Erzielen Sie die beste Transformatorleistung: Kernverluste und Leerlaufverluste verstehen

Ein Transformator ist ein sehr wichtiger Bestandteil unserer elektrischen Welt. Er versorgt alles mit Strom. Dazu gehören Ihr Telefonladegerät und sogar ganze Städte. Aber Sie sollten wissen, dass ein Transformator jedes Mal, wenn er arbeitet, eine kleine Menge Energie verschwendet. Diese verschwendete Energie kostet Geld. Sie kann auch dazu führen, dass der Transformator seine Aufgabe nicht mehr so gut erfüllt. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über eine der wichtigsten Arten von Energieverlusten. Er wird Kernverluste genannt. Man nennt sie auch Leerlaufverluste. Wenn Sie diese Verluste verstehen, wird Ihnen klar, warum die Wahl des richtigen Transformators so wichtig ist. Er hilft, Energie zu sparen und sorgt dafür, dass die Dinge besser funktionieren. Beginnen wir damit, etwas über Transformatorverluste zu lernen.

Was ist ein Transformator und warum sind seine Verluste so wichtig?

Ein Transformator ist ein einfaches Gerät, das aber sehr leistungsfähig ist. Er wandelt Strom von einer Spannungsebene in eine andere um. Ein großer Transformator an einem Strommast kann zum Beispiel Hochspannung in eine niedrigere, sicherere Spannung für Ihr Haus umwandeln. Jeder Transformator hat mindestens zwei Sätze von Drähten im Inneren. Diese werden als Wicklung oder Spule bezeichnet. Der erste Satz ist die Primärwicklung, die den Strom aufnimmt. Der zweite Satz ist die Sekundärwicklung, die den Strom nach außen abgibt. Diese Drähte sind meist um ein Eisenteil gewickelt, das als Transformatorkern bezeichnet wird.

Die Funktionsweise eines Transformators ist nicht perfekt. Wenn Strom durch den Transformator fließt, geht etwas Energie verloren. Diese Transformatorverluste werden zu Wärme. Das ist so, als würden Sie Ihre Hände aneinander reiben. Durch die Reibung werden sie warm. Ein Transformator, der in Betrieb ist, erzeugt auch Wärme. Dieser Wärmeverlust ist Energie, die verschwendet wird. Wenn wir verstehen, warum dieser Energieverlust auftritt, können wir bessere Transformatoren herstellen. Diese Transformatoren werden effizienter sein. Bestimmte Verluste treten immer auf. Andere Verluste hängen davon ab, wie viel Strom verbraucht wird. Aus diesem Grund ist der Umgang mit diesen Verlusten ein sehr wichtiger Teil der Transformatorenkonstruktion.

Gibt es verschiedene Arten von Transformatorverlusten?

Nein, es gibt verschiedene Arten von Transformatorverlusten. Wir können sie in zwei große Gruppen einteilen. Die erste Gruppe sind die Kernverluste, die auch als Leerlaufverluste bezeichnet werden. Die zweite Gruppe sind die Lastverluste, die auch als Kupferverluste bezeichnet werden. Sie unterscheiden sich vor allem in folgenden Punkten wenn sie passieren. Kernverluste sind immer vorhanden. Sie treten immer dann auf, wenn der Transformator mit Strom versorgt wird. Das gilt auch dann, wenn der Transformator nichts mit Strom versorgt. Anders verhält es sich mit Lastverlusten. Sie treten nur auf, wenn der Transformator belastet ist.

Lastverluste entstehen durch den Kupferdraht in der Wicklung. Dieser Draht widersteht dem Stromfluss. Ein elektrischer Strom fließt durch die Primär- und Sekundärwicklungen. Das Leitermaterial wehrt sich gegen diesen Stromfluss. Aufgrund des Widerstands erzeugt es Wärme. Wenn mehr Strom fließt, werden die Lastverluste größer. Manchmal wird dies als Kupferverlust bezeichnet. Das liegt daran, dass die Wicklungsteile aus Kupfer bestehen. Die Höhe dieses Verlusts aufgrund des Widerstands wird sehr schnell größer. Er basiert auf dem Quadrat des Laststroms. Wenn sich beispielsweise der Laststrom verdoppelt, wird der Kupferverlust viermal so groß.

Was sind Transformatorenkernverluste wirklich?

