Straty w transformatorze: Ostateczny przewodnik po najczęściej zadawanych pytaniach

Ile rodzajów strat w transformatorze?

Pomimo swojego rozmiaru i mocy, transformatory są jak inne urządzenia – nie są całkowicie doskonałe. Choć idealna konfiguracja transformatora polega na braku strat, rzeczywistość jest taka, że te urządzenia także mają straty mocy. Moc wyjściowa transformatora zawsze będzie mniejsza niż jego moc wejściowa.

Te straty energii są następnie przekształcane w ciepło, które należy usunąć z transformatora, aby uniknąć uszkodzeń. Energia elektryczna generowana przez cewki i zmieniające się pole magnetyczne wewnątrz generuje ciepło. Straty obciążeniowe odnoszą się do strat, które występują z cewkami. Z drugiej strony, straty bezobciążeniowe to te, które mają miejsce w rdzeniu.

Dowiedz się więcej: Ostateczny przewodnik FAQ dotyczący transformatorów 25kVA

Cztery rodzaje strat w transformatorach znane są jako straty resistywne, prądów wirowych, histerezy i straty strumieniowe. 

Straty rezystancyjne

Opór uzwojeń transformatora powoduje straty rezystancyjne (12R), czyli straty miedzi, które są rodzajem uszkodzenia elektrycznego. Prąd płynący przez materiał rezystancyjny generuje ciepło, które następnie jest rozpraszane. W rezultacie straty rezystancyjne są odwrotnie proporcjonalne do prądu płynącego przez transformator. 

Prąd wirowy

Straty prądów wirowych występują, gdy metalowe rdzenie transformatora wytwarzają pola magnetyczne. Te pola magnetyczne indukują prądy w rdzeniu, które płyną w przeciwnym kierunku niż prąd pierwotny. Te prądy wirowe generują ciepło, które może uszkodzić system, jeśli nie zostanie usunięte.

Histereza

Histereza jest spowodowana magnetyzmem, który pozostaje w materiale nawet po usunięciu źródła pola magnetycznego. W przypadku transformatorów ten magnetyzm jest indukowany przez prąd przemienny płynący w uzwojeniu pierwotnym. Dlatego straty histerezy są proporcjonalne do kwadratu prądu magnetyzującego.

Obszary magnetyczne mają właściwości magnetyczne, które poruszają się w żelazie, gdy są poddane polu magnetycznemu. Gdy pole magnetyczne jest usuwane, w żelizie pozostaje niewielka ilość magnetyzmu. Straty histerezy to straty, które występują w wyniku tego zjawiska.

Straty strumieniowe

Ostatnim rodzajem strat w transformatorze są straty strumieniowe lub wycieki strumienia. Ten rodzaj straty zachodzi, gdy część linii strumieniowych pochodzących z uzwojenia pierwotnego nie przechodzi przez rdzeń transformatora i do uzwojenia wtórnego – co prowadzi do straty mocy. Istnieją dwa powody, dla których linie strumieniowe mogą podróżować przez powietrze zamiast przez rdzeń:

Nasycenie w rdzeniu żelaznym sprawia, że nie jest on w stanie zaakceptować następnych linii strumienia. W związku z tym linie strumienia będą podróżować przez powietrze, a nie przez rdzeń i uzwojenie wtórne.

Współczynnik reluktancji powietrza i rdzenia w niezestawionym obszarze wynosi 10 000:1. Ten współczynnik oznacza, że na każde 10 000 linii strumienia, które przechodzą przez rdzeń, jedna przechodzi przez powietrze.

Straty strumieniowe są zazwyczaj niewielkie, szczególnie w dobrze zaprojektowanym i dobrze skonstruowanym transformatorze.

Wypróbuj za darmo: Transformator montowany na podłożu

Czym są straty magnetyczne w transformatorach?

Straty żelazne w transformatorze definiowane są jako straty spowodowane przemiennym strumieniem w rdzeniu transformatora. Z tego powodu straty żelazne są również nazywane stratami rdzenia. Straty prądów wirowych i histerezy są przykładami strat rdzenia.

Aby lepiej zrozumieć, jak powstają straty żelaza, przyjrzyjmy się właściwościom magnetycznym żelaza. Gdy prąd przemienny płynie w przewodniku, wytwarza pole magnetyczne. To samo dotyczy rdzeni transformatorów wykonanych z żelaza. Prąd w uzwojeniu pierwotnym nieustannie się zmienia, co z kolei tworzy przemienne strumienie magnetyczne w rdzeniu transformatora.

