Verluste im Transformator: Der ultimative FAQ-Leitfaden

Wie viele Arten von Verlusten im Transformator gibt es?

Trotz ihrer Größe und Leistung sind Transformatoren wie andere Geräte – sie sind nicht völlig perfekt. Während die ideale Transformator-Konfiguration ohne Verluste auskommt, ist die Realität, dass diese Geräte ebenfalls Leistungsverluste aufweisen. Die Ausgangsleistung eines Transformators wird immer geringer sein als seine Eingangsleistung.

Diese Leistungsverluste werden dann in Wärme umgewandelt, die vom Transformator abgeleitet werden muss, um Schäden zu vermeiden. Der Strom, der durch die Spulen und das sich ändernde Magnetfeld im Inneren erzeugt wird, erzeugt Wärme. Lastverluste beziehen sich auf die Verluste, die bei den Spulen auftreten. Auf der anderen Seite sind die Leerlaufverluste die, die im Kern auftreten.

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Die vier Arten von Transformatorverlusten werden als resistiv, wirbel, hysteretisch und fluxbezogen bezeichnet. 

Widerstandsverlust

Der Widerstand der Wicklungen des Transformators verursacht verlustbehaftete Widerstände (12R) oder Kupferverluste, die eine Art elektrischen Durchbruchs darstellen. Der durch das widerstandsfähige Material fließende Strom erzeugt Wärme, die dann abgeführt wird. Infolgedessen ist der Widerstandsverlust umgekehrt proportional zum durch den Transformator fließenden Strom. 

Hwirbelströme

Wirbelstromverluste treten auf, wenn der metallische Kern eines Transformators magnetische Felder erzeugt. Diese magnetischen Felder induzieren Ströme im Kern, die in die entgegengesetzte Richtung des Primärstroms fließen. Diese Wirbelströme erzeugen Wärme, die das System schädigen kann, wenn sie nicht entfernt wird.

Hysterese

Die Hysterese wird durch den Magnetismus verursacht, der im Material verbleibt, selbst nachdem die Quelle des magnetischen Feldes entfernt wurde. Im Fall von Transformatoren wird dieser Magnetismus durch den wechselnden Strom induziert, der in der Primärwicklung fließt. Daher sind die Hystereseverluste proportional zum Quadrat des magnetisierenden Stroms.

Magnetische Bereiche besitzen magnetische Eigenschaften, die sich im Eisen bewegen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, bleibt eine kleine Menge Magnetismus im Eisen. Hystereseverluste sind die Verluste, die aufgrund dieses Phänomens auftreten.

Flussverlust

Die letzte Art von Transformatorverlust ist der Flussverlust oder Flussleckage. Diese Art von Verlust tritt auf, wenn ein Teil der Flusslinien, die von der Primärwicklung kommen, nicht durch den Transformator-Kern und zur Sekundärwicklung gelangt - was zu einem Leistungsverlust führt. Es gibt zwei Gründe, warum die Flusslinien potenziell durch die Luft anstelle des Kerns reisen können:

Die Sättigung im Eisenkern macht ihn unfähig, nachfolgende Flusslinien zu akzeptieren. Infolgedessen werden die Flusslinien durch die Luft und nicht durch den Kern und die Sekundärwicklung fließen.

Das Reluktanzverhältnis der Luft und des Kerns im ungesättigten Bereich beträgt 10.000:1. Dieses Verhältnis impliziert, dass für jede 10.000 Linien von Fluss, die durch den Kern gehen, eine durch die Luft geht.

Der Flussverlust ist generell gering, insbesondere in einem gut gestalteten und gut konstruierten Transformator.

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Was sind Eisenverluste in Transformatoren?

Der Eisenverlust in einem Transformator wird als der Verlust definiert, der durch den wechselnden Fluss im Transformator-Kern verursacht wird. Aufgrund dessen wird der Eisenverlust auch als Kernverlust bezeichnet. Wirbel- und Hysterese-Stromverluste sind Beispiele für Kernverluste.

Um weiter zu verstehen, wie Eisenverluste entstehen, lassen Sie uns einen Blick auf die magnetischen Eigenschaften des Eisens werfen. Wenn ein wechselnder Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein magnetisches Feld. Das gilt auch für Transformator-Kerne, die aus Eisen bestehen. Der Strom in der Primärwicklung ändert sich ständig, was wiederum einen wechselnden magnetischen Fluss im Transformator-Kern erzeugt.

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Warum werden Eisenverluste in Transformatoren als konstante Verluste bezeichnet?