Kernverluste sind die Energieverluste, die im Magnetkern eines Transformators auftreten. Dies geschieht aufgrund des magnetischen Wechselfeldes. Ein Transformator braucht dieses Feld, um seine Aufgabe zu erfüllen. Ein Wechselstrom fließt durch die Primärspule. Dadurch ändert sich der magnetische Fluss im Kernmaterial. Durch diesen wechselnden Fluss kann der Transformator Energie bewegen. Er transportiert sie von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung. Durch den gleichen Vorgang verliert der Transformator aber auch Energie. Diese Energie, die verloren geht, verwandelt sich in Wärme im Inneren des Kerns.

Für diese Verluste gibt es zwei Hauptgründe. Es sind die Hysterese und der Wirbelstrom. Wir nennen sie Hysterese- und Wirbelstromverluste, wenn wir über sie zusammen sprechen. Diese Leistungsverluste sind immer vorhanden, wenn der Transformator eingeschaltet ist. Das liegt daran, dass die Spannung immer ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Es macht keinen Unterschied, ob Sie den Transformator zum Betreiben einer Lampe verwenden oder nicht. Der Verlust tritt immer auf. Aus diesem Grund ist die Kontrolle der Kernverluste für die Effizienz eines Transformators von großer Bedeutung. Wenn ein Transformator den ganzen Tag und die ganze Nacht in Betrieb ist, verschwendet er wegen dieser Verluste die ganze Zeit Energie.

Warum nennt man Kernverluste "No-Load-Verluste"?

Der Name "Leerlaufverluste" hilft uns zu verstehen, wann dieser Verlust auftritt. Er wird so genannt, weil der Verlust auch im Leerlauf auftritt. Eine Last ist etwas, das an die Sekundärwicklung angeschlossen ist. Eine "Last" ist jeder Gegenstand, der Strom vom Transformator verbraucht. Beispiele sind eine Glühbirne, ein Motor oder ein Computer. Auch wenn nichts angeschlossen ist, fließt immer noch ein kleiner Primärstrom in den Transformator. Dieser Strom wird benötigt, um den magnetischen Fluss im Inneren des Kerns zu erzeugen.

Diese geringe Stromstärke hält den Kern des Transformators betriebsbereit. Er hält den Kern in einem Zustand der Magnetisierung. Die Energie, die er für diese Aufgabe verwendet, nennen wir Leerlaufverluste. Dieser Vorgang findet ständig statt, wenn der Transformator eingeschaltet ist. Der Verlust ändert sich also nie. Die Höhe des Laststroms, der zu einem Gerät fließt, hat keinen Einfluss auf die Kernverluste. Der Kernverlust bleibt also gleich, wenn der Transformator hart arbeitet oder überhaupt nichts tut (Leerlauf). Dies ist ein großer Unterschied zu den Lastverlusten. Lastverluste sind gleich Null, wenn keine Last vorhanden ist.

Wie kommt es zum Hystereseverlust in einem Transformatorkern?

Der Hystereseverlust ist ein Teil der Kernverluste. Man kann sich das gut vorstellen, wenn man sich das magnetische Kernmaterial mit vielen kleinen Magneten darin vorstellt. Der Wechselstrom in der Primärspule fließt in eine Richtung. Dadurch richten sich die kleinen Magnete aus. Dann wechselt der Strom und fließt in die andere Richtung. Nun müssen sich all diese winzigen Magnete umdrehen und sich in der neuen Richtung ausrichten. Dies geschieht immer wieder, und zwar sehr schnell. Das Kernmaterial kämpft gegen diese schnellen Veränderungen an. Diesen Kampf nennt man Hysterese.

Diese "magnetische Reibung", auch Hysterese genannt, verbraucht Energie. Die Energie, die nötig ist, um die winzigen Magnete immer wieder umzulegen, wird in Wärme umgewandelt. Dieser Wärmeverlust ist der Hystereseverlust. Wie hoch der Hystereseverlust ist, hängt von der Art des für den Kern verwendeten Materials ab. Einige Materialien haben weniger "Reibung" als andere. Für einen Transformator wählen die Konstrukteure ein Magnetkernmaterial mit geringer Hysterese. Ein gutes Beispiel dafür ist Siliziumstahl. Diese Wahl trägt dazu bei, diese Art von Energiedissipation zu minimieren. Die ständigen Änderungen der magnetischen Richtung verursachen diesen Verlust.