Przeczytaj więcej: Ostateczny przewodnik FAQ dotyczący suchych transformatorów

Dlaczego straty magnetyczne w transformatorach nazywane są stratami stałymi?

Straty żelaza w transformatorach nazywane są stratami stałymi, ponieważ, jak sama nazwa wskazuje, pozostają one stałe, niezależnie od obciążenia. Są niezależne od warunków obciążenia. Straty na jałowo lub straty rdzenia stanowią dużą część strat stałych. Dlatego straty żelaza nazywane są również stratami stałymi.

Ponadto straty stałe obejmują również straty spowodowane oporem uzwojeń, a także straty dielektryczne i przypadkowe. Straty dielektryczne są spowodowane nagrzewaniem się izolacji, podczas gdy przeciek strumienia powoduje straty przypadkowe.

Czym są straty miedzi w transformatorze?

Każdy materiał posiada pewien poziom oporu, nawet jeśli jest bardzo dobrym przewodnikiem. Gdy prąd elektryczny płynie przez materiał, część energii elektrycznej przekształca się w ciepło z powodu oporu materiału. Strata miedzi to termin używany do opisania straty przewodności w przewodzie wynikającej z użycia niskiej jakości miedzi do uzwojenia.

Straty miedzi są proporcjonalne do kwadratu prądu obciążenia przepływającego przez transformator. Oznacza to, że jeśli podwoimy prąd obciążenia, straty miedzi wzrosną czterokrotnie. W tym samym czasie napięcie spadnie o połowę. Straty miedzi stanowią pozostały procent strat stałych.

Czym są straty uboczne w transformatorze?

Straty przypadkowe odnoszą się do strat ciepła, które występują we wszystkich elementach transformatora, z wyjątkiem uzwojeń miedzianych. Straty przypadkowe są spowodowane przepływem szczątkowym, który jest częścią całkowitego strumienia magnetycznego, która ucieka z rdzenia transformatora. Część tego przepływu szczątkowego połączy się z każdym pobliskim przewodnikiem, co prowadzi do strat transformatora. 

Straty przypadkowe można podzielić na dwie kategorie: efekt bliskości i efekt skórny.

Transformator efekt skórny jest zjawiskiem, które występuje, gdy prąd ma tendencję do płynięcia na powierzchni przewodnika zamiast przepływać przez całą przekroju. Głębokość skóry to odległość od powierzchni przewodnika do punktu, w którym prąd zmniejszył się do 1/e (około 37%) swojej początkowej wartości.

Transformator efekt bliskości to tendencja prądu elektrycznego w przewodniku do wytwarzania przeciwnych pól magnetycznych, które przyciągają prąd w pobliskich przewodnikach.

Wypróbuj za darmo: Ostateczny przewodnik po transformatorach ONAN

Jak zredukować straty uboczne w transformatorach?

Chociaż straty w transformatorach są nieuniknione i frustrujące, istnieją sposoby na złagodzenie ich skutków. W przypadku strat przypadkowych można zastosować dwie ważne metody: ekranowanie elektromagnetyczne i ekranowanie prądami wirowymi. 

Ekranowanie elektromagnetyczne to przewodząca bariera, która pokrywa całe urządzenie, aby chronić je przed elektromagnetycznymi zakłóceniami środowiskowymi (EMI). Przykładem tego może być metalowa obudowa wokół Twojego transformatora elektrycznego. Może to również zapobiegać emisjom z samego urządzenia, które mogłyby zakłócać inne urządzenia znajdujące się w tym samym otoczeniu co transformator.

Z drugiej strony, ekranowanie prądami wirowymi to technika odrzucania strumienia, która jest odpowiednim rozwiązaniem dla niekonwencjonalnie ukształtowanych zbiorników. Jednak oczywistą wadą tej metody jest to, że prądy wirowe są stratami transformatora, które zachodzą wewnątrz osłony, co powoduje nagrzewanie. To nagrzewanie może potencjalnie prowadzić do przegrzania innych elementów strukturalnych transformatora.

Czytaj dalej: Najlepszy podręcznik FAQ o transformatorze 1 MVA

Jak zredukować straty w transformatorze?

