Bir Transformatör Neden Hiçbir Şey Takılı Değilken Enerji Yakmaya Devam Ediyor: Demir Kaybı ve Bakır Kaybı

giriiş

Kimse su çekmese bile günde 24 saat dönmeye devam eden bir su pompasını hayal edin; hala sadece ısınmak için yakıt yakıyor. Bir transformatör bu pompanın elektriksel ikizidir. Hareketli parçası yoktur ve %98-99 verimliliğe ulaşabilir, ancak çalıştırdığınız anda, aşağı yönde herhangi bir şey bağlı olsa da olmasa da sürekli olarak güç tüketmeye başlar. Bu görünmez enerji nereye gidiyor? Cevap iki farklı bölüme ayrılıyor.

İlke: iki tür kayıp

Demir (çekirdek / yüksüz) kaybı — P₀. Bu kayıp manyetik çekirdekte yaşıyor. Her AC döngüsü, çekirdeğin manyetik alanlarını ileri geri çevirir (histerezis kaybı, kabaca f·B^1.6 ile orantılıdır) ve çelik tabakaların içindeki küçük dolaşım akımlarını harekete geçirir (girdap akımı kaybı). Yalnızca uygulanan gerilime ve frekansa bağlı olduğundan esasen sabittir : Sıfır yükte bile transformatöre enerji verildiği anda görünür.

Bakır (yük / I²R) kaybı — P_k. Bu kayıp sargılarda yaşıyor. Tel direncinden akan akım, I²R ısısını dağıtır, dolayısıyla yük akımının karesiyle ölçeklenir. Yüksüz durumda neredeyse sıfırdır; tam yükte hakimdir.

Toplam kayıp = P₀ + P_k·x², burada x, yük oranıdır. Verimlilik bu nedenle:

η = P_out ÷ (P_out + P₀ + P_k·x²)

Uygulama örneği: boyutlandırma ve en yüksek verimlilik noktası

Mühendislerin hatırlaması gereken mantık dışı kural şudur: verim tam yükte değil, demir kaybının bakır kaybına eşit olduğu durumda, yük fraksiyonu x = √(P₀ ⁄ P_k) olduğunda zirveye ulaşır . P₀ ≈ 1,2 kW ve P_k ≈ 5,0 kW olan tipik bir 500 kVA dağıtım ünitesi için en yüksek verimlilik, %100 değil, %49 yüke yakındır. Bu nedenle hafif, her zaman açık konut yüklerini besleyen dağıtım transformatörleri düşük demir kaybıyla tasarlanırken, sabit, ağır endüstriyel yükler düşük bakır kaybını tercih eder. Burada tartışılan yüksüz ve ısınma davranışı, IEC 61558-1 güvenlik standardı (yüksüz değerler Madde 3.6'da; sıcaklık artış testi Madde 14'te) ile karakterize edilirken, güç transformatörlerine yönelik verimlilik hedefleri, yedek güç için IEC 60076 ve IEC 62301 gibi standartlar tarafından belirlenir.

Yaygın yanlış kanı ve eğlenceli gerçek

Yanlış kanı: "Hiçbir şey bağlı değilse transformatör güç çekmez." Yanlış; demir kaybı sonsuza kadar enerji çekmeye devam eder. Duvar adaptörü bekleme kaybının düzenlenmesinin (AB ErP, ABD DOE) ve boşta şarj cihazlarının fişini çekmenin neden gerçek enerji tasarrufu sağladığının nedeni tam olarak budur.

Eğlenceli gerçek: Geleneksel tane yönelimli silikon çelik çekirdeğin amorf bir alaşımla değiştirilmesi, demir kaybını %70-80 oranında azaltabilir; mevcut en büyük verimlilik kazanımlarından biri, geometriyi değil, yalnızca metali değiştirerek elde edilir.