変圧器の効率

トランスの効率について

トランスは供給システムと負荷との間で最も重要なリンクを形成しています。トランスの効率は直接その性能と劣化に影響を与えます。一般的には、トランスの効率は95％から99％の範囲内です。損失が非常に少ない大容量パワートランスでは、効率は99.7％まで達することがあります。トランスの入力と出力の測定は負荷条件下で行われず、ワットメータの読み取りには必ず1〜2％の誤差が生じます。したがって、効率計算の目的では、OCおよびSCテストを使用して、トランスの評価されたコア損失と巻線損失を計算します。コア損失はトランスの評価電圧に依存し、銅損失はトランスの一次巻線および二次巻線を通る電流に依存します。したがって、トランスの効率は一定の電圧および周波数条件下での動作において重要です。熱によって発生するトランスの温度上昇は、トランス油の特性の寿命に影響を与え、採用される冷却方法の種類を決定します。温度上昇は設備の定格を制限します。トランスの効率は単純に以下のように与えられます：

• 出力電力は、評価された負荷（ボルトアンペア）の分数と負荷の電力係数の積です。

• 損失は、巻線内の銅損失＋鉄損失＋誘電体損失＋漏れ負荷損失の合計です。

• 鉄損失には、トランスの磁心内部の磁束密度に依存するヒステリシス損失と渦電流損失が含まれます。数学的には、
  ヒステリシス損失：
  
  渦電流損失 :
  
  ここで、khとkeは定数、Bmaxは最大磁場密度、fはソース周波数、tはコアの厚さです。ヒステリシス損失の指数'n'はスタインメッツ定数と呼ばれ、その値は約2です。
  

• 誘電体損失はトランスオイル内で発生します。低電圧トランスでは無視できます。

• 漏れ磁束は金属フレームやタンクなどにリンクし、渦電流を生成し、トランス全体に存在するため、漏れ損失と呼ばれ、負荷電流に依存するため「漏れ負荷損失」と呼ばれます。これはリークリアクタンスに直列に接続された抵抗として表現できます。

トランスの効率計算

一次側に参照されたトランスの等価回路を以下に示します。ここではRcはコア損失を表します。ショートサーキット（SC）テストを使用して、銅損失を考慮に入れた等価抵抗を見つけることができます。

評価または定格負荷‘S’（VA）のx%を定義し、Pcufl（ワット）を定格銅損失とし、cosθを負荷の電力係数とします。また、Pi（ワット）をコア損失として定義します。銅損失と鉄損失はトランスにおける主要な損失であるため、効率を計算する際にはこれらの2つのタイプの損失のみが考慮されます。すると、トランスの効率は以下のようになります：

ここで、x2Pcufl = 任意の負荷x%における銅損失(Pcu)。
最大効率（ηmax）は、変動損失が定常損失と等しいときに発生します。銅損失は負荷に依存するため、変動損失量となります。一方、コア損失は定常量とみなされます。したがって、最大効率の条件は次の通りです：

これにより、最大効率は次のように記述できます：

これは、定常損失と変動損失の適切な選択により、全負荷で最大効率を得ることができるということを示しています。しかし、銅損失が固定コア損失よりもはるかに大きいため、最大効率を得ることは困難です。
負荷に対する効率の変動は以下の図で示すことができます：

図から、最大効率は電力係数が1のときに発生することを見ることができます。また、最大効率は負荷の電力係数に関係なく同じ負荷条件下で発生します。

トランスの一日効率

これは配電トランスに対して計算されるエネルギーに基づく効率です。パワートランスとは異なり、配電トランスの負荷は24時間連続的に変動します。コア損失は負荷に依存しないため、一日効率は銅損失に依存します。これを24時間周期での出力エネルギーと入力エネルギーの比として定義します。高いエネルギー効率は、コア損失が磁束