Jako właściciele transformatora chcielibyście zminimalizować straty. Niestety, to utrudnienie jest nieuniknione, więc będziecie musieli pracować z tym, co macie. Na szczęście istnieje wiele sposobów na zredukowanie skutków strat transformatora do bardziej znośnego poziomu.

Pamiętaj, że metody redukcji strat w transformatorze zależą od rodzaju strat transformatora. Na tę dyskusję skoncentrujmy się na stratach żelaza, stratach miedzi, stratach dodatkowych i stratach dielektrycznych.

Strata żelaza

Podsumowując, straty żelaza (lub straty rdzenia) wynikają z naprzemiennego napływu w rdzeniu. Straty mogą być stratami histerezy lub prądami wirowymi.

Materiał rdzeniowy o niskiej koercji jest najczęściej stosowanym sposobem na zmniejszenie strat żelaza. Oznacza to, że rdzeń może być łatwo namagnesowany i demagnetyzowany, co zmniejsza straty histerezy. Innym sposobem na zmniejszenie strat żelaza jest użycie materiału rdzeniowego o wysokiej oporności. 

Dzięki wysokiej oporności, straty prądów wirowych będą mniejsze, ponieważ elektron potrzebuje dłuższego czasu na przepływ przez materiał. To wynika z faktu, że elektrony napotkają więcej zderzeń z atomami w materiale.

Strata miedzi

Jeśli chodzi o straty miedzi, głównym sposobem ich zmniejszenia jest stosowanie drutów miedzianych o większym przekroju poprzecznym. Dzieje się tak, ponieważ większy przekrój poprzeczny skutkuje niższą opornością. 

Przy niższej oporności, elektrony będą miały łatwiejszy czas na przepływ przez materiał, co zmniejsza straty. Innym sposobem na zmniejszenie strat miedzi jest użycie drutu miedzianego o większym rozmiarze. 

Przeczytaj mój artykuł na temat Rodzaje transformatorów

Większa średnica miedzi oznacza, że przewód jest grubszy, co prowadzi do niższej odporności. Należy jednak pamiętać, że istnieje limit, jak cienki może być przewód, zanim stanie się zbyt kruchy i pęknie.

Strata uboczna

Straty przypadkowe można zredukować na kilka sposobów, a najczęstszym z nich jest ekranowanie elektromagnetyczne. Jak wspomniano wcześniej, jest to przewodząca bariera, która pokrywa całe urządzenie i chroni je przed elektromagnetycznym zakłóceniem ze środowiska.

Innym sposobem na zmniejszenie strat przypadkowych jest użycie ekranowania prądów wirowych. To technika odrzucania strumienia, która nadaje się do nietypowo ukształtowanych zbiorników. Wadą tej metody jest to, że prądy wirowe to straty w transformatorze, które występują wewnątrz osłony, powodując nagrzewanie. 

Strata dielektryczna

Straty dielektryczne, znane również jako straty izolacji, są spowodowane przepływem prądu elektrycznego przez izolację. Najczęstszym sposobem na zmniejszenie strat dielektrycznych jest użycie materiału o wyższej oporności.

Dzieje się tak, ponieważ materiał o wyższej oporności ma niższą przewodność elektryczną. To oznacza, że elektrony mają trudniej przepływać przez materiał, co kontroluje i redukuje skutki strat. Innym sposobem na zmniejszenie strat dielektrycznych jest użycie materiału o wyższej stałej dielektrycznej.

Dzieje się tak, ponieważ materiał o wyższej stałej dielektrycznej może przechowywać więcej energii elektrycznej, obniżając skutki strat.

Z ponad 20-letnim doświadczeniem w projektowaniu transformatorów, inżynierowie z Daelim Transformer posiadają rozległą wiedzę w swojej dziedzinie. Są ekspertami w minimalizacji różnych rodzajów strat podczas procesu projektowania. Jeśli potrzebujesz pomocy w projektowaniu transformatora, nasz dedykowany zespół jest gotowy, aby szybko dostarczyć Ci optymalne rozwiązanie. Skontaktuj się z nami, a my szybko dostarczymy najlepszy możliwy wynik, aby spełnić Twoje konkretne wymagania.

Możesz być zainteresowany: Transformator obniżający napięcie

Jak zredukować straty żelaza w transformatorze?

