Объяснение потерь в трансформаторе: потери холостого хода и потери под нагрузкой.

Потери энергии холостого хода и потери энергии под нагрузкой в ​​трансформаторе — это две основные формы потерь энергии во время его работы. Ниже приведено подробное объяснение того, как они генерируются, распределяются и рассеиваются внутри трансформатора.

Потери холостого хода возникают, когда первичная обмотка трансформатора пропускает лишь небольшой ток возбуждения в режиме холостого хода. В это время потери в меди пренебрежимо малы, и большая часть потерь происходит в сердечнике, что называется потерями в железе. Потери в железе состоят из гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи. Гистерезисные потери возникают из-за непрерывного переключения магнитных доменов внутри сердечника под воздействием переменного магнитного поля, что приводит к потреблению энергии и выделению тепла. Потери на вихревые токи возникают из-за того, что сам сердечник является проводящим. При воздействии изменяющегося магнитного поля в плоскостях, перпендикулярных линиям магнитного поля, индуцируется электродвижущая сила, образующая замкнутые петли, которые генерируют токи — известные как вихревые токи — которые выделяют тепло из-за сопротивления материала сердечника.

Потери холостого хода в основном сосредоточены в сердечнике, поскольку сердечник является основным компонентом магнитной цепи, и как гистерезисные, так и вихретоковые потери происходят внутри его материала. Кроме того, в первичной обмотке из-за тока холостого хода генерируется небольшое количество потерь меди, но обычно они незначительны. Тепло, выделяемое при потерях холостого хода, рассеивается в основном за счет теплопроводности и излучения от сердечника в окружающую среду. Сердечник контактирует с трансформаторным маслом или воздухом, передавая тепло маслу или воздуху. Затем это тепло отводится за счет естественной конвекции потока масла или воздуха, в конечном итоге рассеиваясь в окружающую среду.

Потери под нагрузкой включают основные потери в меди и дополнительные потери. Основные потери в меди — это потери, обусловленные сопротивлением обмоток при прохождении через них тока нагрузки. Согласно закону Джоуля, при протекании тока через проводник выделяется тепло, а потери мощности пропорциональны квадрату тока. Дополнительные потери включают потери от вихревых токов в обмотках, потери от циркулирующих токов, потери от паразитных токов в конструктивных элементах и ​​т. д., которые пропорциональны квадрату тока и квадрату частоты.

Потери под нагрузкой в ​​основном распределяются в обмотках и сердечнике. Ток нагрузки в обмотках вызывает потери в меди, а в сердечнике также наблюдаются некоторые потери из-за магнитного потока рассеяния, вызванного током нагрузки, хотя эти потери относительно невелики по сравнению с потерями в меди в обмотках. Кроме того, магнитный поток рассеяния, индуцированный током нагрузки, вызывает паразитные потери в металлических конструктивных элементах вне обмоток.

Тепло, выделяемое при потерях нагрузки, частично передается трансформаторному маслу за счет теплопроводности от обмоток, а затем отводится естественной конвекцией или принудительной циркуляцией масла. Другая часть рассеивается в окружающую среду за счет теплопроводности и излучения от сердечника и конструктивных элементов. В крупных трансформаторах для повышения эффективности теплоотвода, улучшения эксплуатационной эффективности и надежности трансформатора часто используются методы охлаждения с принудительной циркуляцией масла или аналогичные методы.