Mất năng lượng của biến áp

Mất mát trong biến áp

Vì biến áp là thiết bị tĩnh, mất mát cơ học trong biến áp thường không được xem xét. Chúng ta thường chỉ xem xét mất mát điện trong biến áp.

Mất mát trong bất kỳ máy móc nào được định nghĩa rộng rãi là sự khác biệt giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra. Khi cung cấp công suất đầu vào cho cuộn sơ cấp của biến áp, một phần của công suất đó được sử dụng để bù đắp mất mát lõi trong biến áp, tức là mất mát do hysteresis trong biến áp và mất mát do dòng xoáy trong lõi biến áp, và một phần của công suất đầu vào bị mất dưới dạng mất mát I2R và tiêu tán dưới dạng nhiệt trong cuộn sơ cấp và thứ cấp, vì các cuộn dây này có một số độ kháng nội bộ.

Mất mát đầu tiên được gọi là mất mát lõi hoặc mất mát sắt trong biến áp và sau đó được biết đến như mất mát ohmic hoặc mất mát đồng trong biến áp. Mất mát khác xảy ra trong biến áp, được gọi là mất mát Stray, do các dòng từ Stray liên kết với cấu trúc cơ khí và dây dẫn cuộn dây.

Mất mát đồng trong biến áp

Mất mát đồng là mất mát I²I2R, với I12R1 ở phía sơ cấp và I22R2 ở phía thứ cấp. Ở đây, I1 và I2 là dòng điện sơ cấp và thứ cấp, và R1 và R2 là độ kháng của cuộn dây. Vì các dòng điện này phụ thuộc vào tải, mất mát đồng trong biến áp thay đổi theo tải.

Mất mát lõi trong biến áp

Mất mát do hysteresis và mất mát do dòng xoáy, cả hai đều phụ thuộc vào tính chất từ tính của vật liệu được sử dụng để xây dựng lõi biến áp và thiết kế của nó. Vì vậy, những mất mát này trong biến áp là cố định và không phụ thuộc vào dòng điện tải. Do đó, mất mát lõi trong biến áp, còn được gọi là mất mát sắt trong biến áp, có thể được coi là hằng số cho tất cả phạm vi tải.

Mất mát do hysteresis trong biến áp được ký hiệu là,

Mất mát do dòng xoáy trong biến áp được ký hiệu là,

Kh = Hằng số hysteresis.

Ke = Hằng số dòng xoáy.

Kf = Hằng số hình dạng.

Mất mát đồng có thể đơn giản được ký hiệu là,

IL2R2′ + Mất mát Stray

Trong đó, IL = I2 = tải của biến áp, và R2′ là độ kháng của biến áp tham chiếu về phía thứ cấp.

Bây giờ chúng ta sẽ thảo luận về mất mát do hysteresis và mất mát do dòng xoáy chi tiết hơn để hiểu rõ hơn về chủ đề mất mát trong biến áp.

Mất mát do hysteresis trong biến áp

Mất mát do hysteresis trong biến áp có thể được giải thích theo hai cách: vật lý và toán học.

Giải thích vật lý về mất mát do hysteresis

Lõi từ của biến áp được làm bằng thép silicon hạt lạnh đã được định hướng. Thép là vật liệu từ tính rất tốt. Loại vật liệu này rất nhạy cảm khi bị từ hóa. Điều đó có nghĩa là, mỗi khi dòng từ đi qua, nó sẽ hành xử như nam châm. Chất từ tính có nhiều miền trong cấu trúc của chúng.

Miền là các vùng nhỏ trong cấu trúc vật liệu, nơi tất cả các cực từ được song song theo cùng một hướng. Nói cách khác, các miền giống như các nam châm vĩnh cửu nhỏ nằm ngẫu nhiên trong cấu trúc của chất.