Aby zmniejszyć straty żelaza, należy użyć materiału rdzeniowego, który ma niską koercję, co oznacza, że może być łatwo magnetyzowany i demagnetyzowany i nazywa się “miękkim magnetycznie”.”

Ponieważ straty histerezy są bezpośrednio proporcjonalne do koercji materiału, użycie materiału miękkiego magnetycznie zredukuje straty histerezy.

Niektóre materiały miękkie magnetycznie to żelazo proszkowe, rdzenie nanokrystaliczne i metal amorficzny. Innym sposobem na zmniejszenie strat żelaza jest użycie rdzenia wysoce oporowego.

Wysoka oporność zmniejszy ilość strat prądów wirowych, ponieważ elektrony będą miały dłużej do przepłynięcia przez materiał. W rezultacie, elektrony doświadczą większej liczby kolizji w swoich atomach, co ostatecznie złagodzi straty. Niektóre przykłady materiałów o wysokiej oporności to rdzenie ceramiczne i rdzenie powietrzne.

Zdobądź to teraz: Ostateczny przewodnik FAQ dotyczący transformatora 20 MVA

Jak obliczyć straty w transformatorze?

Obliczanie strat transformatora może być skomplikowane, ponieważ można uwzględnić wiele różnych czynników. Strata w transformatorze porównuje moc wejściową (moc pierwotna) z mocą wyjściową (moc wtórna). Napięcia wejściowe i wyjściowe oraz znamionowy prąd obu końców to dane, które pokazuje większość transformatorów.

Na przykład, transformator podnoszący napięcie zwiększa napięcie, ale zmniejsza prąd. Z drugiej strony, transformator obniżający napięcie zmniejszy napięcie, ale zwiększy prąd. W związku z tym moc znamionowa (w watach) również będzie różna dla każdego typu transformatora.

Moc (P) to napięcie (E) pomnożone przez prąd w amperach (I). Dlatego P = IE.

Podczas obliczania strat transformatora, należy najpierw obliczyć zarówno rzeczywiste, jak i aktualne napięcie w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym. Należy również określić opór obu uzwojeń oraz długość przewodnika (l).

Gdy już uzyskacie te dane, pomnóżcie napięcie w woltach przez natężenie prądu w amperach w uzwojeniu pierwotnym. Następnie weźcie napięcie (V) i pomnóżcie je przez natężenie (I) uzwojenia wtórnego transformatora.

Odejmij moc wtórną od mocy pierwotnej. Otrzymana liczba to strata mocy Twojego transformatora.

Na przykład, załóżmy, że macie transformator o następujących specyfikacjach:

Napięcie pierwotne (V1) = 400 V

Napięcie wtórne (V2) = 120 V

Prąd pierwotny (I1) = 10 A

Prąd wtórny (I2) = 2,5 A

Długość przewodu (l) = 1 m

Opór cewki pierwotnej (R1) = 2 omy

Opór cewki wtórnej (R2) = 0,5 oma

Aby obliczyć straty mocy, należy pomnożyć 400 V przez 10 A, aby uzyskać moc pierwotną (P1), co daje 4000 W.

Następnie chcesz pomnożyć 120 V przez 2,5 A, aby uzyskać moc wtórną (P2), co daje 300 W.

Następnie odejmujesz 300 W od 4000 W, aby uzyskać straty mocy wynoszące 3700 W. 

Straty mocy = P1 - P2

= 4000 W - 300 W

= 3700 W

Wnioski

Transformatory nieuchronnie doświadczają różnych typów strat, w tym strat oporowych (miedź), prądów wirowych, histerezy i strat strumieniowych. Zrozumienie tych strat oraz wdrażanie strategii ich minimalizacji jest kluczowe dla zwiększenia efektywności i niezawodności transformatorów. Przy odpowiednim projektowaniu i doborze materiałów możliwe jest zminimalizowanie tych strat oraz poprawa ogólnej wydajności systemów transformatorowych.

Jako profesjonalny producent transformatorów, Daelim Transformer może dostarczyć Transformer niskostratny produkty, które spełniają lub nawet przewyższają standardy wartości efektywności DOE, CSA i UE Tier-2. Dlatego, jeśli potrzebujesz transformatora niskostratnego, skontaktować się z Daelim Transformer teraz.