Eisenverluste in Transformatoren werden als konstante Verluste bezeichnet, da sie, wie der Name schon sagt, konstant bleiben, unabhängig von der Last. Sie sind unabhängig von den Lastbedingungen. Leer- oder Kernverluste machen einen großen Prozentsatz der konstanten Verluste aus. Deshalb werden Eisenverluste auch als konstante Verluste bezeichnet.

Darüber hinaus umfassen die konstanten Verluste auch die Verluste, die durch den Widerstand der Wicklungen sowie durch dielektrische und Streuverluste verursacht werden. Dielektrische Verluste werden durch die Wärme der Isolierung verursacht, während die Leckflussverluste Streuverluste verursachen.

Was sind Kupferverluste in einem Transformator?

Jedes Material hat ein gewisses Widerstandslevel, selbst wenn es sich um einen sehr guten Leiter handelt. Wenn ein elektrischer Strom durch ein Material fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie aufgrund des Widerstands des Materials in Wärme umgewandelt. Kupferverlust ist ein Begriff, der verwendet wird, um den Verlust der Leitfähigkeit in Draht zu beschreiben, der durch die Verwendung von minderwertigem Kupfer für die Wicklungen entsteht.

Kupferverluste sind proportional zum Quadrat des Laststroms, der durch den Transformator fließt. Das bedeutet, dass wenn wir den Laststrom verdoppeln, der Kupferverlust um den Faktor vier zunimmt. Gleichzeitig sinkt die Spannung um die Hälfte. Kupferverluste machen den verbleibenden Prozentsatz der konstanten Verluste aus.

Was sind Streuverluste in einem Transformator?

Streuverluste beziehen sich auf die Wärmeverluste, die in allen Transformator-Komponenten auftreten, außer in den Kupferwicklungen. Streuverluste werden durch die Leckflussverluste verursacht, das ist der Teil des gesamten magnetischen Flusses, der aus dem Transformator-Kern entweicht. Ein Teil des Leckflusses wird mit jedem nahegelegenen Leiter gekoppelt, was zu Transformatorverlusten führt. 

Streuverluste können in zwei Kategorien unterteilt werden: Näheffekt und Haut-Effekt.

Die Haut-Effekt ist das Phänomen, das auftritt, wenn der Strom dazu neigt, an der Oberfläche eines Leiters zu fließen, anstatt durch den gesamten Querschnitt. Die Hauttiefe ist der Abstand von der Oberfläche des Leiters zu dem Punkt, an dem der Strom auf 1/e (etwa 37%) seines ursprünglichen Wertes gesunken ist.

Die Näheffekt ist die Tendenz eines elektrischen Stroms in einem Leiter, ein entgegenwirkendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Strom in nahegelegenen Leitern anzieht.

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Wie kann man Streuverluste in Transformatoren reduzieren?

Während Verluste in Transformatoren unvermeidlich und frustrierend sind, gibt es Möglichkeiten, ihre Auswirkungen zu mildern. Im Fall von Streuverlusten können Sie zwei wichtige Methoden verwenden: elektromagnetische Abschirmung und Wirbelstromabschirmung. 

Die elektromagnetische Abschirmung ist eine leitende Barriere, die ein ganzes Gerät abdeckt, um es vor elektromagnetischen Störungen (EMI) aus der Umgebung zu schützen. Ein Beispiel hierfür wäre das Metallgehäuse um Ihren elektrischen Transformator. Es kann auch verhindern, dass Emissionen vom Gerät selbst andere Geräte stören, die sich in derselben Umgebung wie der Transformator befinden.

Andererseits ist die Wirbelstromabschirmung eine Technik zur Ablehnung von Flüssen, die eine geeignete Lösung für unkonventionell geformte Tanks darstellt. Der auffällige Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass Wirbelströme Transformatorverluste sind, die innerhalb der Abschirmung auftreten und zu Erwärmung führen. Diese Erwärmung kann potenziell zu Überhitzung in anderen strukturellen Teilen des Transformators führen.

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Wie kann man Verluste im Transformator reduzieren?

Als Eigentümer eines Transformators möchten Sie die Verluste auf ein Minimum beschränken. Leider ist diese Einschränkung unvermeidlich, daher müssen Sie mit dem arbeiten, was Sie haben. Glücklicherweise gibt es viele Möglichkeiten, die Auswirkungen von Transformatorverlusten auf ein besser handhabbares Maß zu reduzieren.

