A merülő transzformátor veszteségeinek kiszámítása döntő szempont mind a gyártók, mind a felhasználók számára. A merülő transzformátorok szállítójaként ezeknek a veszteségeknek a megértése nemcsak a terméktervezésben és -optimalizálásban segít, hanem lehetővé teszi számunkra, hogy pontosabb információkat nyújtsunk ügyfeleinknek. Ebben a blogban a merülő transzformátorok különböző veszteségeivel és azok kiszámításának módszereivel foglalkozunk.
Veszteségek típusai merülő transzformátorban
A merülő transzformátorok veszteségeinek két fő típusa van: üresjárati veszteség és terhelési veszteség.
Nem – terhelési veszteségek
Az üresjárati veszteségek, más néven magveszteségek akkor fordulnak elő, ha a transzformátor feszültség alatt van, de nincs terhelés a szekunder oldalra csatlakoztatva. Ezeket a veszteségeket elsősorban két tényező okozza: a hiszterézisveszteség és az örvényáram-veszteség.
Hiszterézis elvesztése
A hiszterézisveszteséget a transzformátor maganyagának ismételt mágnesezése és lemágnesezése okozza. Amikor a váltóáram áthalad a primer tekercsen, a magban lévő mágneses mező folyamatosan irányt változtat. A maganyagnak van egy hiszterézis nevű tulajdonsága, ami azt jelenti, hogy energiára van szükség az anyag mágneses orientációjának megváltoztatásához. A hiszterézis veszteség ($P_h$) Steinmetz képletével számítható ki:
$P_h = k_h f B_m^{n} V$
ahol $k_h$ a Steinmetz-együttható, amely a mag anyagától függ; $f$ a váltakozó áram frekvenciája; $B_m$ a maximális mágneses fluxussűrűség a magban; $n$ a Steinmetz-kitevő (általában 1,5 és 2,5 között van); és $V$ a mag térfogata.
Örvényáram elvesztése
Az örvényáram-kiesés a magban indukált áramoknak köszönhető. Amikor a magban lévő mágneses tér megváltozik, az örvényáramokként ismert keringő áramokat indukál a mag anyagában. Ezek az örvényáramok hő formájában veszítenek el teljesítményt. Az örvényáram-veszteség ($P_e$) a következő képlettel számítható ki:
$P_e=k_e f^{2} B_m^{2} t^{2} V$
ahol $k_e$ a mag anyagával és elektromos vezetőképességével kapcsolatos állandó, a $t$ pedig a magban lévő rétegelt rétegek vastagsága.
A teljes üresjárati veszteség ($P_{nl}$) a hiszterézisveszteség és az örvényáram-veszteség összege:
$P_{nl}=P_h + P_e$
Terhelési veszteségek
A terhelési veszteségek, más néven rézveszteségek, akkor fordulnak elő, amikor a transzformátor táplálja a terhelést. Ezek a veszteségek elsősorban a transzformátor tekercseinek ellenállásából adódnak. Amikor áram folyik át a tekercseken, a teljesítmény a Joule-törvény szerint hőként disszipálódik.
A terhelési veszteség ($P_{l}$) a következő képlettel számítható ki:
$P_{l}=I^{2}R$
ahol $I$ a tekercsen átfolyó áram, $R$ pedig a tekercs ellenállása. A transzformátorban a terhelési veszteséget általában teljes terhelési áram mellett mérik. A gyakorlatban azonban a transzformátor terhelése változhat. A változó terhelés figyelembevételéhez a részterhelés terhelési vesztesége a következő összefüggés segítségével számítható ki:
$P_{l}(x)=x^{2}P_{lfl}$
ahol $x$ a teljes terhelési áram töredéke ($x = \frac{I}{I_{fl}}$), és $P_{lfl}$ a terhelési veszteség teljes terhelésnél.
A transzformátor elvesztését befolyásoló tényezők
Alapanyag
A maganyag megválasztása jelentős hatással van az üresjárati veszteségekre. Például,Amorf fém transzformátorhasználjon amorf fémmagokat, amelyeknek a hiszterézise és örvényáram-vesztesége sokkal kisebb a hagyományos szilíciumacél magokhoz képest. Az amorf fémek ugyanis véletlenszerűbb atomszerkezettel rendelkeznek, ami csökkenti a mágnesezéshez és lemágnesezéshez szükséges energiát.
Tekercselő kialakítás
A tekercsek kialakítása, beleértve a keresztmetszeti területet és a vezetékek hosszát, befolyásolja a terhelési veszteségeket. A tekercsvezetők nagyobb keresztmetszete csökkenti az ellenállást és ezáltal a terhelési veszteségeket. Ez azonban a transzformátor költségét és méretét is növeli.
Üzemeltetési feltételek
Az üzemi hőmérséklet és a terhelési tényező is befolyásolja a transzformátor veszteségeit. A hőmérséklet növekedésével a tekercsvezetők ellenállása nő, ami nagyobb terhelési veszteségekhez vezet. A terhelési tényező, amely az átlagos terhelés és a maximális terhelés aránya, meghatározza a transzformátor tényleges terhelését idővel. A magasabb terhelési tényező azt jelenti, hogy a transzformátor hosszabb ideig közelebb üzemel a teljes terhelési kapacitásához, ami nagyobb terhelési veszteséget eredményez.
A transzformátorok teljes veszteségének kiszámítása
A transzformátor teljes vesztesége ($P_{total}$) az üresjárati veszteség és a terhelési veszteség összege:
$P_{total}=P_{nl}+P_{l}$
Egy adott terhelésnél a teljes veszteség kiszámításához először az üresjárati veszteséget számítjuk ki, amely terheléstől függetlenül állandó. Ezután kiszámítjuk a terhelési veszteséget a tényleges terhelési áram alapján a részleges terhelési veszteségek képletével.
Például, ha egy transzformátor üresjárati vesztesége 1000 W, teljes terhelése pedig 5000 W, és teljes terhelési kapacitásának 50%-án üzemel, a terhelési veszteség ennél a részterhelésnél:
$P_{l}(0,5)=0,5^{2}\times5000 = 1250 $ W
A teljes veszteség 50%-os terhelésnél:
$P_{összesen}=1000 + 1250=2250 $ W
A veszteségszámítás fontossága
A transzformátor veszteségeinek pontos kiszámítása több okból is elengedhetetlen. Először is segít a transzformátorok tervezésében és kiválasztásában. A veszteségek minimalizálásával javíthatjuk a transzformátor hatásfokát, ami csökkenti az energiafogyasztást és az üzemeltetési költségeket. Másodszor, a veszteségszámítás fontos a transzformátor hőmérséklet-emelkedésének meghatározásához. A nagyobb veszteségek több hőtermelést eredményeznek, ami befolyásolhatja a szigetelés élettartamát és a transzformátor megbízhatóságát.
Esettanulmány:Háromfázisú transzformátor
Tekintsük aHáromfázisú olajba merülő transzformátora következő specifikációkkal:
- No - terhelési veszteség ($P_{nl}$): 2000 W
- Teljes terhelési veszteség ($P_{lfl}$): 8000 W
- Névleges teljesítmény: 1000 kVA
Ha a transzformátor teljes terhelhetőségének 70%-án üzemel, akkor ezen a részterhelésen kiszámíthatjuk a terhelési veszteséget:
$x = 0,7 $
$P_{l}(0.7)=0.7^{2}\times8000=3920$ W
A teljes veszteség 70%-os terhelésnél:
P_{összesen} = 2000 + 3920 = 5920 W
Következtetés
A merülő transzformátor veszteségeinek kiszámítása összetett, de fontos feladat. A veszteségek különböző típusainak, az azokat befolyásoló tényezőknek és a számítási módszereknek a megismerésével hatékonyabb transzformátorokat tervezhetünk és választhatunk ki. A merülő transzformátorok szállítójaként elkötelezettek vagyunk amellett, hogy kiváló minőségű, alacsony veszteségű termékeket biztosítsunk. Ha érdekli termékeink, vagy további információra van szüksége a transzformátorveszteségekkel kapcsolatban, kérjük, forduljon hozzánk bizalommal beszerzési és további megbeszélések céljából.
Hivatkozások
- Electric Power Systems – J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, Thomas J. Overbye
- Transformer Engineering: tervezés, technológia és diagnosztika, George Karady és James G. McCalley