Welche Verluste entstehen beim Transformator?

Die Verluste von Leistungstransformatoren umfassen hauptsächlich Kupfer- und Eisenverluste. Dies liegt daran, dass jedes elektrische Gerät im Laufe der Zeit Verluste verursacht, und Leistungstransformatoren bilden da keine Ausnahme.

Was versteht man unter Eisenschäden?

Im Gegensatz zu Kupferverlusten sind die Eisenverluste eines Transformators unabhängig von Faktoren wie Wicklung und Stromstärke. Der Begriff „Eisenverlust“ ist eng mit dem Eisenkern verbunden; er entsteht dort. Die Eisenverluste des Transformators werden auch als „Leerlaufverluste“ bezeichnet, da sie unabhängig von der Last – ob Volllast oder Leerlauf – stets auftreten und zu den konstanten Verlusten des Transformators gehören. Unter Last sinken die Leistungsverluste jedoch mit abnehmender elektrischer Feldstärke.

Klassifizierung der Eisenverluste von Transformatoren

Die Eisenverluste des Transformators werden in Hystereseverluste und Wirbelstromverluste unterteilt.

Hystereseverlust

Das Funktionsprinzip des Transformators beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, um Spannungsänderungen und Stromstärken zu erzeugen. Der magnetische Fluss im Transformator fließt durch den Eisenkern. Der Eisenkern bietet dem magnetischen Fluss einen magnetischen Widerstand, ähnlich wie ein Leiter dem Stromfluss Widerstand entgegensetzt. Dabei entsteht Wärme, die als Hystereseverlust bezeichnet wird.

Wirbelstromverlust

Wird an die Primärwicklung eines Transformators Strom angelegt, fließt der von der Spule erzeugte magnetische Fluss durch den Eisenkern. Da der Kern selbst ein Leiter ist, wird in einer Ebene senkrecht zu den Magnetfeldlinien eine elektrische Spannung induziert. Diese Spannung bildet im Querschnitt des Kerns eine geschlossene Schleife, die wiederum einen elektrischen Strom erzeugt. Dieser Strom wirkt wie ein rotierender Wirbel, daher der Name „Wirbelstromtransformator“. Die durch Wirbelströme verursachten Verluste werden als „Wirbelstromverluste“ bezeichnet. Da der Kern Wirbelströme erzeugt, wird er als dünnes Blech gefertigt. Je dünner der Kern, desto höher der Widerstand und desto geringer der Strom.

Einflussfaktoren der Eisenverluste in Transformatoren

• Betriebsspannung und -frequenz: Die Eisenverluste hängen von der Betriebsspannung und -frequenz des Transformators ab, da diese Faktoren die Magnetfeldstärke und die Hysterese im Kern beeinflussen.
• Kernmaterial: Die Hystereseeigenschaften des Kernmaterials beeinflussen die Höhe der Eisenverluste. Bei ungeeigneter Wahl des Kernmaterials erhöhen sich die Hystereseverluste.
• Herstellungsprozess: Auch der Herstellungsprozess des Transformators hat einen gewissen Einfluss auf die Eisenverluste. Beispielsweise wirken sich die Kernblechmethode, die Isolationsbehandlung usw. auf die Höhe der Eisenverluste aus.

Wie lässt sich der Eisenverlust im Transformator reduzieren?

• Hochwertiges Eisenkernmaterial auswählen: Die Auswahl eines Eisenkernmaterials mit geringen Hystereseverlusten kann die Eisenverluste des Transformators reduzieren.
• Optimierung des Herstellungsprozesses: Reduzierung des Eisenverlusts durch Verbesserung der Kernlaminierungsmethode, der Isolationsbehandlung und anderer Herstellungsprozesse.
• Sinnvolles Design: In der Entwurfsphase des Transformators werden die Eisenverluste durch Optimierung des Konstruktionsdesigns und der Parameterauswahl reduziert.

Kupferverlust

Kupfer spielt eine wichtige Rolle in Transformatoren. Kupferdrähte werden üblicherweise in den Wicklungen von Transformatoren verwendet. Die Kupferverluste im Transformator sind die Verluste, die durch die Kupferdrähte verursacht werden. Diese Kupferverluste werden auch als Lastverluste bezeichnet. Die sogenannten Lastverluste sind variable Verluste und ändern sich.

Sie ändert sich mit der Stromstärke; die Kupferverluste (Lastverluste) sind variable Verluste und stellen gleichzeitig die Hauptverluste im Transformatorbetrieb dar.

Einflussfaktoren auf die Kupferverluste von Transformatoren

• Stromstärke: Wie bereits erwähnt, ist der Kupferverlust proportional zum Quadrat der Stromstärke. Daher ist die Stromstärke der entscheidende Faktor, der den Kupferverlust beeinflusst.
• Wicklungswiderstand: Der Wicklungswiderstand beeinflusst direkt die Kupferverluste. Je größer der Widerstand, desto höher die Kupferverluste.
• Anzahl der Spulenlagen: Je mehr Spulenlagen vorhanden sind, desto länger ist der Strompfad in der Wicklung und desto höher ist der Widerstand, was zu erhöhten Kupferverlusten führt.
• Schaltfrequenz: Der Einfluss der Schaltfrequenz auf die Kupferverluste des Transformators hängt direkt von den Verteilungsparametern und den Lastcharakteristiken des Transformators ab. Bei induktiven Lastcharakteristiken und Verteilungsparametern sinken die Kupferverluste mit steigender Schaltfrequenz; bei kapazitiven Parametern steigen sie hingegen an.
• Temperatureinfluss: Die Lastverluste werden auch von der Temperatur des Transformators beeinflusst. Gleichzeitig verursacht der durch den Laststrom hervorgerufene Streufluss Wirbelstromverluste in der Wicklung und Streuverluste in den Metallteilen außerhalb der Wicklung.

Wie lassen sich die Kupferverluste in Transformatoren reduzieren?

• Vergrößert man die Wicklungsquerschnittsfläche des Transformators, so verringert sich der Leiterwiderstand und damit auch die Kupferverluste des Transformators.
• Verwenden Sie hochwertige Leitermaterialien wie Kupferfolie oder Aluminiumfolie, um den Wicklungswiderstand zu reduzieren.
• Verkürzung der Teillastbetriebszeit des Transformators: Durch die Begrenzung des Anteils der Teillastbetriebszeit des Transformators lassen sich die Kupferverluste des Transformators reduzieren.