Beachten Sie, dass die Methoden zur Reduzierung von Verlusten in einem Transformator von der Art der Transformatorverluste abhängen. Für diese Diskussion konzentrieren wir uns auf Eisenverluste, Kupferverluste, Streuverluste und Dielektrizitätsverluste.

Eisenverlust

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Eisenverluste (oder Kernverluste) aus dem Wechselstromfluss im Kern resultieren. Die Verluste können entweder Hysterese- oder Wirbelstromverluste sein.

Das Material mit niedriger coerciver Kraft ist der gebräuchlichste Weg zur Reduzierung von Eisenverlusten. Das bedeutet, dass der Kern leicht magnetisiert und entmagnetisiert werden kann, wodurch die Hystereseverluste verringert werden. Eine andere Möglichkeit, Eisenverluste zu reduzieren, besteht darin, ein Kormaterial mit hoher Widerstandsfähigkeit zu verwenden. 

Mit einer hohen Widerstandsfähigkeit werden die Wirbelstromverluste reduziert, da es länger dauert, bis die Elektronen durch das Material fließen. Dies liegt daran, dass die Elektronen auf mehr Kollisionen mit den Atomen im Material treffen.

Kupferverlust

Was die Kupferverluste betrifft, so ist der Hauptweg zu ihrer Reduzierung die Verwendung von Kupferdrähten mit einer größeren Querschnittsfläche. Dies liegt daran, dass eine größere Querschnittsfläche zu einer geringeren Widerstandsfähigkeit führt. 

Mit einer geringeren Widerstandsfähigkeit wird es den Elektronen erleichtert, durch das Material zu fließen, wodurch die Verluste verringert werden. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung von Kupferverlusten besteht darin, einen größeren Kupferdraht zu verwenden. 

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Ein größerer Kupferdraht bedeutet, dass der Draht dicker ist, was zu einer geringeren Widerstandsfähigkeit führt. Beachten Sie jedoch, dass es eine Grenze dafür gibt, wie dünn der Draht sein kann, bevor er zu zerbrechlich wird und bricht.

Streuverlust

Streuverluste können auf verschiedene Weise reduziert werden, wobei die häufigste die elektromagnetische Abschirmung ist. Wie bereits erwähnt, handelt es sich um eine leitende Barriere, die das gesamte Gerät abdeckt und es vor elektromagnetischen Störungen aus der Umgebung schützt.

Eine weitere Möglichkeit, Streuverluste zu reduzieren, besteht darin, Wirbelstromabschirmungen zu verwenden. Dies ist eine Technik zur Ablehnung von Flüssen, die für unkonventionell geformte Tanks geeignet ist. Allerdings besteht der Nachteil dieser Methode darin, dass Wirbelströme Transformatorverluste sind, die innerhalb der Abschirmung auftreten und zu Erwärmung führen. 

Dielektrischer Verlust

Dielektrische Verluste, auch als Isolierverluste bekannt, entstehen durch den elektrischen Strom, der durch die Isolierung fließt. Der häufigste Weg zur Reduzierung von dielektrischen Verlusten besteht darin, ein Material mit höherer Widerstandsfähigkeit zu verwenden.

Das liegt daran, dass ein Material mit höherer Widerstandsfähigkeit eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das bedeutet, dass es für die Elektronen schwieriger ist, durch das Material zu fließen, was die Auswirkungen der Verluste steuern und reduzieren wird. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von dielektrischen Verlusten besteht darin, ein Material mit einer höheren dielektrischen Konstante zu verwenden.

Das liegt daran, dass ein Material mit einer höheren dielektrischen Konstante mehr elektrische Energie speichern kann, wodurch die Verluste verringert werden.

Mit über 20 Jahren Erfahrung in der Transformatorentwurf verfügen die Ingenieure von Daelim Transformer über umfangreiche Fachkenntnisse auf ihrem Gebiet. Sie sind darauf spezialisiert, verschiedene Arten von Verlusten während des Entwurfsprozesses zu minimieren. Wenn Sie Unterstützung beim Transformatorentwurf benötigen, steht Ihnen unser engagiertes Team jederzeit zur Verfügung, um Ihnen schnell die optimale Lösung zu bieten. Kontaktieren Sie uns, und wir werden Ihnen zügig das bestmögliche Ergebnis liefern, um Ihre spezifischen Anforderungen zu erfüllen.

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Wie kann man Eisenverluste im Transformator reduzieren?

