Tổn thất các thành phần từ
Tổn thất của các thành phần từ chủ yếu là tổn thất sắt (tổn thất lõi) và tổn thất đồng. Mối quan hệ giữa tổn thất đồng, tổn thất sắt và tải của các thành phần từ được thể hiện trong hình 1.
Hình 1. Mối quan hệ giữa tổn thất đồng, tổn thất sắt và tải của các thành phần từ tính.
Tổn thất sắt là tổn thất cố định, Tổn thất sắt chủ yếu bao gồm ba loại tổn thất, Tổn thất trễ, Tổn thất dòng điện xoáy và Tổn thất dị thường. Những tổn thất này là không thể tránh khỏi trong mạch từ của máy biến áp.
Và tổn thất sắt tỷ lệ với bình phương điện áp, nhưng điện áp làm việc của máy biến áp không thay đổi nhiều, sẽ không thay đổi theo sự thay đổi của tải, công suất tổn thất là cố định, vì vậy tổn thất sắt là tổn thất cố định.
Tổn thất sắt (tổn thất lõi)
Khi dòng điện chạy qua các thành phần từ tính như máy biến áp và cuộn cảm có lõi từ, các lõi này chịu ảnh hưởng của từ trường thay đổi, dẫn đến tổn thất. Những tổn thất này được chuyển thành năng lượng nhiệt và cũng góp phần tạo ra tiếng ồn do rung động. Hiện tượng này được gọi là tổn thất sắt.
Tổn thất trễ
Tổn thất trễ liên quan đến vật liệu từ tính. Khi điện từ, từ trường của vật liệu từ thay đổi, cường độ từ hóa cũng sẽ thay đổi, có thể đánh giá từ đường cong BH (hình 2), diện tích đường cong càng lớn, độ trễ càng lớn.
Khi từ trường của vật liệu từ thay đổi, cường độ từ hóa của vật liệu từ thay đổi và miền từ (đơn vị cơ bản của sắt từ) sẽ tạo ra lực cản đối với sự quay, sự giãn nở và sự co lại để tạo ra năng lượng nhiệt. Hiện tượng này được gọi là tổn thất trễ.
Hình 2. Đường cong BH – diện tích đường cong càng lớn thì tổn thất trễ càng lớn.
Nếu độ lớn của từ trường AC vẫn giữ nguyên, thời gian chu kỳ là như nhau, chu kỳ quay của miền từ của vật liệu từ cũng như nhau, và tổn thất trễ vẫn không đổi. Lúc này, tổn thất trễ tỷ lệ thuận với tần số. Tần số càng cao, tổn thất trễ càng lớn.
Hình 3. Hướng của miền từ tính vẫn giữ nguyên khi được cấp điện.
Hình 3-2. Sau khi từ hóa miền từ
Giới thiệu về tổn thất dòng điện xoáy
Dòng điện xoáy và từ trường vuông góc với nhau, và dòng điện xoáy sẽ tạo ra tổn thất năng lượng nhiệt do điện trở của vật liệu từ và các dây dẫn kim loại tiếp xúc với nó.
Hiện tượng tạo ra năng lượng nhiệt cho vật liệu từ tính này được gọi là tổn thất dòng điện xoáy.
Điện từ, khi từ trường thay đổi, vật dẫn sẽ sinh ra dòng điện xoáy, khi dòng điện xoáy chạy trong lõi sắt sẽ gây ra tổn thất nhiệt do điện trở của vật liệu lõi sắt, tổn thất dòng điện xoáy và kích thước diện tích lưu thông dòng điện tỷ lệ thuận nhưng tỷ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu lõi.
Nếu vật liệu từ mỏng và có lớp phủ cách điện trên bề mặt thì có thể giảm được tổn thất dòng điện xoáy, chẳng hạn như tấm thép silic; và việc lựa chọn vật liệu từ cũng có thể giảm được tổn thất dòng điện xoáy, chẳng hạn như ferit.
Hình 4. Tấm thép silic – có thể giảm dần tổn thất dòng điện xoáy
Tổn thất bất thường
Các tổn thất bất thường khác ngoài tổn thất trễ và tổn thất dòng điện xoáy có thể được gọi là các tổn thất khác.
Biểu đồ đường cong BH
Mối quan hệ giữa cường độ từ trường (H) và cảm ứng từ (B) của vật liệu từ là phi tuyến tính. Nếu từ trường được tăng cường, mối quan hệ giữa hai yếu tố này sẽ tăng lên đến một điểm nhất định trên một đường cong. Sau khi đạt đến điểm này, ngay cả khi cường độ từ trường tiếp tục tăng, cường độ cảm ứng từ sẽ không còn tăng nữa. Tình trạng này được gọi là bão hòa từ.
