Любое электрооборудование в процессе длительной эксплуатации подвержено потере энергии; силовой трансформатор не является исключением. Потери в силовом трансформаторе в основном делятся на две составляющие: медные потери и железные потери.

Потери меди

Определение и принцип

Медь в трансформаторе играет важную роль: в обмотках обычно используют медный провод, и «медные потери» трансформатора — это именно потери в этом проводе. «Медные потери» трансформатора также называют потерями при нагрузке. Так называемые потери при нагрузке — это переменные потери, которые изменяются в зависимости от режима работы. Когда трансформатор работает под нагрузкой, ток, протекающий по проводу, встречает сопротивление, что приводит к потерям на активном сопротивлении. Согласно закону Джоуля, при протекании тока через сопротивление выделяется тепловая энергия; чем больше ток, тем больше потери мощности. Таким образом, потери на активном сопротивлении пропорциональны квадрату тока и не зависят от напряжения. Поскольку эти потери изменяются вместе с величиной тока, медные потери (потери при нагрузке) являются переменными и составляют основную часть потерь при работе трансформатора.

Факторы влияния

Текущий ток: как уже отмечалось выше, потери меди пропорциональны квадрату тока, поэтому величина тока является ключевым фактором, влияющим на потери меди.
Сопротивление обмотки: величина сопротивления обмотки непосредственно влияет на потери меди. Чем выше сопротивление, тем больше потери меди. Количество слоёв обмотки: чем больше слоёв в обмотке, тем длиннее путь протекания тока в обмотке, соответственно возрастает и её сопротивление, что приводит к росту потерь меди. Частота коммутации: влияние частоты коммутации на потери меди трансформатора напрямую связано с распределёнными параметрами и характеристиками нагрузки трансформатора. При индуктивных характеристиках нагрузки и соответствующих распределённых параметрах потери меди уменьшаются с ростом частоты коммутации; при ёмкостных характеристиках потери меди, напротив, увеличиваются с повышением частоты коммутации. Влияние температуры: потери в режиме нагрузки также зависят от температуры трансформатора; при этом магнитный поток рассеяния, возникающий под действием тока нагрузки, вызывает в обмотке вихревые потери, а в металлических частях обмотки — дополнительные потери вследствие рассеянного магнитного поля.

Расчёт

Существует два вида формул расчёта.
1. Формула, основанная на номинальном токе и сопротивлении:
Потери меди (единица измерения: кВт) = I² × Rc × Δt
Где I — номинальный ток трансформатора, Rc — сопротивление медного провода, Δt — время работы трансформатора.
2. Формула, основанная на номинальном токе и суммарном сопротивлении меди: потери в меди = I² × R
Где I — номинальный ток трансформатора, а R — суммарное сопротивление обмоток из меди. Суммарное сопротивление обмоток из меди R трансформатора можно рассчитать по следующей формуле:

R = (R1 + R2) / 2
Здесь R1 обозначает сопротивление меди первичной обмотки трансформатора, а R2 — сопротивление меди вторичной обмотки трансформатора.

Методы снижения потерь на электрическое сопротивление меди

Увеличьте площадь поперечного сечения обмоток трансформатора: это позволит снизить сопротивление проводников и, соответственно, эффективно уменьшить медные потери трансформатора. Используйте высококачественные материалы для проводников — например, медную или алюминиевую фольгу — чтобы уменьшить сопротивление обмоток. Сократите время работы трансформатора на холостом ходу: ограничьте долю времени его эксплуатации в режиме малой нагрузки — это способствует снижению медных потерь трансформатора.
Потеря железа

Определение и принцип

В отличие от потерь в обмотках, потери в железе трансформатора не зависят от обмоток, величины тока и других факторов; как следует из названия, они связаны с магнитопроводом и возникают в его материале. Потери в железе трансформатора также называют «потерями холостого хода», поскольку они присутствуют как при полной нагрузке, так и при отсутствии нагрузки, являясь постоянной составляющей потерь трансформатора. Однако при наличии нагрузки эти потери уменьшаются по мере снижения напряжённости магнитного поля.

