Потери и КПД трансформатора
Трансформаторы, как и все устройства, не идеальны. В то время как идеальные трансформаторы не имеют потерь, реальные трансформаторы имеют потери мощности. Выходная мощность трансформатора всегда немного меньше входной мощности трансформатора. Эти потери мощности превращаются в тепло, которое необходимо отводить от трансформатора. Существуют четыре основных типа потерь: резистивные потери, потери из-за вихревых токов, потери из-за гистерезиса и потери из-за магнитного потока.
Резистивные потери
Резистивные потери, или потери I2R, или потери в меди – это потери мощности в трансформаторе, вызванные сопротивлением медного провода, используемого для создания обмоток. Поскольку более высокие частоты заставляют электроны перемещаться больше к внешней окружности проводника (скин-эффект), электрические помехи, называемые гармониками, приводят к уменьшению размера провода и увеличению резистивных потерь. Эти потери такие же, как потери мощности в любом проводнике, и рассчитываются следующим образом:
Где P = мощность (в Вт), I = ток (в А), R = сопротивление (в Ом).
Например, если первичная обмотка трансформатора намотана на 100 футов медного провода №12, который пропускает 15 А, каковы резистивные потери в этой катушке? Сопротивление медного провода №12 составляет 1,588 Ом / 1000 при комнатной температуре. Следовательно, сопротивление 100 футов провода составляет 0,1588 Ом.
Первичная обмотка трансформатора потребляет 35,7 Вт энергии, которая теряется в виде тепла. Если трансформатор не охлаждается должным образом, это тепло увеличивает температуру трансформатора и проводов. Эта повышенная температура вызывает увеличение сопротивления провода и падение напряжения на проводнике. Эти потери зависят от тока и всегда присутствуют в первичной обмотке, когда она находится под напряжением. Вторичная обмотка видит очень небольшие потери этого типа при разгрузке.
Потери из-за вихревых токов
Потери на вихревые токи – это потери мощности в трансформаторе или двигателе из-за токов, индуцируемых в металлических частях системы из-за изменения магнитного поля. В любом проводнике, находящемся в движущемся магнитном поле, индуцируются напряжение и ток. Железный сердечник обеспечивает низкое сопротивление магнитному потоку для взаимной индукции. Магнитный поток индуцирует ток, перпендикулярный потоку. Это означает, что в сердечнике индуцируется ток. Этот ток вызывает нагрев сердечника. Тепло, выделяемое вихревыми токами, увеличивается пропорционально квадрату частоты. Например, третья гармоника (180 Гц) в девять (32) раз превышает тепловое воздействие основной (60 Гц) частоты.
Изготовление сердечника из тонких листов железа, соединенных вместе, может минимизировать эти потери. Тонкие слои листового железа сокращают путь прохождения тока и минимизируют вихревые токи (см. следующий рисунок). Каждый лист покрыт изолирующим лаком, который заставляет эти токи течь только внутри отдельных пластин. Это снижает общие вихревые токи во всем сердечнике. Эти тонкие листы изготавливаются из кремний-железных или никелево-железных сплавов, которые легче намагничиваются, чем чистое железо. Использование сердечников из сплава также улучшает сопротивление сердечника старению. Листы часто изготавливаются из сплава 29-го калибра, толщина которого составляет всего 0,014 дюйма.
Потери из-за гистерезиса
Потери на гистерезис – это потери, вызванные магнетизмом, который остается (запаздывает) в материале после снятия намагничивающей силы. Магнитные домены – это небольшие участки магнитного материала, которые действуют вместе под воздействием приложенного магнитного поля. Магнитные домены обладают магнитными свойствами и перемещаются в железе под действием магнитного поля. Когда на железо действует магнитное поле одной полярности, магнитные домены будут вынуждены выровняться с полем. Когда полярность меняется дважды за каждый цикл, на это перенастройку расходуется мощность, и это снижает КПД трансформатора. Это движение молекул вызывает трение в железе, и, следовательно, в результате возникает тепло. Гармоники могут вызывать более частое изменение направления тока, что приводит к большим потерям на гистерезис. Гистерезис снижен за счет использования материала магнитопровода с высокой проницаемостью.
Потери из-за магнитного потока
Потери из-за магнитного потока возникают в трансформаторе, когда некоторые из магнитных линий от первичной обмотки не проходят через сердечник к вторичной обмотке, что приводит к потере мощности. Есть две основные причины, по которым силовые линии проходят через воздух, а не через сердечник. Во-первых, железный сердечник может стать насыщенным, так что сердечник больше не сможет принимать силовые линии. Линии потока затем проходят через воздух и не перерезаются вторичной обмоткой. Во-вторых, соотношение сопротивления воздуха и сердечника в ненасыщенной области обычно составляет около 10000:1. Это означает, что на каждые 10000 линий потока через сердечник приходится 1 линия потока через воздух. Потери магнитного потока в хорошо спроектированном трансформаторе обычно невелики.
КПД трансформатора
Отношение выходной мощности трансформатора к его входной мощности известно как КПД трансформатора. Влияние потерь в трансформаторе измеряется посредством КПД трансформатора, который обычно выражается в процентах. Следующая формула используется для измерения КПД трансформатора:
Где n = КПД трансформатора (в %) POUT = выходная мощность трансформатора (в Вт) PIN = входная мощность трансформатора (в Вт).
Пример: каков КПД трансформатора с выходной мощностью 1500 Вт и входной мощностью 1525 Вт?
КПД силовых трансформаторов обычно варьируется от 97 до 99 процентов. Мощность, подаваемая на нагрузку, плюс резистивные, вихревые токи, гистерезис и потери магнитного потока, должны равняться входной мощности. Входная мощность всегда больше выходной мощности.
© digitrode.ru