Các miền được sắp xếp bên trong cấu trúc vật liệu theo cách ngẫu nhiên, sao cho trường từ tổng cộng của vật liệu là không. Khi một trường từ ngoại vi (mmf) được áp dụng, các miền được định hướng ngẫu nhiên sẽ song song với trường.

Sau khi loại bỏ trường, hầu hết các miền trở lại vị trí ngẫu nhiên, nhưng một số vẫn giữ nguyên hướng. Vì những miền không thay đổi này, chất trở nên từ hóa vĩnh cửu nhẹ. Từ tính này được gọi là “Từ tính tự phát”.

Để trung hòa từ tính này, cần phải áp dụng một mmf ngược lại. Lực từ động hoặc mmf được áp dụng trong lõi biến áp là dao động. Trong mỗi chu kỳ do việc đảo chiều các miền, sẽ có công thêm được thực hiện. Vì lý do này, sẽ có sự tiêu thụ năng lượng điện, được gọi là mất mát do hysteresis của biến áp.

Giải thích toán học về mất mát do hysteresis trong biến áp

Xác định mất mát do hysteresis

Hãy xem xét một vòng của mẫu từ tính có chu vi L mét, diện tích mặt cắt ngang a m2 và N vòng dây cách điện như được hiển thị trong hình bên cạnh,

Giả sử, dòng điện chảy qua cuộn dây là I ampe,

Lực từ hóa,

Giả sử, mật độ từ thông tại thời điểm này là B,

Do đó, tổng từ thông qua vòng, Φ = BXa Wb

Vì dòng điện chảy qua cuộn dây là dao động, từ thông được tạo ra trong vòng sắt cũng có tính chất dao động, do đó, điện áp cảm ứng (e′) sẽ được biểu diễn như,

Theo định luật Lenz, điện áp cảm ứng này sẽ phản đối dòng điện, do đó, để duy trì dòng điện I trong cuộn dây, nguồn phải cung cấp một điện áp ngược lại và bằng nhau. Do đó, điện áp áp dụng,

Năng lượng tiêu thụ trong khoảng thời gian ngắn dt, trong đó mật độ từ thông đã thay đổi,

Do đó, tổng công được thực hiện hoặc năng lượng tiêu thụ trong một chu kỳ hoàn chỉnh của từ hóa là,

Bây giờ aL là thể tích của vòng và H.dB là diện tích của dải yếu tố của đường cong B – H được hiển thị trong hình trên,

Do đó, Năng lượng tiêu thụ mỗi chu kỳ = thể tích của vòng × diện tích của vòng hysteresis.Trong trường hợp biến áp, vòng này có thể được coi là lõi từ của biến áp. Do đó, công được thực hiện chính là năng lượng điện mất mát trong lõi biến áp và điều này được gọi là mất mát do hysteresis trong biến áp.

Mất mát do dòng xoáy là gì?

Trong biến áp, chúng ta cung cấp dòng điện xoay chiều cho cuộn sơ cấp, dòng điện xoay chiều này tạo ra từ thông từ hóa trong lõi và khi từ thông này liên kết với cuộn thứ cấp, sẽ có điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp, dẫn đến dòng điện chảy qua tải được kết nối với nó.

Một số từ thông xoay chiều của biến áp; cũng có thể liên kết với các phần dẫn điện khác như lõi thép hoặc thân sắt của biến áp, v.v. Khi từ thông xoay chiều liên kết với các phần này của biến áp, sẽ có điện áp cảm ứng cục bộ.

Do các điện áp cảm ứng này, sẽ có các dòng điện tuần hoàn cục bộ tại các phần này của biến áp. Các dòng điện tuần hoàn này sẽ không góp phần vào đầu ra của biến áp và tiêu tán dưới dạng nhiệt. Loại mất mát năng lượng này được gọi là mất mát do dòng xoáy của biến áp.

Đó là giải thích rộng rãi và đơn giản về mất mát do dòng xoáy. Chi tiết giải thích về mất mát này không nằm trong phạm vi thảo luận của chương này.