Izguba energije v transformatorjih

Izgubi v transformatorju

Ker je električni transformator statično napravo, mehanske izgube v transformatorju običajno ne upoštevamo. Običajno upoštevamo le električne izgube v transformatorju.

Izguba v katerikoli stroji se splošno definira kot razlika med vhodno močjo in izhodno močjo. Ko je vhodna moč podana primarni strani transformatorja, del te moči uporabimo za kompenzacijo jedrskega izgubljanja v transformatorju, to je histeretsko izgubo in tokovinsko izgubo v jedru transformatorja, in del vhodne moči se izgubi kot I2R izguba in se odvaja kot toplina v primarnih in sekundarnih ovitkah, ker imajo ti ovitki neko notranjo upornost.

Prva se imenuje jedrska ali železna izguba v transformatorju, druga pa se imenuje ohmska ali bakrena izguba v transformatorju. Še ena izguba, ki se pojavlja v transformatorju, je Stray Loss zaradi Stray fluxes, ki povezujejo mehansko strukturo in vodilne vodiče.

Bakrena izguba v transformatorju

Bakrena izguba je I²I2R izguba, z I12R1 na primarni strani in I22R2 na sekundarni strani. Tukaj so I1 in I2 primarni in sekundarni tokovi, R1 in R2 pa upornosti ovitev. Ker so ti tokovi odvisni od optage, se bakrena izguba v transformatorju spreminja s optago.

Jedrske izgube v transformatorju

Histeretska in tokovinska izguba sta odvisni od magnetnih lastnosti materialov, uporabljenih za gradnjo jedra transformatorja, in njegovega dizajna. Zato so te izgube v transformatorju fiksne in ne odvisne od optagega toka. Zato se lahko jedrske izgube v transformatorju, znane tudi kot železne izgube v transformatorju, smatrajo konstantnimi za celoten obseg optag.

Histeretska izguba v transformatorju se označuje z,

Tokovinska izguba v transformatorju se označuje z,

Kh = Histeretska konstanta.

Ke = Tokovinska konstanta.

Kf = oblikovna konstanta.

Bakrena izguba se lahko preprosto označi z,

IL2R2′ + Stray loss

Kjer je IL = I2 = optaga transformatorja, in R2′ upornost transformatorja, navedena za sekundarno stran.

Naslednje bomo razpravili o histeretski in tokovinski izgubi malo podrobneje za boljše razumevanje teme izgub v transformatorjih.

Histeretska izguba v transformatorju

Histeretska izguba v transformatorjih se lahko razloži na dva načina: fizikalno in matematično.

Fizikalno razlaganje histeretske izgube

Magnetno jedro transformatorja je izdelano iz "Cold Rolled Grain Oriented Silicon Steel". Jeklo je zelo dober feromagnetni material. Ta vrsta materialov je zelo občutljiva na magnetizacijo. To pomeni, da kdor koli magentni tok preide skozi, bo deloval kot magnet. Feromagnetni snovi imajo številne domene v svoji strukturi.

Dome ne so zelo majhne regije v strukturi materiala, kjer so vsi dipoli usmerjeni v isto smer. Drugače povedano, so dome ne kot majhni stalni magneti, postavljeni naključno v strukturi snovi.

Te dome ne so takole naključno razporejene znotraj strukture materiala, da je neto rezultantno magnetno polje tega materiala enako nič. Ko je podan zunanji magnetni tok (mmf), se naključno usmerjene dome ne poravnajo vzporedno s poljem.

Po odstranitvi polja se večina domen vrne na naključne položaje, nekatera pa ostanejo poravnana. Zaradi teh nespremenjenih domen se snov malo trajno magnetizira. Ta magnetizacija se imenuje "Spontanerna magnetizacija".

Za neutralizacijo te magnetizacije je potrebno uporabiti nekaj nasprotnega mmf. Magnetna motive sila ali mmf, uporabljeni v jedru transformatorja, je izmenična. Za vsak cikel zaradi obrnljivosti domen bo opravljeno dodatno delo. Zaradi tega bo porabljena električna energija, znana kot histeretska izguba transformatorja.

Matematično razlaganje histeretske izgube v transformatorju

Določitev histeretske izgube

Upoštevajmo prstan feromagnetnega vzorca s obsegom L metrov, prečnim površinama a m2 in N zavojnicami izoliranega druta, kot je prikazano na sliki poleg:

Upoštevajmo, da tok, ki teče skozi čevljo, znaša I amp,

Magnetna motorna sila,

Naj bo gostota toka B v tem trenutku,

Torej, skupni tok skozi prstan, Φ = BXa Wb

Ker je tok, ki teče skozi solenoid, izmeničen, je tudi tok, ki se ustvari v jeklenem prstnu, izmeničen, zato se inducirana napetost (e′) izraža kot,

Po Lenzevem zakonu ta inducirana napetost nasprotna toku, zato, da bi ohranili tok I v čevlju, mora vir podati enako in nasprotno napetost. Torej, uporabljena napetost,

Energija, porabljena v kratkem času dt, med katerim se je gostota toka spremenila,

Torej, skupno opravljeno delo ali porabljena energija med enim popolnim ciklusom magnetizacije je,

Sedaj je aL prostornina prstna in H.dB površina elementarne trake B – H krivulje, prikazane na zgornji sliki,

Torej, Porabljena energija na cikel = prostornina prstna × površina histeretske zanke. V primeru transformatorja se ta prstan lahko smatra kot magnetno jedro transformatorja. Torej, opravljeno delo ni nič drugega kot električna energijska izguba v jedru transformatorja, znana kot histeretska izguba transformatorja.

Kaj je tokovinska izguba?

V transformatorju podajemo izmenični tok na primarno stran, ta izmenični tok ustvarja izmenični magnetni tok v jedru, in ko se ta tok poveže s sekundarnim ovitkom, bo v sekundarnem ovitku inducirana napetost, kar bo posledica toka, ki teče skozi optago, povezan z njim.

Nekateri izmenični toki transformatorja se lahko povežejo tudi z drugimi vodilnimi deli, kot so jeklena jedro ali železni telesni deli transformatorja itd. Ko se izmenični tok poveže s temi deli transformatorja, bo tam lokalno inducirana napetost.

Zaradi teh napetosti bodo tokovi, ki se bodo lokalno cirkulirali na teh delih transformatorja. Ti cirkulirajoči toki ne bodo prispevali k izhodu transformatorja in se bodo odvajali kot toplina. Ta vrsta energijske izgube se imenuje tokovinska izguba transformatorja.

To je široko in preprosto razlaganje tokovinske izgube. Podrobnejša razlaga te izgube ni v okviru razprave v tej poglavju.