Name: modeling transformer losses with equivalent circuits
Uploaded: 2024-11-21T14:54:19.000Z
Duration: 1 min 28 s
Channel: JoVE

تختلف الدوائر المكافئة للمحولات العملية أحادية الطور ثنائية اللف عن نظيراتها المثالية بسبب مقاومة اللف ونفاذية النواة المحدودة.
ينتج عن التدفق المغناطيسي غير المحصور خسائر حقيقية وتفاعلية في الطاقة. تمثل مفاعلة المقاومة والتسرب ، في سلسلة مع كل ملف ، الخسائر المقاومة ، وانخفاض الجهد الناجم عن تدفق التسرب ، وفقدان الطاقة التفاعلية ، على التوالي.
تعني نفاذية النواة المحدودة قوة مغناطيسية غير صفرية في قانون أوم للدوائر المغناطيسية.
تؤدي إعادة ترتيب الجهد المستحث واستبداله عبر الملف الأيسر إلى تيار ممغنط ، يتأخر عن الجهد المستحث بمقدار 90 درجة ، ممثلا بمحث تحويلة.
بالإضافة إلى ذلك ، يحمل فرع التحويلة ، الذي يمثله المقاوم ، تيار فقدان اللب في الطور مع الجهد المستحث. عندما يكون تيار التعبئة الأيمن صفرا ، فإن مكونين في تيار التعبئة الأيسر - فقدان اللب والتيارات الممغنطة - يمثلان الطاقة الحقيقية وخسائر الطاقة التفاعلية.
يمكن تقليل هذه الخسائر باستخدام سبائك الصلب عالية الجودة. يمكن رسم ثلاث دوائر مكافئة بديلة ، بما في ذلك عندما يشار إلى مفاعلة المقاومة والتسرب إلى الملف الأيسر ، وإهمال التيار المثير ، وتجاهل مقاومات اللف.

الدوائر المكافئة للمحولات العملية

<div style="direction:rtl">

تظهر الدوائر المكافئة العملية للمحولات أحادية الطور ذات الملفين انحرافات كبيرة عن نسخها المثالية بسبب الخصائص المتأصلة لمقاومة الملف ونفاذية المركز المحدودة. تؤدي هذه الخصائص إلى خسائر في القدرة الحقيقية والتفاعلية، مما يؤثر على أداء المحول. يعد فهم هذه الانحرافات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم محولات أكثر كفاءة.


في المحول العملي، يظهر كل ملف مقاومة ومفاعلة تسرب. تساهم مقاومة الملف في خسائر المقاومة، والتي تتجلى في شكل حرارة، في حين تتسبب مفاعلة التسرب، المرتبطة بتدفق التسرب، في انخفاض الجهد وتؤدي إلى فقدان القدرة التفاعلية. يتم تصميم هذه العناصر على التوالي، مع كل ملف في الدائرة المكافئة للمحول، مما يوفر تمثيلًا أكثر دقة لسلوك المحول في ظل ظروف الحمل.


إن النفاذية المحدودة لمركز المحول تعني أن القوة الدافعة المغناطيسية غير الصفرية مطلوبة، كما هو موضح في قانون أوم للدوائر المغناطيسية. وينتج عن هذا المطلب تيار مغناطيسي، وهو أمر ضروري لإنشاء التدفق المغناطيسي في المركز. وعندما يؤخذ في الاعتبار الجهد المستحث عبر الملف الأولي، فإن التيار المغناطيسي يتأخر عن الجهد المستحث بمقدار 90 درجة. ويتم تمثيل هذه العلاقة بواسطة محث تحويلي في الدائرة المكافئة، مما يؤدي إلى نمذجة دقيقة لمكون القدرة التفاعلية بسبب مغناطيسية المركز.


يتم تمثيل الخسائر الأساسية، والتي ترجع في المقام الأول إلى الهستيريسيس والتيارات الدوامية داخل مادة القلب، بواسطة مقاومة تحويلية في الدائرة المكافئة. تقوم هذه المقاومة بمحاكاة تيار الخسارة الأساسية، والذي يكون في طور مع الجهد المستحث. عندما يكون تيار اللف الثانوي صفرًا، يتألف التيار الأساسي من مكونين: تيار المغناطيسية وتيار الخسارة الأساسية. هذه المكونات مسؤولة عن خسائر القدرة التفاعلية والحقيقية على التوالي.


لتقليل هذه الخسائر، غالبًا ما يتم استخدام الفولاذ السبائكي عالي الجودة في المواد الأساسية. تتمتع هذه المادة بخصائص مغناطيسية فائقة، مما يقلل من خسائر الهستيريسيس والتيار الدوامي، وبالتالي تحسين كفاءة المحول.


