasie dt, podczas którego gęstość strumienia magnetycznego uległa zmianie,

Zatem, całkowita praca wykonana lub energia zużyta podczas jednego pełnego cyklu namagnesowania wynosi,

Teraz aL to objętość pierścienia, a H.dB to powierzchnia elementarnej paski krzywej B – H, jak pokazano na rysunku powyżej,

Zatem, energia zużyta w jednym cyklu = objętość pierścienia × powierzchnia pętli hysteresyjnej. W przypadku transformatora, ten pierścień może być rozważany jako rdzeń magnetyczny transformatora. Zatem, praca wykonana to nic innego jak strata energii elektrycznej w rdzeniu transformatora, co nazywane jest stratą hysteresyjną transformatora.

Co to jest strata prądów wirowych?

W transformatorze podajemy prąd naprzemienny do części pierwotnej, ten prąd naprzemienny tworzy naprzemienne pole magnetyczne w rdzeniu, a gdy to pole magnetyczne łączy się z obwodem wtórnym, indukowany jest napięcie w części wtórnej, co powoduje, że prąd płynie przez obciążenie z nim połączone.

Niektóre z naprzemiennych pól magnetycznych transformatora mogą również łączyć się z innymi częściami przewodzącymi, takimi jak stalowy rdzeń lub żelazna konstrukcja transformatora itp. Gdy naprzemienne pole magnetyczne łączy się z tymi częściami transformatora, indukowana będzie lokalna emf.

Ze względu na te emf, będą występować prądy, które będą krążyć lokalnie w tych częściach transformatora. Te prądy krążące nie będą wnosić do wyjścia transformatora i rozpraszać się jako ciepło. Ten typ straty energii nazywany jest stratą prądów wirowych transformatora.

To było szerokie i proste wyjaśnienie straty prądów wirowych. Szczegółowe wyjaśnienie tej straty nie jest przedmiotem dyskusji w tym rozdziale.