Điện tử cơ bản - Hiệu suất máy biến áp

Khi cuộn sơ cấp của máy biến áp có một số điện áp cảm ứng thì từ thông tạo ra ở cuộn sơ cấp cảm ứng với cuộn thứ cấp do cảm ứng lẫn nhau tạo ra một điện áp vào cuộn thứ cấp. Cường độ của từ trường này tăng lên khi dòng điện tăng từ 0 đến giá trị cực đại được cho bởi $ \ mathbf {\ frac {d \ varphi} {dt}} $.

Đường sức từ xuyên qua cuộn thứ cấp. Số vòng dây ở cuộn thứ cấp quyết định hiệu điện thế cảm ứng. Do đó lượng điện áp gây ra sẽ được xác định bởi

$$ N \ frac {d \ varphi} {dt} $$

Trong đó N = số vòng ở cuộn thứ cấp

Tần số của điện áp cảm ứng này sẽ bằng tần số của điện áp sơ cấp. Biên độ đỉnh của điện áp đầu ra sẽ bị ảnh hưởng nếu tổn hao từ trường cao.

EMF cảm ứng

Chúng ta hãy thử rút ra một số mối quan hệ giữa EMF cảm ứng và số vòng trong một cuộn dây.

Bây giờ chúng ta giả sử rằng cả cuộn dây chính và cuộn dây thứ cấp đều có một lượt duy nhất. Nếu đặt một vôn vào một lượt của cuộn sơ cấp không có tổn hao (trường hợp lý tưởng) thì dòng điện và từ trường tạo ra cảm ứng ở cuộn thứ cấp cùng một vôn. Do đó điện áp ở cả hai phía như nhau.

Nhưng từ thông thay đổi theo hình sin có nghĩa là,

$$ \ phi \: \: = \: \: \ phi_ {max} \ sin \ omega t $$

Khi đó mối quan hệ cơ bản giữa EMF cảm ứng và cuộn dây có N vòng là

$$ EMF \: = \: lượt \: \: \ lần \: \: tỷ lệ \: trong số \: thay đổi $$

$$ E \: = \: N \ frac {d \ phi} {dt} $$

$$ E \: = \: N \: \ times \: \ omega \: \ times \: \ phi_ {max} \: \ times \: \ cos (\ omega t) $$

$$ E_ {max} \: = \: N \ omega \ phi_ {max} $$

$$ E_ {rms} \: = \: \ frac {N \ omega} {\ sqrt {2}} \: \ times \: \ phi_ {max} \: = \: \ frac {2 \ pi} {\ sqrt {2}} \: \ times \: f \: \ times \: N \: \ times \: \ phi_ {max} $$

$$ E_ {rms} \: = \: 4.44 \: f \: N \: \ phi_ {max} $$

Ở đâu

f = tần số từ thông tính bằng Hertz = $ \ frac {\ omega} {2 \ pi} $

N = số cuộn dây

∅ = mật độ thông lượng trong webers

Điều này được gọi là Transformer EMF Equation.

Khi từ thông xoay chiều tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp và từ thông xoay chiều này được tạo ra bởi điện áp xoay chiều, chúng ta có thể nói rằng chỉ có dòng điện xoay chiều xoay chiều mới có thể giúp máy biến áp hoạt động. Vì thếa transformer doesn’t work on DC.

Tổn thất trong Máy biến áp

Bất kỳ Thiết bị nào cũng có ít tổn thất trong các ứng dụng thực tế. Các tổn thất chính xảy ra trong máy biến áp là tổn thất Đồng, tổn hao lõi và rò rỉ từ thông.

Tổn thất đồng

Tổn thất đồng là sự mất mát cơ năng do nhiệt lượng do dòng điện chạy qua các cuộn dây của máy biến áp sinh ra. Chúng còn được gọi là “I²R losses”Hoặc“ I bình phương tổn thất R ”khi năng lượng mất đi mỗi giây tăng theo bình phương cường độ dòng điện qua cuộn dây và tỷ lệ với điện trở của cuộn dây.

Điều này có thể được viết trong một phương trình dưới dạng

$$ I_ {P} R_ {P} \: + \: I_ {S} R_ {S} $$

Ở đâu

I_P = Dòng điện chính
R_P = Điện trở chính
I_S = Dòng điện thứ cấp
R_S = Kháng chiến thứ cấp

Tổn thất cốt lõi

Tổn thất cốt lõi còn được gọi là Iron Losses. Những tổn thất này phụ thuộc vào vật liệu cốt lõi được sử dụng. Chúng có hai loại cụ thể là,Hysteresis và Eddy Current losses.