يمكن إنشاء ثلاث دوائر مكافئة بديلة أساسية لمحول عملي:


 <ol style="padding-right: 35px; margin: 0;">
 <li style="text-align: right;">عندما يتم إرجاع المقاومة ومفاعلة التسرب إلى الملف الأساسي.
</li>
 <li style="text-align: right;">عندما يتم إهمال التيار المثير (مجموع التيارات المغناطيسية وتيارات الخسارة الأساسية) من أجل البساطة.
</li>
 <li style="text-align: right;">عندما يتم تجاهل مقاومات اللف، يتم التركيز فقط على المكونات التفاعلية.
</li>
</ol>

توفر كل من هذه الدوائر المكافئة رؤى حول جوانب مختلفة من أداء المحول وتبسط التحليل لتطبيقات محددة. من خلال فهم هذه الخصائص غير المثالية ونمذجتها، يمكن للمهندسين تصميم محولات تلبي بشكل أفضل متطلبات الأنظمة الكهربائية المختلفة.


</div>

تختلف الدوائر المكافئة للمحولات العملية أحادية الطور ثنائية اللف عن نظيراتها المثالية بسبب مقاومة اللف ومقاومة اللب المحدود ...

equivalent-circuits-for-practical-transformers

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

الهندسة الكهربائية

Unit 1

الوحدة الأولى

Power Transformers

محولات الطاقة

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

Equivalent Circuits for Practical Transformers

modeling transformer losses with equivalent circuits

Practical transformer equivalent circuits show how winding resistance, leakage reactance, and finite core permeability change transformer behavior. These non-ideal features create real and reactive power losses, so they matter when a transformer is under load.

Each winding has resistance and leakage reactance. Winding resistance causes resistive loss, which appears as heat. Leakage reactance comes from leakage flux, and it creates a voltage drop and reactive power loss. In the equivalent circuit, these elements are placed in series with each winding so the model matches real operation more closely.

The transformer core also needs a non-zero magnetomotive force, or MMF, because its permeability is finite. That need creates a magnetizing current, which establishes the magnetic flux in the core. When the induced voltage across the primary winding is considered, this magnetizing current lags the induced voltage by 90 degrees. It is shown as a shunt inductor in the circuit because it represents the reactive part of the core magnetization current.

Core losses are caused mainly by hysteresis and eddy currents in the core material. These losses are modeled with a shunt resistor. The core loss current through that resistor is in phase with the induced voltage, so it represents real power loss. When the secondary current is zero, the primary current contains both the magnetizing current and the core loss current. Together, these currents account for the reactive and real power losses in the transformer.

High-grade alloy steel is often used for the core to reduce these losses. Its better magnetic properties help lower hysteresis and eddy current loss, which improves efficiency. Engineers can also build three useful alternative equivalent circuits for a practical transformer. In one, the resistance and leakage reactance are referred to the primary winding. In another, the exciting current, which is the sum of magnetizing and core loss currents, is neglected for simplicity. In a third, winding resistances are ignored so the focus stays on the reactive components. Each form helps with a different kind of analysis and gives insight into transformer performance.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits

modeling-transformer-losses-with-equivalent-circuits

the ideal transformer

Transformer Core Flux and Turn Ratio

Single-phase two-winding transformers use two windings around a magnetic core. The core has a cross-sectional area A and magnetic permeability μ. A phasor current i1 enters the left winding, and i2 exits the right winding. These parts work together to move energy by electromagnetic means. Ampere’s law explains the magnetic field inside the transformer. It says that the closed-path integral of the magnetic field intensity’s tangential component equals the net current enclosed. For a...

equivalent circuits for practical transformers

Practical transformer equivalent circuits show how winding resistance, leakage reactance, and finite core permeability change transformer behavior. These non-ideal features create real and reactive power losses, so they matter when a transformer is under load. Each winding has resistance and leakage reactance. Winding resistance causes resistive loss, which appears as heat. Leakage reactance comes from leakage flux, and it creates a voltage drop and reactive power loss. In the equivalent...

three-winding transformers

Three-Winding Transformer Models

Three-winding transformer models show how three identical single-phase transformers can be combined into a three-phase transformer connection. The high-voltage windings are labeled A, B, and C. The low-voltage windings are labeled a, b, and c. This notation separates the high-voltage side from the low-voltage side and matches each phase to its own winding. For a grounded Y-Y three-phase transformer, the per-unit equivalent circuit uses common base quantities to simplify analysis. The base...

transformers with off-nominal turns ratios

transformers-with-off-nominal-turns-ratios

Modeling Parallel Transformers with Base Mismatch

Parallel transformers can be modeled with per-unit values even when the chosen voltage bases do not match the transformer ratings. This case creates an off-nominal turns ratio, which means the base voltages are not proportional to the rated voltages. To handle that mismatch, the transformer voltage relation is adjusted by using the ratio of the selected bases. One way to represent the transformer is as two series transformers. The first is the standard per-unit model, which includes the...

key terms and concepts

Learn how practical transformer equivalent circuits model winding resistance, leakage reactance, magnetizing current, and core losses for grades 9–12.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

Modeling Transformer Losses with Equivalent Circuits

Description

Transcript