Классификация

Потери в железе трансформатора подразделяются на потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери на гистерезис основаны на принципе электромагнитной индукции, обеспечивающем изменение напряжения и тока; магнитный поток внутри трансформатора протекает по сердечнику из железа, который обладает магнитным сопротивлением по отношению к магнитному потоку — подобно тому как проводник оказывает сопротивление электрическому току — и при этом выделяется тепло, что и называется «потерями на гистерезис».
Потери на вихревые токи возникают при подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора: магнитный поток, создаваемый обмоткой, проникает в сердечник; поскольку сам сердечник является проводником, перпендикулярно плоскости магнитных силовых линий индуцируется электродвижущая сила. Эта ЭДС, распределяясь по поперечному сечению сердечника, образует замкнутый контур и вызывает протекание тока — подобно водовороту, отсюда и название «вихревые токи». Потери, обусловленные этими вихревыми токами, называются «потерями на вихревые токи». Именно из‑за того, что в сердечнике возникают вихревые токи, его изготавливают из тонких листов: чем тоньше материал, тем выше его сопротивление и тем ниже величина тока.

Классификация

Потери в железе трансформатора делятся на потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Гистерезисные потери. Рабочий принцип трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, позволяющем повышать и понижать напряжение и изменять ток; при этом магнитный поток внутри трансформатора протекает по сердечнику из железа, который обладает магнитным сопротивлением, подобно тому как проводник оказывает электрическое сопротивление току, — в результате выделяется тепло. Такие потери называются «гистерезисными потерями».
Потери на вихревые токи возникают при подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора: магнитный поток, создаваемый обмоткой, проникает в сердечник; поскольку сам сердечник является проводником, перпендикулярно плоскости магнитных силовых линий индуцируется электродвижущая сила. Эта ЭДС, распределяясь по поперечному сечению сердечника, образует замкнутый контур и вызывает протекание тока — подобно водовороту, отсюда и название «вихревые токи». Потери, обусловленные этими вихревыми токами, называются «потерями на вихревые токи». Именно из‑за того, что в сердечнике возникают вихревые токи, его изготавливают из тонких листов: чем тоньше материал, тем выше его сопротивление и тем ниже величина тока.

Факторы влияния

Рабочее напряжение и частота: потери в железе, а также рабочее напряжение и частота трансформатора, поскольку эти факторы влияют на величину магнитной индукции и явление гистерезиса в сердечнике. Материал сердечника: гистерезисные свойства материала сердечника определяют величину потерь в железе. Если материал сердечника подобран неправильно, потери на гистерезис возрастут. Технологический процесс: технология изготовления трансформатора также оказывает определённое влияние на потери в железе; например, способ укладки листов сердечника, обработка изоляции и др. влияют на величину этих потерь.

Расчёт

1. На основе номинального тока и гистерезиса формула потерь на сопротивление:
Потери на железо (единица: кВА) = I² × (Rm + Ra)
Где I — номинальный ток трансформатора, Rm — потери на гистерезис в магнитопроводе, Ra — потери на активное сопротивление магнитопровода.
2. Уравнение, основанное на постоянной, плотности потока и рабочей частоте:

P железо = Kf × (Bm)^2 × f
Где PFe — потери на железо, Kf — постоянная, Bm — плотность магнитного потока, а f — рабочая частота трансформатора.

Метод сокращения

Выбор высококачественных магнитопроводящих материалов: использование материалов с низкими потерями на гистерезис позволяет снизить потери на железо в трансформаторе.
Оптимизировать технологический процесс: за счёт улучшения метода укладки стальных листов сердечника, обработки изоляции и других производственных операций снизить потери в стали.
Разумный дизайн: на этапе проектирования трансформатора за счёт оптимизации конструктивных решений и выбора параметров снижается потери в железе.