Jakie są straty transformatora?

Straty w transformatorach mocy obejmują głównie straty w miedzi i żelazie. Wynika to z faktu, że każdy sprzęt elektryczny generuje straty podczas długotrwałej eksploatacji, a transformatory mocy nie są wyjątkiem.

Czym jest uszkodzenie żelazem?

W przeciwieństwie do strat w miedzi, straty w żelazie transformatora są niezależne od takich czynników, jak uzwojenie i natężenie prądu. Z punktu widzenia nazwy, uszkodzenia w żelazie są ściśle związane z żelazem – powstają w rdzeniu żelaznym. Straty w żelazie transformatora są również znane jako „straty jałowe”, ponieważ straty w żelazie występują zawsze w transformatorze, niezależnie od tego, czy jest on obciążony pełnym, czy zerowym obciążeniem, i należą do stałych strat transformatora. Jednak w trakcie obciążenia straty mocy będą maleć wraz ze spadkiem natężenia pola elektrycznego.

Klasyfikacja strat w żelazie transformatorowym

Straty w żelazie transformatora dzielą się na straty histerezowe i straty wiroprądowe.

Strata histerezy

Zasada działania transformatora opiera się na indukcji elektromagnetycznej, która powoduje wzrost i spadek napięcia oraz zmiany prądu. Strumień magnetyczny w transformatorze przepływa przez żelazny rdzeń. Rdzeń żelazny stawia opór magnetyczny strumieniowi magnetycznemu, tak jak przewodnik stawia opór prądowi. W ten sam sposób generowane jest ciepło, a strata ta nazywana jest stratą histerezy.

Strata prądów wirowych

Po przyłożeniu prądu do uzwojenia pierwotnego transformatora, strumień magnetyczny generowany przez cewkę przepływa w żelaznym rdzeniu. Ponieważ sam rdzeń jest przewodnikiem, w płaszczyźnie prostopadłej do linii pola magnetycznego indukowany jest potencjał elektryczny. Ten potencjał tworzy zamkniętą pętlę w przekroju poprzecznym rdzenia, która z kolei generuje prąd elektryczny. Prąd ten zachowuje się jak wirujący wir, stąd nazwa „wir”. Straty spowodowane prądami wirowymi nazywane są stratami wiroprądowymi. Ponieważ rdzeń generuje prądy wirowe, jest on wykonany z cienkiej blachy. Im cieńszy rdzeń, tym większa rezystancja i tym mniejszy prąd.

Czynniki wpływające na straty w żelazie transformatorowym

• Napięcie i częstotliwość robocza: Straty w żelazie zależą od napięcia roboczego i częstotliwości roboczej transformatora, gdyż czynniki te wpływają na natężenie pola magnetycznego i histerezę w rdzeniu.
• Materiał rdzenia: Właściwości histerezowe materiału rdzenia wpływają na wielkość strat w żelazie. Jeśli materiał rdzenia nie zostanie dobrze dobrany, straty histerezowe wzrosną.
• Proces produkcyjny: Proces produkcyjny transformatora również ma pewien wpływ na straty w żelazie. Na przykład, metoda laminowania rdzenia, obróbka izolacji itp. wpływają na wielkość strat w żelazie.

Jak zmniejszyć straty w żelazie transformatora?

• Wybierz wysokiej jakości rdzeń żelazny: Wybór materiału rdzenia żelaznego o małej stracie histerezy może zmniejszyć straty żelaza w transformatorze.
• Optymalizacja procesu produkcyjnego: zmniejszenie strat żelaza poprzez udoskonalenie metody laminowania rdzenia, obróbki izolacji i innych procesów produkcyjnych.
• Rozsądna konstrukcja: Na etapie projektowania transformatora straty w żelazie są ograniczane poprzez optymalizację konstrukcji i dobór parametrów.

Strata miedzi

Miedź odgrywa ważną rolę w transformatorach. W uzwojeniach transformatorów zazwyczaj stosuje się przewody miedziane. „Straty miedziane” w transformatorze to straty generowane przez przewody miedziane. „Straty miedziane” w transformatorze nazywane są również stratami obciążeniowymi. Tak zwane straty obciążeniowe są stratami zmiennymi i ulegają zmianom.

Zmienia się ona w zależności od zmiany prądu. Straty w miedzi (straty obciążeniowe) są stratami zmiennymi i stanowią główną stratę podczas pracy transformatora.

Czynniki wpływające na straty miedzi w transformatorze

• Wielkość prądu: Jak wspomniano powyżej, straty miedzi są proporcjonalne do kwadratu prądu, więc wielkość prądu jest kluczowym czynnikiem wpływającym na straty miedzi.
• Rezystancja uzwojenia: Rezystancja uzwojenia bezpośrednio wpływa na straty w miedzi. Im większa rezystancja, tym większe straty w miedzi.
• Liczba warstw cewki: Im więcej warstw cewki, tym dłuższa jest ścieżka przepływu prądu w uzwojeniu, a rezystancja odpowiednio wzrasta, co powoduje zwiększenie strat miedzi.
• Częstotliwość przełączania: Wpływ częstotliwości przełączania na straty w miedzi transformatora jest bezpośrednio związany z parametrami dystrybucji i charakterystyką obciążenia transformatora. Gdy charakterystyka obciążenia i parametry dystrybucji mają charakter indukcyjny, straty w miedzi maleją wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania; gdy mają charakter pojemnościowy, straty w miedzi rosną wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania.
• Wpływ temperatury: Temperatura transformatora wpływa również na straty mocy. Jednocześnie strumień upływu generowany przez prąd obciążenia powoduje straty prądów wirowych w uzwojeniu oraz straty błądzące w metalowych częściach poza uzwojeniem.

Jak zmniejszyć straty miedzi w transformatorze?

• Zwiększenie przekroju uzwojenia transformatora: zmniejszenie rezystancji przewodu, co skutecznie zmniejsza straty miedzi w transformatorze.
• Stosuj wysokiej jakości materiały przewodzące, np. folię miedzianą lub aluminiową, aby zmniejszyć opór uzwojenia.
• Skrócenie czasu pracy transformatora przy małym obciążeniu: Ograniczenie czasu pracy transformatora przy małym obciążeniu pomoże zmniejszyć straty miedzi w transformatorze.