Wie verschwenden Wirbelströme in einem Transformator Energie?

Der andere Teil der Kernverluste wird als Wirbelstromverlust bezeichnet. Das sich ändernde Magnetfeld im Kern des Transformators bewirkt mehr als nur eine Sache. Es erzeugt eine Spannung in der Sekundärspule. Aber es erzeugt auch eine Spannung im Eisenkern selbst. Der Kern ist ein leitendes Material. Diese Spannung führt also dazu, dass im Kern kleine Stromkreise fließen. Wir nennen diese unerwünschten induzierten Ströme Wirbelströme.

Diese kleinen Kreise des Stromflusses bewegen sich durch den Kern. Das Kernmaterial hat einen gewissen Widerstand gegen Elektrizität. Aus diesem Grund erzeugt der Wirbelstrom Wärme. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Strom durch eine Kupferwicklung fließt und Kupferverluste verursacht. Die Energie, die durch diese Ströme als Wärme abgeführt wird, ist der Wirbelstromverlust. Dieser Energieverlust ist direkt proportional dazu, wie schnell sich der Strom ändert und wie stark der magnetische Fluss ist. Ein stärkerer Fluss erzeugt eine größere magnetische Kraft. Dadurch wird ein größerer Wirbelstrom induziert.

Ist es möglich, den Wirbelstromverlust in einem Transformator zu verringern?

Ja, wir können Kernverluste reduzieren. Wir können insbesondere die Wirbelstromverluste durch eine intelligente Transformatorenkonstruktion verringern. Das geht am besten, indem man es den Wirbelströmen erschwert, zu fließen. Wir wissen, dass ein großes, massives Stück Metall einen großen Wirbelstrom entstehen lässt. Anstatt einen massiven Eisenblock zu verwenden, fertigen die Konstrukteure daher den Transformatorenkern aus einem laminierten Kern. Das bedeutet, dass der Kern aus vielen sehr dünnen Stahlblechen besteht. Diese Bleche nennt man eine Laminierung.

Jede dünne Folie, oder Laminierung, ist mit einer speziellen Beschichtung versehen. Diese Beschichtung wirkt wie eine Wand, die den Strom nicht durchlässt. Es ist sehr schwierig für den Strom, von einer Schicht zur nächsten zu springen. Dadurch werden die großen kreisförmigen Bahnen, denen ein Wirbelstrom folgen möchte, unterbrochen. Der Strom kann nur in kleinen Kreisen innerhalb jeder dünnen Folie fließen. Dadurch entstehen viel schwächere Wirbelströme, die als Wirbelströme bezeichnet werden. Diese Methode senkt den Gesamtverlust durch Wirbelströme erheblich. Die Verwendung eines laminierten Kerns ist die übliche Methode, um die durch Wirbelströme verursachten Verluste zu minimieren und den Wirkungsgrad des Transformators zu erhöhen. Wir laminieren den Kern, um den Wirbelstromfluss zu reduzieren.

Wie verändert das Kernmaterial den Wirkungsgrad eines Transformators?

Das Kernmaterial ist für die Leistung eines Transformators von großer Bedeutung. Es beeinflusst auch die Effizienz von Transformatoren. Ein gutes Kernmaterial muss zwei Dinge gut können. Erstens sollte es sich leicht magnetisieren und wieder entmagnetisieren lassen. Dies trägt dazu bei, den Hystereseverlust zu minimieren. Materialien mit geringer Hysterese kämpfen nicht so sehr gegen das sich ändernde Magnetfeld an. Das bedeutet weniger Energieverschwendung. Siliziumstahl wird häufig verwendet, da er große magnetische Fähigkeiten und eine geringe Hysterese aufweist.

Zweitens sollte das Kernmaterial einen hohen Widerstand gegen Elektrizität aufweisen. Dies trägt dazu bei, die Wirbelstromverluste zu minimieren. Je höher der Widerstand ist, desto schwieriger ist es für den Wirbelstrom, zu fließen, auch wenn die Spannung gleich bleibt. Durch die Beimischung von Silizium in Stahl wird der Widerstand erhöht. Dies ist ein weiterer Grund, warum sich Stahl hervorragend für einen Transformator eignet. Auch die Dicke des Blechs spielt eine Rolle. Eine dünnere Laminierung trägt dazu bei, die Wirbelströme noch weiter zu reduzieren. Das Hauptziel besteht darin, ein Material zu wählen, das einen starken magnetischen Fluss bewältigen kann, aber die geringstmöglichen Hysterese- und Wirbelstromverluste aufweist.

