چرا یک ترانسفورماتور انرژی را بدون هیچ چیز به برق می سوزاند: از دست دادن آهن در مقابل از دست دادن مس

مقدمه

پمپ آبی را تصور کنید که 24 ساعت شبانه روز می‌چرخد، حتی وقتی کسی آب نمی‌کشد - هنوز هم سوخت را فقط برای گرم ماندن می‌سوزاند. ترانسفورماتور دوقلو الکتریکی آن پمپ است. هیچ قطعه متحرکی ندارد و می‌تواند به راندمان 98 تا 99 درصد برسد، با این حال از همان لحظه که آن را روشن می‌کنید به طور مداوم شروع به مصرف برق می‌کند، چه چیزی در پایین دست وصل باشد یا نه. آن انرژی نامرئی کجا می رود؟ پاسخ به دو سطل بسیار متفاوت تقسیم می شود.

اصل: دو نوع ضرر

از دست دادن آهن (هسته / بدون بار) - P0. این فقدان در هسته مغناطیسی زندگی می کند. هر چرخه AC حوزه‌های مغناطیسی هسته را به جلو و عقب می‌چرخاند (افت پسماند، تقریباً متناسب با f·B^1.6) و جریان‌های گردشی کوچکی را در داخل لایه‌های فولادی به هم می‌زند (اتلاف جریان گردابی). از آنجایی که فقط به ولتاژ و فرکانس اعمال شده بستگی دارد، اساساً ثابت است: در لحظه ای که ترانسفورماتور برق می گیرد، حتی در بار صفر ظاهر می شود.

تلفات مس (بار / I²R) - P_k. این ضرر در سیم پیچ ها زندگی می کند. جریانی که از مقاومت سیم عبور می کند، گرمای I²R را از بین می برد، بنابراین با مجذور جریان بار مقیاس می شود. بدون بار تقریباً صفر است. در بار کامل بر آن غالب است.

تلفات کل = P₀ + P_k·x²، که x کسر بار است. بنابراین کارایی عبارت است از:

η = P_out ÷ (P_out + P₀ + P_k·x²)

مثال کاربردی: اندازه و نقطه اوج کارایی

در اینجا قانون ضد شهودی است که مهندسان باید به خاطر بسپارند: راندمان نه در بار کامل، بلکه در جایی که از دست دادن آهن برابر است با تلفات مس، در کسر بار x = √ (P₀ ⁄ P_k) به اوج می رسد . برای یک واحد توزیع معمولی 500 کیلوولت آمپر با P≈ 1.2 کیلو وات و P_k ≈ 5.0 کیلو وات، اوج راندمان نزدیک به بار 49% می رسد - نه 100%. به همین دلیل است که ترانسفورماتورهای توزیع که بارهای سبک و همیشه روشن مسکونی را تغذیه می کنند، با تلفات آهن کم طراحی می شوند، در حالی که بارهای صنعتی ثابت و سنگین از تلفات کم مس استفاده می کنند. رفتار بی باری و گرمایش مورد بحث در اینجا با استاندارد ایمنی IEC 61558-1 مشخص می شود (مقادیر بی باری در بند 3.6؛ آزمایش افزایش دما در بند 14)، در حالی که اهداف بازدهی برای ترانسفورماتورهای قدرت توسط استانداردهایی مانند IEC 60076 و IEC 62301 برای قدرت آماده به کار تعیین شده است.

تصور غلط رایج و واقعیت جالب

تصور غلط: "اگر هیچ چیز وصل نباشد، ترانسفورماتور برق نمی کشد." اشتباه - از دست دادن آهن باعث می شود برای همیشه انرژی جذب شود. دقیقاً به همین دلیل است که تلفات آماده به کار آداپتور دیواری تنظیم می شود (EU ErP، US DOE) و چرا که قطع شارژرهای بیکار از برق باعث صرفه جویی در انرژی واقعی می شود.

واقعیت جالب: جایگزینی هسته فولاد سیلیکونی دانه گرا معمولی با یک آلیاژ آمورف می تواند تلفات آهن را 70 تا 80 درصد کاهش دهد – یکی از بزرگ ترین بردهای بازدهی موجود که صرفاً با تغییر فلز به دست می آید، نه هندسه.