Welche Verluste entstehen beim Transformator?

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 mit der Betriebsspannung und -frequenz des Transformators zusammen, 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:Der Herstellungsprozess des Transformators hat ebenfalls einen gewissen Einfluss auf die Eisenverluste. Beispielsweise beeinflussen die Kernblechungsmethode, die Isolationsbehandlung usw. die Höhe der Eisenverluste.

Wie lässt sich der Eisenverlust im Transformator reduzieren?

• Hochwertiges Eisenkernmaterial auswählen:Durch die Wahl eines Eisenkernmaterials mit geringen Hystereseverlusten können die Eisenverluste des Transformators reduziert werden.
• Optimierung des Fertigungsprozesses:Reduzierung des Eisenverlusts durch Verbesserung der Kernlaminierungsmethode, der Isolationsbehandlung und anderer Herstellungsprozesse.
• Angemessene Gestaltung: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

• Aktuelle Größe:Wie bereits erwähnt, ist der Kupferverlust proportional zum Quadrat des Stroms, 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 Weg, auf dem der Strom in der Wicklung fließen kann, und desto größer wird der Widerstand, was zu erhöhten Kupferverlusten führt.
• Schaltfrequenz:Der Einfluss der Schaltfrequenz auf die Kupferverluste eines 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.
• 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?

• Vergrößern Sie die Wicklungsquerschnittsfläche des Transformators:Durch die Verringerung des Leiterwiderstands wird der Kupferverlust des Transformators effektiv reduziert.
• Verwenden Sie hochwertige Leitermaterialien:beispielsweise Kupferfolie oder Aluminiumfolie, um den Wicklungswiderstand zu verringern.
• Verkürzen Sie die Teillastbetriebszeit des Transformators:Durch die Begrenzung des Anteils der Teillastbetriebszeit des Transformators lässt sich der Kupferverlust des Transformators reduzieren.