Wie wirken sich die Kernverluste auf die Funktionsweise eines Transformators aus?

Kernverluste haben einen realen Einfluss auf den Betrieb eines Transformators. Diese Verluste treten immer auf. Sie sind ein ständiger Energieverlust, solange der Transformator in Betrieb ist. Diese verschwendete Energie wird zu Wärme. Diese Wärme macht den Transformator wärmer. Wenn ein Transformator zu heiß wird, kann die Isolierung der Wicklung beschädigt werden. Dies kann dazu führen, dass der Transformator nicht mehr so lange hält. Daher muss die Wärme aus den Kernverlusten kontrolliert werden. Dazu sind oft Kühlsysteme erforderlich.

Mehr noch, die Kernverluste senken den Wirkungsgrad des Transformators. Der Wirkungsgrad eines Transformators gibt an, wie viel der zugeführten Leistung als Nutzleistung ankommt. Jedes bisschen Energie, das als Wärme verloren geht, ist Energie, die nicht das Gerät erreicht, das sie versorgen soll. Während der gesamten Lebensdauer eines Transformators kann dieser ständige Energieverlust viel Geld kosten. Dies gilt besonders für große Leistungstransformatoren, die viele Jahre lang in Betrieb sind. Eine bessere Spannungsregulierung und ein hoher Wirkungsgrad ergeben sich aus geringeren Verlusten. Aus diesem Grund zahlen Energieversorgungsunternehmen mehr für einen hocheffizienten Transformator mit geringen Kernverlusten.

Wie lassen sich die Kernverluste in einem Transformator am besten verringern?

Um die Kernverluste zu verringern und die Leistung eines Transformators zu verbessern, arbeiten die Konstrukteure an zwei wichtigen Dingen. Sie konzentrieren sich auf das Kernmaterial und die Art und Weise, wie der Kern aufgebaut ist. Es geht darum, sowohl die Hystereseverluste als auch die Wirbelstromverluste zu beheben. Der erste Schritt ist die Verwendung eines hochwertigen Kernmaterials. Es gibt spezielle Arten von Siliziumstahl, die eine sehr geringe Hysterese aufweisen. Einige neue Transformatorenmodelle verwenden sogar amorphe Metallkerne. Diese weisen noch geringere Hystereseverluste auf.

Um Wirbelstromverluste zu vermeiden, ist die Verwendung eines laminierten Kerns die beste Lösung. Die Lamellen sollten so dünn wie möglich sein. Außerdem muss jedes einzelne eine gute Beschichtung aufweisen, um es von den anderen zu isolieren. Ein gut gefertigter Transformator mit einem hochwertigen, dünnschichtigen Kern hat sehr geringe Kernverluste. Achten Sie bei der Auswahl eines Transformators auf dessen Leerlaufverluste. Eine niedrigere Zahl bedeutet weniger Energieverschwendung und im Laufe der Zeit niedrigere Betriebskosten. Dies trägt zur Senkung des Energieverbrauchs bei.

Das Wichtigste zur Erinnerung

Hier ist eine kurze Liste der wichtigsten Ideen über Transformatorenkernverluste:

• Ein Transformator hat zwei große Arten von Verlusten: Kernverluste (die Leerlaufverluste) und Lastverluste (die Kupferverluste).
• Kernverluste treten immer auf, solange der Transformator mit Strom versorgt wird, auch wenn nichts an ihn angeschlossen ist.
• Diese Verluste werden durch zwei Dinge im Transformatorkern verursacht: Hystereseverlust und Wirbelstromverlust.
• Der Hystereseverlust ist eine Art magnetische Reibung, die durch das sich ändernde Magnetfeld im Kernmaterial entsteht.
• Wirbelstromverluste entstehen durch kleine, unerwünschte Stromkreise, die im Kern erzeugt werden und zu Wärme führen.
• Wir können den Hystereseverlust durch die Verwendung spezieller Materialien wie Siliziumstahl minimieren.
• Wir können die Wirbelstromverluste minimieren, indem wir den Kern aus dünnen, isolierten Blechen, so genannten Laminaten, herstellen.
• Geringere Kernverluste führen zu einem besseren Wirkungsgrad des Transformators, weniger Abwärme und niedrigeren Stromrechnungen.