Auswahl energieeffizienter Verteilungstransformatoren

Definition der Transformatorverluste

Transformatorverluste können hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt werden: Leerlaufverluste und Lastverluste. Diese Verluste sind bei allen Arten von Transformatoren unabhängig von deren Anwendungsszenarien oder Leistungsdaten allgegenwärtig.

Es gibt jedoch zwei weitere Arten von Verlusten: zusätzliche Verluste durch Harmonische und Verluste, die besonders für größere Transformatoren relevant sind – Kühl- oder Hilfsverluste, die durch den Einsatz von Kühlgeräten wie Lüftern und Pumpen entstehen.

Leerlaufverluste

Diese Verluste treten im Transformatorkern auf, wann immer der Transformator energisiert wird (auch wenn der Sekundärkreis offen ist). Sie werden auch als Eisenverluste oder Kernverluste bezeichnet und bleiben konstant.
Leerlaufverluste bestehen aus:

Hystereseverluste

Diese Verluste werden durch die reibungsmäßige Bewegung der magnetischen Domänen innerhalb der Kernlaminierung verursacht, während sie durch das wechselnde Magnetfeld magnetisiert und demagnetisiert werden. Sie hängen vom verwendeten Material des Kerns ab.

Hystereseverluste machen typischerweise mehr als die Hälfte der gesamten Leerlaufverluste aus (ungefähr 50% bis 70%). In der Vergangenheit war dieser Anteil kleiner (aufgrund eines höheren Beitrags der Wirbelstromverluste, insbesondere in relativ dicken Blechen, die nicht mit Laserbehandlung versehen waren).

Wirbelstromverluste

Diese Verluste werden durch wechselnde Magnetfelder verursacht, die Wirbelströme in den Kernlaminierungen erzeugen und somit Wärme produzieren.
Diese Verluste können reduziert werden, indem der Kern aus dünnen, isolierten Laminierungen gebaut wird, um Wirbelströme zu verringern. Derzeit machen Wirbelstromverluste in der Regel 30% bis 50% der gesamten Leerlaufverluste aus. Bei Bemühungen zur Steigerung der Effizienz von Verteiltransformatoren wurde der größte Fortschritt bei der Reduzierung dieser Verluste erzielt.
Es gibt auch geringfügige Streu- und Dielektrikverluste im Transformatorkern, die in der Regel weniger als 1% der gesamten Leerlaufverluste ausmachen.

Lastverluste

Diese Verluste werden häufig als Kupferverluste oder Kurzschlussverluste bezeichnet. Lastverluste schwanken je nach Belastungsbedingungen des Transformators.
Lastverluste bestehen aus:

Ohm'sche Wärmeabgabe

Manchmal als Kupferverlust bezeichnet, da es der dominante ohmsche Bestandteil des Lastverlustes ist. Dieser Verlust tritt in den Transformatorwicklungen auf und ist auf den Widerstand des Leiters zurückzuführen.
Die Größe dieser Verluste steigt proportional zum Quadrat des Laststroms und ist auch proportional zum Widerstand der Wicklung. Sie kann durch Erhöhung des Querschnitts des Leiters oder durch Verkürzung der Wicklungslänge reduziert werden. Die Verwendung von Kupfer als Leiter hilft, Gewicht, Größe, Kosten und Widerstand auszugleichen; eine Erhöhung des Leiterdurchmessers innerhalb der Grenzen anderer Designbeschränkungen kann die Verluste weiter reduzieren.

Leiter-Wirbelstromverluste

Wirbelströme, die durch die magnetischen Felder des Wechselstroms verursacht werden, treten auch in den Wicklungen auf. Eine Reduzierung des Querschnitts des Leiters kann die Wirbelströme verringern, weshalb gestrickte Leiter verwendet werden, um den erforderlichen niedrigen Widerstand zu erreichen, während die Wirbelstromverluste kontrolliert werden.

Dies kann vermieden werden, indem ein kontinuierlich transponierter Leiter (CTC) verwendet wird. Bei einem CTC werden die Stränge häufig transponiert, um Flussunterschiede auszugleichen und die Spannung zu gleichmäßigen.