Um Eisenverluste zu reduzieren, ist es notwendig, ein Kernmaterial zu verwenden, das eine niedrige Koerzitivität aufweist, was bedeutet, dass es leicht magnetisiert und entmagnetisiert werden kann und als “magnetisch weich” bezeichnet wird.”

Da die Hystereseverluste direkt proportional zur Koerzitivität des Materials sind, wird die Verwendung eines magnetisch weichen Materials die Hystereseverluste reduzieren.

Einige magnetisch weiche Materialien sind pulverförmiges Eisen, nanokristalline Kerne und amorphes Metall. Eine weitere Möglichkeit, Eisenverluste zu reduzieren, ist die Verwendung eines Kernmaterials mit hoher Widerstandsfähigkeit.

Ein hoher Widerstand wird die Menge der Wirbelstromverluste reduzieren, da es länger dauert, bis die Elektronen durch das Material fließen. Infolgedessen erfahren die Elektronen mehr Kollisionen innerhalb ihrer Atome, was letztendlich die Verluste mildert. Einige Beispiele für Materialien mit hoher Widerstandsfähigkeit sind keramische Kerne und Luftkerne.

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Wie berechnet man Verluste im Transformator?

Die Berechnung von Transformatorverlusten kann knifflig sein, da viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden können. Der Verlust in einem Transformator vergleicht die Eingangsleistung (Primärleistung) mit der Ausgangsleistung (Sekundärleistung). Die Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie die Stromstärke beider Enden sind Daten, die von den meisten Transformatoren angezeigt werden.

Zum Beispiel hebt ein Transformator mit erhöhter Spannung die Spannung an, verringert jedoch den Strom. Umgekehrt wird ein Transformator mit verringerter Spannung die Spannung verringern, aber den Strom erhöhen. Daher wird die Leistungsbewertung (in Watt) auch für jeden Transformatorentyp unterschiedlich sein.

Die Leistung (P) ist die Spannung (E) multipliziert mit dem Strom in Ampere (I). Daher gilt: P = IE.

Bei der Berechnung des Verlusts eines Transformators müssen Sie zuerst sowohl die tatsächliche als auch die momentane Spannung in beiden Primär- und Sekundärwicklungen berechnen. Sie müssen auch den Widerstand beider Wicklungen sowie die Länge des Leiters (l) bestimmen.

Nachdem Sie diese Werte erhalten haben, multiplizieren Sie die Spannung in Volt mit dem Primärwicklungsstrom in Ampere. Dann nehmen Sie die Spannung (V) und multiplizieren sie mit dem Strom (I) der Sekundärwickel des Transformators.

Subtrahieren Sie die Sekundärleistung von der Primärleistung. Die resultierende Zahl ist der Leistungsverlust Ihres Transformators.

Zum Beispiel, nehmen wir an, Sie haben einen Transformator mit folgenden Spezifikationen:

Primärspannung (V1) = 400 V

Sekundärspannung (V2) = 120 V

Primärstrom (I1) = 10 A

Sekundärstrom (I2) = 2,5 A

Länge des Leiters (l) = 1 m

Widerstand der Primärwicklung (R1) = 2 Ohm

Widerstand der Sekundärwicklung (R2) = 0,5 Ohm

Um die Leistungsverluste zu berechnen, müssten Sie 400 V mit 10 A multiplizieren, um die Primärleistung (P1) zu erhalten, die 4000 W entspricht.

Als Nächstes möchten Sie 120 V mit 2,5 A multiplizieren, um die sekundäre Leistung (P2) zu erhalten, die 300 W entspricht.

Dann würden Sie 300 W von 4000 W abziehen, um die Leistungsausfälle von 3700 W zu erhalten. 

Leistungsverluste = P1 – P2

= 4000 W – 300 W

= 3700 W

Fazit

Transformatoren erleben unweigerlich verschiedene Arten von Verlusten, darunter ohmsche (Kupfer), Wirbelströme, Hysterese und Flussverluste. Das Verständnis dieser Verluste und die Umsetzung von Strategien zu deren Minderung sind entscheidend für die Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Transformatoren. Mit einer geeigneten Gestaltung und Materialauswahl ist es möglich, diese Verluste zu minimieren und die Gesamtleistung von Transformersystemen zu verbessern.

Als professioneller Transformatorenhersteller kann Daelim Transformer Niedrigverlusttransformator Produkte anbieten, die die Effizienzstandards von DOE, CSA und EU Tier-2 erfüllen oder sogar übertreffen. Wenn Sie also einen Niedrigverlusttransformator benötigen, kontaktieren Sie Daelim Transformer jetzt.