การสูญเสียพลังงานของหม้อแปลง

การสูญเสียในหม้อแปลง

เนื่องจากหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีการเคลื่อนไหว ความสูญเสียทางกลในหม้อแปลงจึงไม่ได้เกิดขึ้น เราพิจารณาเฉพาะความสูญเสียทางไฟฟ้าในหม้อแปลงเท่านั้น

ความสูญเสียในเครื่องจักรใดๆ ถูกกำหนดอย่างกว้างขวางว่าเป็นความแตกต่างระหว่างกำลังขาเข้าและกำลังขาออก เมื่อกำลังขาเข้าถูกส่งไปยังขดลวดหลักของหม้อแปลง ส่วนหนึ่งของกำลังนี้จะใช้ในการชดเชยความสูญเสียในแกนหม้อแปลง คือ ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็ก (Hysteresis loss) และความสูญเสียจากการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้า (Eddy current loss) ในแกนหม้อแปลง และส่วนหนึ่งของกำลังขาเข้าจะสูญเสียเป็นความร้อนในขดลวดหลักและขดลวดรอง เนื่องจากขดลวดเหล่านี้มีความต้านทานภายใน

ความสูญเสียแรกเรียกว่าความสูญเสียในแกนหรือความสูญเสียในเหล็กของหม้อแปลง และความสูญเสียที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นเรียกว่าความสูญเสียโอห์มหรือความสูญเสียทองแดงในหม้อแปลง อีกความสูญเสียหนึ่งที่เกิดขึ้นในหม้อแปลง คือ ความสูญเสียจากการกระจายสนามแม่เหล็ก (Stray Loss) ซึ่งเกิดจากการกระจายสนามแม่เหล็กกับโครงสร้างทางกลและขดลวดนำไฟฟ้า

ความสูญเสียทองแดงในหม้อแปลง

ความสูญเสียทองแดงเป็นความสูญเสีย I²R บนขดลวดหลักคือ I1²R1 และบนขดลวดรองคือ I2²R2 ที่นี่ I1 และ I2 คือกระแสไฟฟ้าในขดลวดหลักและขดลวดรอง และ R1 และ R2 คือความต้านทานของขดลวด เนื่องจากกระแสเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโหลด ความสูญเสียทองแดงในหม้อแปลงจึงแปรผันตามโหลด

ความสูญเสียในแกนหม้อแปลง

ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กและจากกระแสวน ทั้งสองขึ้นอยู่กับสมบัติแม่เหล็กของวัสดุที่ใช้สร้างแกนหม้อแปลงและการออกแบบ ดังนั้นความสูญเสียเหล่านี้ในหม้อแปลงจึงคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับกระแสโหลด ดังนั้นความสูญเสียในแกนหม้อแปลง ซึ่งเรียกว่าความสูญเสียในเหล็กของหม้อแปลง สามารถถือว่าคงที่สำหรับทุกระดับโหลด

ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลงแสดงเป็น,

ความสูญเสียจากกระแสวนในหม้อแปลงแสดงเป็น,

Kh = ค่าคงที่ของการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็ก

Ke = ค่าคงที่ของกระแสวน

Kf = ค่าคงที่ของรูปทรง

ความสูญเสียทองแดงสามารถแสดงเป็น,

IL²R2′ + ความสูญเสียจากการกระจายสนามแม่เหล็ก

ที่นี่ IL = I2 = โหลดของหม้อแปลง และ R2′ คือความต้านทานของหม้อแปลงที่อ้างอิงกับขดลวดรอง

ต่อไปเราจะอภิปรายความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กและจากกระแสวนเพิ่มเติมเพื่อให้เข้าใจเรื่องความสูญเสียในหม้อแปลงมากขึ้น

ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลง

ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลงสามารถอธิบายได้สองวิธี: ทางกายภาพและทางคณิตศาสตร์

คำอธิบายทางกายภาพของความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็ก

แกนหม้อแปลงทำด้วย 'เหล็กซิลิกอนที่ม้วนแบบเย็นและมีการจัดเรียง晶格方向的冷轧硅钢。这种材料非常容易被磁化，这意味着每当磁通通过时，它就会表现出磁性。铁磁性物质在其结构中有许多磁畴。 这些磁畴是材料结构中所有偶极子平行排列的非常小的区域。换句话说，这些磁畴就像随机分布在物质结构中的小永久磁铁。 这些磁畴在材料结构中以一种随机的方式排列，使得所述材料的净磁场为零。当施加外部磁场（磁动势）时，随机定向的磁畴会平行于该场对齐。 在移除磁场后，大多数磁畴会返回到随机位置，但有些仍然保持对齐。由于这些未改变的磁畴，物质会略微永久磁化。这种磁性称为“自发磁性”。 为了中和这种磁性，需要施加一些相反的磁动势。变压器铁芯中施加的磁动势是交变的。由于每周期的磁畴反转，会有额外的工作完成。因此，会消耗电能，这被称为变压器的磁滞损耗。 **数学解释变压器中的磁滞损耗** **确定磁滞损耗** 考虑一个铁磁样品环，周长为L米，截面积为a平方米，并且有N匝绝缘导线，如图所示， 假设流过线圈的电流为I安培， 磁化力， 设此时的磁通密度为B， 因此，环内的总磁通量，Φ = BXa 韦伯 由于流过螺线管的电流是交流的，铁环中的磁通也是交流性质的，所以感应出的电动势 (e′) 可表示为， 根据楞次定律，这个感应电动势将反对电流流动，因此，为了在线圈中维持电流I，电源必须提供一个相等且相反的电动势。因此，施加的电动势， 在短时间内dt期间，磁通密度发生变化所消耗的能量， 因此，在一个完整的磁化周期中所做的总功或消耗的能量为， 现在aL是环的体积，H.dB是B-H曲线中所示的微小条带的面积， 因此，每个周期消耗的能量 = 环的体积 × 磁滞回线的面积。 在变压器的情况下，可以将这个环视为变压器的磁芯。因此，所做的功实际上就是变压器铁芯中的电能损失，这被称为变压器的磁滞损耗。 **什么是涡流损耗？** 在变压器中，我们在初级侧供应交流电，这会在铁芯中产生交变磁通，并且当这些磁通与次级绕组相连时，会在次级侧感应出电压，从而导致负载连接处有电流流过。 变压器的一些交变磁通也可能与其他导电部分（如钢芯或变压器的铁壳）相连。当交变磁通与变压器的这些部分相连时，会在这些部分局部感应出电动势。 由于这些电动势，会产生局部循环的电流。这些循环电流不会对变压器的输出做出贡献，并以热的形式耗散。这种能量损失称为变压器的涡流损耗。 这是对涡流损耗的一个广泛而简单的解释。本章不讨论这种损耗的详细解释。** 泰语翻译：

ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลง

แกนหม้อแปลงทำด้วย "เหล็กซิลิกอนที่ม้วนแบบเย็นและมีการจัดเรียงทิศทางของคริสตาล" วัสดุชนิดนี้มีความไวต่อการถูกแม่เหล็กสูงมาก หมายความว่าเมื่อมีสนามแม่เหล็กผ่าน วัสดุจะแสดงพฤติกรรมเหมือนแม่เหล็ก วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนตมีโดเมนหลาย ๆ โดเมนในโครงสร้าง

โดเมนเป็นบริเวณเล็ก ๆ ในโครงสร้างวัสดุที่มีดิโพลทั้งหมดขนานไปในทิศทางเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง โดเมนเหล่านี้คล้ายกับแม่เหล็กขนาดเล็กที่กระจายอยู่ในโครงสร้างของสาร

โดเมนเหล่านี้ถูกจัดเรียงอย่างสุ่มในโครงสร้างวัสดุ จนทำให้สนามแม่เหล็กรวมของวัสดุนั้นเป็นศูนย์ เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอก (mmf) ถูกนำไปใช้ โดเมนที่มีทิศทางสุ่มจะขนานไปกับสนาม

หลังจากสนามถูกนำออกไป โดเมนส่วนใหญ่จะกลับไปอยู่ในตำแหน่งสุ่ม แต่บางโดเมนยังคงอยู่ในทิศทางเดิม ทำให้วัสดุมีการแม่เหล็กอย่างถาวรเล็กน้อย ความแม่เหล็กนี้เรียกว่า "ความแม่เหล็กโดยธรรมชาติ"