Hình 5. Đường cong BH – diện tích đường cong càng lớn thì tổn thất trễ càng lớn.
Hình 6. Đường cong từ hóa ban đầu và vòng trễ
Cảm ứng từ còn được gọi là mật độ từ thông, một đại lượng vật lý dùng để mô tả cường độ và hướng của từ trường, thường được biểu thị dưới dạng vectơ (B), đơn vị là Tesla (T) hoặc Gauss (Gs), 1T = 10KGs; dòng điện và đường sức từ sẽ vuông góc với hiệu suất.
Khi cảm ứng từ Khi giá trị cường độ nhỏ, điều đó có nghĩa là cảm ứng từ yếu. Khi giá trị cường độ cảm ứng từ lớn, điều đó có nghĩa là cảm ứng từ mạnh.
Cảm ứng từ (B) bằng chiều dài (L) dưới lực tác dụng (F) trong từ trường và dây dẫn của dòng điện I; cường độ cảm ứng từ tỷ lệ nghịch với tích của (L) và (I).
Công thức cảm ứng từ
Cường độ cảm ứng từ (^B) của vectơ tỉ lệ thuận với tích của cường độ từ trường (^H) của vectơ và độ từ thẩm (μ).
Độ mạnh từ trường (H):
• Điện tích từ là quan điểm sớm nhất để mô tả từ trường.
Năm 1785, Coulomb đã thiết lập định luật Coulomb từ tính. Coulomb tin rằng có các điện tích từ dương và âm, và độ lớn của lực hút và đẩy giữa hai điện tích từ tỷ lệ thuận với tích của cường độ điện tích từ. Khoảng cách giữa hai điện tích từ tỷ lệ nghịch với bình phương.
• Độ dư (Br):
Giao điểm của đường cong trễ và trục Y, sau khi lõi được từ hóa bão hòa, cường độ cảm ứng từ bão hòa của từ trường bị loại bỏ được gọi là độ dư.
• Độ kháng từ (Hc)
Tại giao điểm của đường cong trễ và trục X, sau khi vật liệu từ được từ hóa bão hòa, từ trường ngoài trở về 0 và giá trị B của nó khác không.
Do đó, dưới tác động của từ trường âm, cường độ cảm ứng từ B trong nam châm yếu đi khi từ trường khử từ tăng.
Khi giá trị B bằng 0, cường độ từ trường được gọi là độ kháng từ.
Nếu lực cưỡng bức của vật liệu từ lớn thì được gọi là vật liệu từ cứng, vật liệu từ vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ và bộ lưu trữ từ; nếu lực cưỡng bức của vật liệu từ nhỏ thì được gọi là vật liệu từ mềm, vật liệu từ mềm được sử dụng trong máy biến áp và cuộn cảm.
Hình 7. Đường cong BH – Làm thẳng nhỏ = vật liệu từ mềm
• Cường độ từ trường bão hòa (Hm) và cảm ứng từ bão hòa (Bm)
Khi cường độ từ trường ngoài H tăng, cường độ cảm ứng từ B cũng tăng dần. Khi vật liệu từ được từ hóa hoàn toàn, nghĩa là cường độ từ trường từ hóa H phải đạt giá trị Hm và cường độ cảm ứng từ cũng đạt giá trị bão hòa Bm, có thể đạt được giá trị cực đại. Đường cong khử từ cho khả năng từ hóa.
Tại thời điểm này, đường cong khử từ là ổn định nhất. Nếu cường độ từ trường từ hóa H thấp hơn giá trị Hm, sẽ có các đường cong trễ có hình dạng khác nhau và đường cong khử từ sẽ không ổn định và các đặc tính của vật liệu từ sẽ thấp hơn.
• Đường cong từ hóa ban đầu (a ~ b)
Tại gốc tọa độ 0, vật liệu từ ở trạng thái trung tính và không bị từ hóa.
Tại thời điểm này, B = H = 0. Khi cường độ từ trường ngoài H tăng, cường độ cảm ứng từ tăng dần, và cuối cùng khi cường độ từ trường ngoài đạt Hm, khi giá trị bão hòa Bm đạt được, đường cong này được gọi là đường cong từ hóa ban đầu.
• Đường cong khử từ Br~-Hc
Đoạn Br~-Hc này được gọi là đường cong khử từ. Dưới tác động của từ trường âm, từ 0 đến -Hc, cường độ cảm ứng từ B loại bỏ từ dư, và kích thước của đường cong khử từ phản ánh khả năng duy trì từ dư của vật liệu từ.
