Transformatorverliezen uitgelegd: nullastverlies versus belastingsverlies
Nullastverlies en belastingsverlies in een transformator zijn twee belangrijke vormen van energieverlies tijdens de werking ervan. Hieronder wordt gedetailleerd uitgelegd hoe deze verliezen ontstaan, verdeeld worden en in de transformator worden afgevoerd.
Nullastverlies treedt op wanneer de primaire wikkeling van de transformator onder nullastomstandigheden slechts een kleine bekrachtigingsstroom voert. In dit geval is het koperverlies verwaarloosbaar en vindt het grootste deel van het verlies plaats in de kern, bekend als ijzerverlies. IJzerverlies bestaat uit hysterese-verlies en wervelstroomverlies. Hysterese-verlies ontstaat door het continu omklappen van magnetische domeinen in de kern onder invloed van een wisselend magnetisch veld, wat energie verbruikt en warmte genereert. Wervelstroomverlies treedt op omdat de kern zelf geleidend is. Wanneer de kern wordt blootgesteld aan een veranderend magnetisch veld, wordt een elektromotorische kracht geïnduceerd in vlakken loodrecht op de magnetische veldlijnen, waardoor gesloten lussen ontstaan die stromen genereren – bekend als wervelstromen – die warmte produceren als gevolg van de weerstand van het kernmateriaal.
Het nullastverlies is voornamelijk geconcentreerd in de kern, aangezien de kern het primaire onderdeel van het magnetische circuit is en zowel hysterese- als wervelstroomverliezen in het materiaal ervan optreden. Daarnaast treedt er een kleine hoeveelheid koperverlies op in de primaire wikkeling als gevolg van de nullaststroom, maar dit is doorgaans verwaarloosbaar. De warmte die door het nullastverlies wordt gegenereerd, wordt voornamelijk afgevoerd door warmtegeleiding en straling van de kern naar de omgeving. De kern staat in contact met transformatorolie of lucht en draagt warmte over aan de olie of lucht. Deze warmte wordt vervolgens afgevoerd door natuurlijke convectie van de olie- of luchtstroom en uiteindelijk afgevoerd naar de omgeving.
Het vermogensverlies omvat het basisverlies in het koper en bijkomende verliezen. Het basisverlies in het koper is het verlies als gevolg van de weerstand in de wikkelingen wanneer er stroom doorheen loopt. Volgens de wet van Joule wordt er warmte gegenereerd wanneer er stroom door een geleider vloeit, en het vermogensverlies is evenredig met het kwadraat van de stroomsterkte. Bijkomende verliezen omvatten wervelstroomverliezen in de wikkelingen, circulatiestroomverliezen, strooiverliezen in structurele componenten, enz., die evenredig zijn met het kwadraat van de stroomsterkte en het kwadraat van de frequentie.
Het vermogensverlies is voornamelijk verdeeld over de wikkelingen en de kern. De belastingsstroom in de wikkelingen veroorzaakt koperverlies, terwijl de kern ook enig verlies ondervindt door lekflux veroorzaakt door de belastingsstroom, hoewel dit relatief klein is in vergelijking met het koperverlies in de wikkelingen. Bovendien veroorzaakt de door de belastingsstroom geïnduceerde lekflux strooiverliezen in metalen constructieonderdelen buiten de wikkelingen.
De warmte die ontstaat door vermogensverlies wordt gedeeltelijk overgedragen aan de transformatorolie door warmtegeleiding vanuit de wikkelingen en vervolgens afgevoerd door natuurlijke convectie of geforceerde circulatie van de olie. Een ander deel wordt afgevoerd naar de omgeving door warmtegeleiding en straling vanuit de kern en de structurele componenten. Bij grote transformatoren worden vaak geforceerde oliecirculatiekoeling of vergelijkbare methoden toegepast om de warmteafvoer te verbeteren, waardoor de operationele efficiëntie en betrouwbaarheid van de transformator toenemen.