การทำความเข้าใจเกี่ยวกับการโหลดของหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิได้ แต่เพื่อให้การถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีการโหลดหม้อแปลงไฟฟ้า ในสภาวะที่สมบูรณ์แบบ หม้อแปลงถูกสมมติว่าไม่มีการสูญเสียในแกนหรือขดลวด แต่ในสภาพการทำงานจริง การสูญเสียเกิดขึ้นเมื่อหม้อแปลงอยู่ในสภาวะ "มีโหลด" การทำความเข้าใจเกี่ยวกับการโหลดของหม้อแปลงไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อหม้อแปลงทำงานในสภาวะที่มีและไม่มีการเชื่อมต่อโหลด

สภาวะไม่มีโหลดในหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าอยู่ในสภาวะ "ไม่มีโหลด" เมื่อขดลวดทุติยภูมิถูกเปิด หมายถึงไม่มีการเชื่อมต่อโหลดไฟฟ้าและไม่มีการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรทุติยภูมิ ในสภาวะนี้ หม้อแปลงจะไม่มีการโหลด เมื่อมีการจ่ายกระแสไฟฟ้าสลับไปยังขดลวดปฐมภูมิ จะมีกระแสขนาดเล็กที่เรียกว่า กระแสไม่มีโหลด (Io) ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าในวงจร

กระแสไฟฟ้าไม่มีโหลดในขดลวดปฐมภูมิจำเป็นสำหรับการรักษาสนามแม่เหล็กที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) กระแสนี้ประกอบด้วยสองส่วนคือ กระแสที่อยู่ในเฟสเดียวกับแรงดันไฟฟ้า (IE) ซึ่งเป็นกระแสที่เกิดจากการสูญเสียในแกน (เช่น การสูญเสียกระแสไหลวนและการสูญเสียฮิสเทรีซิส) และกระแสแม่เหล็ก (IM) ที่อยู่ในมุม 90 องศากับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก

กระแสไฟฟ้าไม่มีโหลดมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับกระแสโหลดเต็ม แม้จะมีการสูญเสียในแกนเหล็กและการสูญเสียในขดลวดปฐมภูมิเล็กน้อย แต่กระแสไม่มีโหลดจะไม่ช้ากว่าแรงดันไฟฟ้าเกินกว่า 90 องศา ทำให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อยในเฟส

ตัวอย่าง: กระแสไม่มีโหลดและตัวประกอบกำลัง

ลองพิจารณาหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเฟสเดียวที่มีส่วนประกอบพลังงาน (IE) ขนาด 2 แอมป์ และส่วนประกอบแม่เหล็ก (IM) ขนาด 5 แอมป์ กระแสไม่มีโหลด (Io) และตัวประกอบกำลัง (Power Factor) ที่ได้สามารถคำนวณได้จากค่าเหล่านี้

สภาวะมีโหลดในหม้อแปลงไฟฟ้า

เมื่อมีการเชื่อมต่อโหลดไฟฟ้ากับขดลวดทุติยภูมิ หม้อแปลงไฟฟ้าจะอยู่ในสภาวะ "มีโหลด" และกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวงจรทุติยภูมิไปยังโหลด กระแสทุติยภูมิ (IS) เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ซึ่งสร้างขึ้นโดยฟลักซ์แม่เหล็กในแกนหม้อแปลง กระแสทุติยภูมิสร้างสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำในแกนหม้อแปลงเอง (ΦS) ซึ่งต้านทานสนามแม่เหล็กปฐมภูมิ (ΦP)

สนามแม่เหล็กที่ต้านทานกันนี้ส่งผลให้เกิดสนามแม่เหล็กรวมที่มีความเข้มข้นลดลงเมื่อเทียบกับสนามแม่เหล็กหลักเพียงอย่างเดียว การลดลงนี้ทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ในขดลวดปฐมภูมิลดลง ทำให้กระแสปฐมภูมิ (IP) เพิ่มขึ้นเล็กน้อย กระแสปฐมภูมิจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กกลับคืนมา ทำให้เกิดการทำงานที่สมดุลระหว่างสนามแม่เหล็กปฐมภูมิและทุติยภูมิ

พลังงานในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงยังคงสมดุล โดยพลังงานป้อนเข้าของขดลวดปฐมภูมิมีค่าเท่ากับพลังงานส่งออกของขดลวดทุติยภูมิ