เพื่อutralize ความแม่เหล็กนี้ จำเป็นต้องใช้ mmf ตรงข้าม การนำ mmf ไปใช้ในแกนหม้อแปลงเป็นการสลับขั้ว สำหรับทุกวงจรที่มีการสลับขั้วโดเมน จะมีงานเสริมเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้พลังงานไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่า ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กของหม้อแปลง

คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลง

การกำหนดความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็ก

พิจารณาแหวนของตัวอย่างเฟอร์โรแมกเนตที่มีเส้นรอบวง L เมตร พื้นที่หน้าตัด a ตารางเมตร และ N รอบของสายไฟฉนวนตามที่แสดงในภาพข้างเคียง

ให้เราพิจารณา กระแสที่ไหลผ่านคอยล์คือ I แอมแปร์

แรงแม่เหล็ก,

ให้ ความหนาแน่นของฟลักซ์ในขณะนี้คือ B

ดังนั้น ฟลักซ์รวมผ่านแหวน Φ = BXa เวเบอร์

เนื่องจากกระแสที่ไหลผ่านโซลินอยด์เป็นกระแสสลับ ฟลักซ์ที่ผลิตในแหวนเหล็กก็เป็นฟลักซ์สลับเช่นกัน ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ (e′) จะแสดงเป็น,

ตามกฎของเลนซ์ แรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำนี้จะต้านทานการไหลของกระแส ดังนั้น เพื่อรักษากระแส I ในคอยล์ แหล่งจ่ายไฟต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันและตรงข้าม ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่ใช้,

พลังงานที่ใช้ในเวลาสั้น dt ซึ่งความหนาแน่นของฟลักซ์เปลี่ยน,

ดังนั้น งานทั้งหมดที่ทำหรือพลังงานที่ใช้ในหนึ่งวงจรของแม่เหล็กคือ,

ตอนนี้ aL คือปริมาตรของแหวน และ H.dB คือพื้นที่ของแถบเล็ก ๆ ของโค้ง B – H ตามที่แสดงในภาพข้างบน,

ดังนั้น พลังงานที่ใช้ต่อวงจร = ปริมาตรของแหวน × พื้นที่ของวงจรฮิสเตอริสในกรณีของหม้อแปลง แหวนนี้สามารถถือว่าเป็นแกนแม่เหล็กของหม้อแปลง ดังนั้น งานที่ทำคือพลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียในแกนหม้อแปลง และนี่คือความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กในหม้อแปลง

ความสูญเสียจากกระแสวนคืออะไร?

ในหม้อแปลง เราจ่ายกระแสสลับในขดลวดหลัก กระแสสลับนี้จะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับในแกน และเมื่อฟลักซ์นี้เชื่อมโยงกับขดลวดรอง จะมีแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในขดลวดรอง ทำให้มีกระแสไหลผ่านโหลดที่เชื่อมต่อกับขดลวดรอง

บางส่วนของฟลักซ์สลับของหม้อแปลงอาจเชื่อมโยงกับส่วนประกอบที่นำไฟฟ้าอื่น ๆ เช่น แกนเหล็กหรือโครงสร้างเหล็กของหม้อแปลง ฯลฯ เมื่อฟลักซ์สลับเชื่อมโยงกับส่วนเหล่านี้ของหม้อแปลง จะมีแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำท้องถิ่น

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ จะมีกระแสที่ไหลเวียนท้องถิ่นในส่วนเหล่านั้นของหม้อแปลง กระแสที่ไหลเวียนเหล่านี้จะไม่ช่วยในการผลิตเอาต์พุตของหม้อแปลงและจะสูญเสียเป็นความร้อน ประเภทของการสูญเสียนี้เรียกว่าความสูญเสียจากกระแสวนของหม้อแปลง

นี่คือคำอธิบายที่กว้างและง่าย ๆ ของความสูญเสียจากกระแสวน รายละเอียดของการสูญเสียนี้ไม่อยู่ในขอบเขตของการหารือในบทนี้