Втрати енергії трансформаторів

Втрати в трансформаторі

Оскільки електричний трансформатор є статичним пристроєм, механічні втрати в ньому зазвичай не враховуються. Ми зазвичай враховуємо лише електричні втрати в трансформаторі.

Втрати в будь-якому пристрої загалом визначаються як різниця між вхідною потужністю і вихідною потужністю. Коли вхідна потужність підводиться до первинної обмотки трансформатора, деяка частина цієї потужності використовується для компенсації втрат в серцевині трансформатора, тобто гістерезисних втрат в трансформаторі та втрат через вихідні струми в серцевині трансформатора, а також деяка частина вхідної потужності втрачається як I2R втрати і дисипується у вигляді тепла в первинній та вторинній обмотках, оскільки ці обмотки мають певне внутрішнє опор.

Перша називається втратами в серцевині або залізними втратами в трансформаторі, а друга відома як омічні втрати або медними втратами в трансформаторі. Інші втрати в трансформаторі, відомі як Випадкові втрати, виникають через випадкові магнітні потоки, що зв'язуються з механічною конструкцією та провідниками обмоток.

Медні втрати в трансформаторі

Медні втрати - це I²I2R втрати, з I12R1 на стороні первинної обмотки та I22R2 на стороні вторинної обмотки. Тут, I1 та I2 - це струми первинної та вторинної обмоток, а R1 та R2 - опори обмоток. Оскільки ці струми залежать від навантаження, медні втрати в трансформаторі змінюються зі зміною навантаження.

Втрати в серцевині трансформатора

Гістерезисні втрати та втрати через вихідні струми залежать від магнітних властивостей матеріалів, використаних для виготовлення серцевини трансформатора, та його конструкції. Тому ці втрати в трансформаторі є фіксованими і не залежать від струму навантаження. Тому втрати в серцевині трансформатора, які також відомі як залізні втрати в трансформаторі, можна розглядати як постійні для всього діапазону навантаження.

Гістерезисні втрати в трансформаторі позначаються як,

Втрати через вихідні струми в трансформаторі позначаються як,

Kh - гістерезисна константа.

Ke - константа втрат через вихідні струми.

Kf - формальна константа.

Медні втрати можна просто позначити як,

IL2R2′ + Випадкові втрати

Де, IL = I2 = навантаження трансформатора, а R2′ - опір трансформатора, віднесений до вторинної обмотки.

Тепер ми розглянемо гістерезисні втрати та втрати через вихідні струми трохи детальніше для кращого розуміння теми втрат в трансформаторах.

Гістерезисні втрати в трансформаторі

Гістерезисні втрати в трансформаторах можна пояснити двома способами: фізично та математично.

Фізичне пояснення гістерезисних втрат

Серцевина трансформатора виготовлена з "Холодновальованої Зерністої Орієнтованої Силіконової Стали". Сталь є дуже хорошим феромагнітним матеріалом. Цей вид матеріалів дуже чутливий до намагнічування. Це означає, що завжди, коли магнітний потік проходить через них, вони поводяться як магніти. Феромагнітні речовини мають численні домени в своїй структурі.

Домени - це дуже маленькі регіони в структурі матеріалу, де всі диполі паралельні одному напрямку. Іншими словами, домени подібні до малих постійних магнітів, розташованих довільно в структурі речовини.

Ці домени розташовані в структурі матеріалу таким довільним чином, що загальне результивне магнітне поле даної речовини дорівнює нулю. Коли застосовується зовнішнє магнітне поле (ммф), домени, що направлені довільно, вирівнюються паралельно цьому полю.

Після видалення поля більшість доменів повертаються в довільні положення, але деякі залишаються вирівненими. Через ці незмінні домени речовина стає трохи постійно намагніченою. Це намагнічення називається "Самостійним намагніченням".

Для нейтралізації цього намагнічення потрібно застосувати протилежне ммф. Магнітомотивна сила або ммф, застосована в серцевині трансформатора, є черговою. Для кожного циклу через цю зміну доменів буде виконано додаткову роботу. Через це буде споживатися електрична енергія, яка відома як гістерезисні втрати трансформатора.

Математичне пояснення гістерезисних втрат в трансформаторі

Визначення гістерезисних втрат

Розглянемо кільце з феромагнітного зразка, обхват якого L метр, площі перерізу a м2 і N обмоток ізольованого дроту, як показано на картинці поруч,

Нехай струм, що протікає через котушку, становить I ампер,

Магнітна сила,

Нехай, густина потоку в цей момент становить B,

Отже, загальний потік через кільце, Φ = BXa Вб

Оскільки струм, що протікає через соленоїд, є черговим, потік, створений в залізному кільці, також є черговим, тому викликане електромагнітне напруження (е′) виражається як,

Згідно з законом Ленца, це викликане електромагнітне напруження буде протидіяти протіканню струму, тому, щоб підтримати струм I в котушці, джерело повинно надати рівне і протилежне електромагнітне напруження. Отже, прикладене електромагнітне напруження,

Енергія, витрачена за короткий час dt, під час якого густина потоку змінилася,

Отже, загальна виконана робота або витрачена енергія за один повний цикл намагнічування становить,

Тепер aL - це об'єм кільця, а H.dB - площа елементарної смуги кривої B – H, показаної на малюнку вище,

Отже, Енергія, витрачена за один цикл = об'єм кільця × площа гістерезисної петлі.У випадку трансформатора, це кільце можна розглядати як магнітну серцевину трансформатора. Тому, виконана робота є нічим іншим, як електричними втратами в серцевині трансформатора, і це відомо як гістерезисні втрати в трансформаторі.

Що таке втрати через вихідні струми?

У трансформаторі ми підводимо черговий струм до первинної обмотки, цей черговий струм створює черговий магнітний потік в серцевині, і коли цей потік зв'язується з вторинною обмоткою, буде викликане напруга в вторинній обмотці, що призведе до протікання струму через навантаження, підключене до неї.

Деякі з чергових потоків трансформатора; можуть також зв'язуватися з іншими провідними частинами, такими як сталева серцевина або залізна конструкція трансформатора тощо. Оскільки черговий потік зв'язується з цими частинами трансформатора, буде локально викликане електромагнітне напруження.

Через ці електромагнітні напруження будуть струми, які циркулюватимуть локально в цих частинах трансформатора. Ці циркулюючі струми не будуть вносити вкладу в вихід трансформатора і дисипуватимуться як тепло. Цей тип втрат енергії називається втратами через вихідні струми в трансформаторі.

Це було широке і просте пояснення втрат через вихідні струми. Детальне пояснення цих втрат не входить в область обговорення в цьому розділі.