ความสัมพันธ์ของอัตราส่วนหม้อแปลง

อัตราส่วนรอบของหม้อแปลงกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในแต่ละขดลวดและความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแส และจำนวนรอบในขดลวด อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับอัตราส่วนรอบ และอัตราส่วนกระแสจะผกผันกับแรงดันไฟฟ้าและจำนวนรอบ นั่นหมายความว่าเมื่อมีการโหลดขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะส่งผลให้กระแสลดลง และในทางกลับกัน

กระแสทั้งหมดที่ถูกดึงจากแหล่งจ่ายไฟโดยขดลวดปฐมภูมิจะเป็นผลรวมเวกเตอร์ของกระแสไม่มีโหลด (Io) และกระแสเพิ่มเติมที่จ่ายไปยังโหลดทุติยภูมิ (I1) ความสัมพันธ์นี้สามารถมองเห็นได้จากการวาดแผนภาพเฟสเซอร์

ตัวอย่าง: การคำนวณกระแสปฐมภูมิและตัวประกอบกำลัง

ลองพิจารณาหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเฟสเดียวที่มีจำนวนรอบ 1,000 รอบในขดลวดปฐมภูมิและ 200 รอบในขดลวดทุติยภูมิ หากกระแสไม่มีโหลดจากแหล่งจ่ายมีขนาด 3 แอมป์ที่ตัวประกอบกำลัง 0.2 ล้าหลัง กระแสในขดลวดปฐมภูมิ (IP) และตัวประกอบกำลังที่สอดคล้องกัน (φ) สามารถคำนวณได้เมื่อกระแสทุติยภูมิเป็น 280 แอมป์ที่ตัวประกอบกำลัง 0.8 ล้าหลัง

ความต้านทานในขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้า

ในทางปฏิบัติ ขดลวดหม้อแปลงมีความต้านทานเนื่องจากความต้านทาน (R) และความเหนี่ยวนำ (XL) ความต้านทานเหล่านี้ทำให้เกิดการลดแรงดันไฟฟ้าภายในขดลวด ส่งผลให้เกิดความต้านทานภายใน การรวมความต้านทานในฝั่งใดฝั่งหนึ่งของหม้อแปลงสามารถทำให้การคำนวณง่ายขึ้น ซึ่งเป็นวิธีที่เรียกว่า "ความต้านทานที่ถูกสะท้อน" หรือ "ค่าที่ถูกสะท้อน"

ในการสะท้อนความต้านทานหรือปฏิกิริยาจากฝั่งหนึ่งของหม้อแปลงไปยังอีกฝั่งหนึ่ง ให้นำมูลค่าความต้านทานคูณหรือหารด้วยกำลังสองของอัตราส่วนรอบ (N²) ตัวอย่างเช่น การสะท้อนความต้านทานทุติยภูมิขนาด 2Ω ไปยังฝั่งปฐมภูมิที่มีอัตราส่วนรอบ 8:1 จะได้ค่าความต้านทานปฐมภูมิใหม่ที่มีค่า 128Ω

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของหม้อแปลง

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าในหม้อแปลงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วทุติยภูมิเมื่อหม้อแปลงไฟฟ้ามีการโหลดเต็มที่ ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิยังคงคงที่ การควบคุมนี้กำหนดการลดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในหม้อแปลงเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและการทำงาน

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีโหลด หากหม้อแปลงให้แรงดันไฟฟ้า 100 โวลต์เมื่อไม่มีโหลด และแรงดันไฟฟ้าลดลงเหลือ 95 โวลต์เมื่อโหลดเต็ม การควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะเป็น 5% ค่าการควบคุมนี้ขึ้นอยู่กับความต้านทานภายในของขดลวด รวมถึงความต้านทาน (R) และปฏิกิริยา (X)

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อโหลดมีตัวประกอบกำลังแบบเหนี่ยวนำ (ล้าหลัง) การควบคุมอาจเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับว่าการอ้างอิงเป็นแรงดันไฟฟ้าไม่มีโหลดหรือแรงดันไฟฟ้าโหลดเต็ม

สรุป

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับการโหลดของหม้อแปลงไฟฟ้าคือการรู้ว่าหม้อแปลงทำงานอย่างไรในสภาวะไม่มีโหลดและมีโหลด หม้อแปลงไฟฟ้าในสภาพจริงมีการสูญเสียเนื่องจากความต้านทานของขดลวดและลักษณะของแกน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและการควบคุมแรงดันไฟฟ้า การจัดการการโหลดของหม้อแปลงไฟฟ้าอย่างถูกต้องจะช่วยให้การถ่ายโอนพลังงานมีความสมดุลและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด