Straty transformatora wyjaśnione: strata bez obciążenia a strata obciążenia

Straty jałowe i straty obciążeniowe w transformatorze to dwie główne formy strat energii podczas jego pracy. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie, w jaki sposób są one generowane, rozprowadzane i rozpraszane w transformatorze.

Straty jałowe występują, gdy uzwojenie pierwotne transformatora przewodzi jedynie niewielki prąd wzbudzenia w warunkach jałowych. W tym przypadku straty miedzi są pomijalne, a większość strat występuje w rdzeniu, znanym jako straty w żelazie. Straty w żelazie składają się ze strat histerezowych i strat wiroprądowych. Straty histerezowe wynikają z ciągłego odwracania domen magnetycznych w rdzeniu pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, które zużywa energię i generuje ciepło. Straty wiroprądowe występują, ponieważ sam rdzeń jest przewodzący. Pod wpływem zmiennego pola magnetycznego indukowana jest siła elektromotoryczna w płaszczyznach prostopadłych do linii pola magnetycznego, tworząc zamknięte pętle, które generują prądy – zwane prądami wirowymi – wytwarzające ciepło z powodu rezystancji materiału rdzenia.

Straty jałowe koncentrują się głównie w rdzeniu, ponieważ jest on głównym elementem obwodu magnetycznego, a straty histerezowe i wiroprądowe występują w jego materiale. Dodatkowo, niewielka ilość strat miedzi powstaje w uzwojeniu pierwotnym z powodu prądu jałowego, ale jest ona zazwyczaj pomijalna. Ciepło generowane przez straty jałowe jest rozpraszane głównie poprzez przewodzenie i promieniowanie ciepła z rdzenia do otoczenia. Rdzeń styka się z olejem transformatorowym lub powietrzem, przekazując ciepło do oleju lub powietrza. Ciepło to jest następnie odprowadzane poprzez naturalną konwekcję oleju lub powietrza, ostatecznie rozpraszając się do otoczenia.

Straty obciążeniowe obejmują podstawowe straty w miedzi i straty dodatkowe. Podstawowe straty w miedzi to straty wynikające z rezystancji uzwojeń podczas przepływu przez nie prądu obciążenia. Zgodnie z prawem Joule'a, podczas przepływu prądu przez przewodnik wytwarzane jest ciepło, a strata mocy jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu. Straty dodatkowe obejmują straty prądów wirowych w uzwojeniach, straty prądu krążącego, straty błądzące w elementach konstrukcyjnych itp., które są proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu i kwadratu częstotliwości.

Straty obciążeniowe rozkładają się głównie w uzwojeniach i rdzeniu. Prąd obciążenia w uzwojeniach generuje straty w miedzi, podczas gdy rdzeń również doświadcza pewnych strat wynikających ze strumienia upływu generowanego przez prąd obciążenia, choć są one stosunkowo niewielkie w porównaniu ze stratami w miedzi w uzwojeniach. Ponadto strumień upływu indukowany przez prąd obciążenia generuje straty błądzące w metalowych elementach konstrukcyjnych znajdujących się poza uzwojeniami.

Ciepło generowane przez straty obciążenia jest częściowo przenoszone do oleju transformatorowego poprzez przewodzenie ciepła z uzwojeń, a następnie odprowadzane przez naturalną konwekcję lub wymuszoną cyrkulację oleju. Pozostała część jest rozpraszana do otoczenia poprzez przewodzenie i promieniowanie ciepła z rdzenia i elementów konstrukcyjnych. W dużych transformatorach często stosuje się wymuszoną cyrkulację oleju lub podobne metody chłodzenia w celu zwiększenia odprowadzania ciepła, co przekłada się na poprawę sprawności i niezawodności transformatora.