Hysteresis Loss- Dòng điện xoay chiều cảm ứng dưới dạng từ thông biến thiên không ngừng (như tăng, giảm) và đổi chiều theo hiệu điện thế xoay chiều cảm ứng. Một số năng lượng bị mất trong lõi do những dao động ngẫu nhiên này. Sự mất mát đó có thể được gọi làHysteresis loss.
Eddy Current Loss- Trong khi toàn bộ quá trình này diễn ra, một số dòng điện cảm ứng trong lõi chạy liên tục. Các dòng điện này tạo ra một số tổn thất được gọi làEddy Current Loss. Trên thực tế, từ trường thay đổi chỉ tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Nhưng nó cũng gây ra điện áp trong các vật liệu dẫn điện gần đó, dẫn đến việc mất năng lượng.
Flux Leakage- Mặc dù các liên kết từ thông đủ mạnh để tạo ra điện áp yêu cầu, nhưng sẽ có một số từ thông bị rò rỉ trong các ứng dụng thực tế và do đó dẫn đến tổn thất năng lượng. Mặc dù mức này thấp, nhưng tổn thất này cũng có thể tính được khi nói đến các ứng dụng năng lượng cao.

Sức mạnh của một máy biến áp

Khi một máy biến áp lý tưởng được coi là không có tổn hao, Công suất của máy biến áp sẽ không đổi, là tích khi điện áp V nhân với hiện tại I là hằng số.

Chúng ta có thể nói rằng công suất ở cuộn sơ cấp bằng với công suất ở thứ cấp do máy biến áp đảm nhiệm việc đó. Nếu máy biến áp, tăng điện áp thì dòng điện sẽ giảm và nếu giảm điện áp, thì dòng điện sẽ tăng lên để duy trì công suất đầu ra không đổi.

Do đó công suất sơ cấp bằng công suất thứ cấp.

$$ P_ {Chính} \: = \: P_ {Phụ} $$

$$ V_ {P} I_ {P} \ cos \ phi_ {P} \: = \: V_ {S} I_ {S} \ cos \ phi_ {S} $$

Ở đâu ∅_P = Góc pha chính và ∅_S = Góc pha thứ cấp.

Hiệu quả của máy biến áp

Lượng hoặc cường độ tổn thất điện năng trong máy biến áp, quyết định hiệu suất của máy biến áp. Hiệu suất có thể hiểu theo nghĩa tổn thất điện năng giữa sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp.

Do đó, tỷ lệ giữa công suất đầu ra của cuộn thứ cấp và công suất đầu vào của cuộn sơ cấp có thể được phát biểu là Efficiency of the transformer. Điều này có thể được viết là

$$ Efficiency \: = \: \ frac {Power \: output} {Power \: input} \: \ times \: 100 \% $$

Hiệu quả thường được biểu thị bằng η. Phương trình đã cho ở trên là hợp lệ cho một máy biến áp lý tưởng sẽ không có tổn thất và toàn bộ năng lượng ở đầu vào được chuyển sang đầu ra.

Do đó, nếu xem xét tổn thất và nếu tính hiệu quả trong điều kiện thực tế thì phương trình dưới đây sẽ được xem xét.

$$ Efficiency \: = \: \ frac {Power \: output} {Power \: output \: + \: Copper \: lỗ \: + \: Core \: lỗ} \: \ times \: 100 \% $ $

Nếu không, nó cũng có thể được viết là

$$ Efficiency \: = \: \ frac {Power \: input \: - \: Losses} {Power \: input} \: \ times \: 100 $$

$$ 1 \: - \: \ frac {Losses} {Đầu vào \: Nguồn} \: \ times \: 100 $$

Cần lưu ý rằng đầu vào, đầu ra và tổn thất đều được biểu thị bằng công suất, tức là, bằng Watts.

Thí dụ

Hãy xem xét một máy biến áp có công suất đầu vào là 12KW được đánh giá ở dòng điện 62,5 ampe có điện trở tương đương là 0,425ohms. Tính hiệu suất của máy biến áp.

Solution −

Dữ liệu đã cho