トランスの性能を最大限に引き出すコア損失と無負荷損失を理解する

変圧器は、私たちの電気の世界において非常に重要な部品である。あらゆるものに電力を供給する。これには携帯電話の充電器や街全体も含まれる。しかし、変圧器は作動するたびにわずかなエネルギーを浪費していることを知っておく必要があります。この無駄なエネルギーにはコストがかかります。また、変圧器がその仕事をうまくこなすかどうかも変わってきます。この記事では、エネルギー損失の主な種類について学びます。コア損失と呼ばれるものです。無負荷損失とも呼ばれます。これらの損失を理解すれば、なぜ正しい変圧器を選ぶことが重要なのかがわかるでしょう。それは、エネルギーを節約し、物事をより良く機能させるのに役立ちます。トランスの損失について学び始めましょう。

トランスフォーマーとは何か？

トランスは単純な機械だが、非常に強力だ。ある電圧レベルから別の電圧レベルに電気を変えます。例えば、電柱にある大きな変圧器は、高電圧を家庭用の低い安全な電圧に変えることができます。すべての変圧器には、少なくとも2組のワイヤーが内蔵されています。これらは巻線またはコイルと呼ばれます。最初のセットは一次巻線で、電力を取り込みます。もう1組は2次巻線で、電力を送り出します。これらのワイヤーは、多くの場合、トランス・コアと呼ばれる鉄の部品に巻き付けられています。

変圧器の動作は完全ではない。電気が変圧器を通過するとき、いくらかのエネルギーが失われる。こうした変圧器の損失は熱となる。手をこすり合わせるようなものだ。摩擦で温かくなります。作動中の変圧器も熱を発生します。この熱損失は無駄なエネルギーです。このエネルギー損失がなぜ起こるのかを理解すれば、より優れた変圧器を作ることができる。その変圧器はより効率的なものになる。ある種の損失は常に起こります。その他の損失は、電気の使用量に応じて変化する。このため、これらの損失を処理することは変圧器設計の非常に重要な部分です。

トランスの損失には種類がある？

トランスの損失にはさまざまな種類があります。大きく2つのグループに分けることができる。ひとつはコアロスで、無負荷損とも呼ばれます。もうひとつは負荷損失で、銅損とも呼ばれます。両者の主な違いは いつ 彼らは起こる。コアロスは常に存在する。トランスが通電しているときはいつでも発生します。これはトランスが何も給電していなくても同じです。しかし、負荷損失は違います。変圧器に負荷がかかっているときだけ発生します。

負荷損失は巻線の銅線から生じる。このワイヤーは電気の流れに抵抗する。電流は一次巻線と二次巻線を通過する。導体材料はこの電流の流れに抵抗します。抵抗のために熱が発生します。電流が多く流れると、負荷損失が大きくなります。人はこれを銅損と呼ぶことがある。巻線部分が銅でできているからです。この抵抗による損失は非常に速く大きくなります。これは負荷電流の2乗に基づいている。例えば、負荷電流が2倍になれば、銅損は4倍になります。

トランスのコアロスとは？

コアロスとは、トランスの磁気コア内部で発生するエネルギー損失のことである。これは交番磁界のために起こります。トランスは、その仕事をするためにこの磁場を必要とします。交流電流が一次コイルを流れます。これにより、コア材の磁束が変化します。この磁束の変化により、トランスはエネルギーを移動させます。一次巻線から二次巻線へとエネルギーを移動させるのです。しかし、この同じ作用によってトランスはエネルギーを失う。失われるエネルギーは、コア内部で熱に変わります。

これらの損失の主な原因は2つある。ヒステリシスと渦電流である。ヒステリシス損失と渦電流損失を合わせて、私たちはヒステリシス損失と渦電流損失と呼んでいます。トランスがオンであれば、これらの電力損失は常に存在します。電圧が常に変化する磁界を作っているからです。トランスを使ってランプに電力を供給しているかどうかに違いはありません。損失は常に発生する。そのため、コア損失をコントロールすることがトランスの効率にとって大きな意味を持つのです。もし変圧器が昼も夜も点灯していたら、この損失のためにずっとエネルギーを浪費することになります。

なぜ人々はコア・ロスを「ノーロード・ロス」と呼ぶのか？

ノーロード・ロス」という名称は、このロスがどのような場合に発生するのかを理解するのに役立つ。無負荷でも損失が発生するため、このような名前が付けられた。負荷とは、二次巻線に接続されているものです。負荷」とは、変圧器から電力を使用するあらゆるものを指す。例えば、電球、モーター、コンピューターなどです。何も接続されていなくても、トランスには小さな一次電流が流れます。この電流は、コア内部の磁束を作るために必要です。

このわずかな電流が、トランスのコアを動作可能な状態に保つ。コアを磁化状態に保つのです。この作業に使われるエネルギーが、無負荷損失と呼ばれるものです。この動作は、トランスがオンになっている間は常に起こります。そのため、損失が変化することはありません。デバイスに流れる負荷電流の量は、コア損失には影響しません。つまり、トランスが一生懸命働いていても、まったく何もしていなくても（無負荷）、コアロスは変わりません。これは負荷損失とは大きく異なります。無負荷の場合、負荷損失はゼロです。

トランスコアにヒステリシス損失が発生するのはなぜか？

ヒステリシス損失はコア損失の一部です。これをイメージする良い方法は、磁性コア材の内部に小さな磁石がたくさんあると考えることです。一次コイルの交流電流は一方向に流れます。これにより、小さな磁石が一列に並ぶ。次に、電流が切り替わって反対方向に流れます。今度は、それらの小さな磁石がすべて反転し、新しい方向に並ばなければならない。これが何度も何度も、非常に速く繰り返される。コアの材料は、このような速い変化と戦います。この戦いをヒステリシスと呼ぶ。

この「磁気摩擦」（ヒステリシス）はエネルギーを消費する。小さな磁石を反転させ続けるために必要なエネルギーは熱に変わる。この熱損失がヒステリシス損失です。ヒステリシスによる損失量は、コアに使用されている材料の種類によって異なります。ある材料は他の材料よりも「摩擦」が少ない。トランスの場合、メーカーはヒステリシスの小さい磁心材を選びます。その好例がケイ素鋼です。この選択は、この種のエネルギー散逸を最小限に抑えるのに役立ちます。磁気方向の絶え間ない変化がこの損失を引き起こす。

変圧器における渦電流によるエネルギーの浪費とは？

コア損失のもう1つは渦電流損失と呼ばれるものです。トランスのコアで変化する磁界は、1つだけではありません。二次コイルに電圧を発生させます。しかし、鉄心自体の内部にも電圧を発生させます。コアは導電性材料です。そのため、この電圧はコア内部に小さな円の電流を流します。これらの不要な誘導電流を渦電流と呼んでいます。

この小さな電流の流れがコアの中を移動する。コアの素材は電気に対してある程度の抵抗を持っている。このため、渦電流は熱を発生させる。これは、電流が銅巻線を通過して銅損を作るのとよく似ている。これらの電流によって熱として放散されるエネルギーが渦電流損です。このエネルギー損失は、電流の変化の速さと磁束の強さに正比例します。磁束が強ければ強いほど大きな磁力が生じます。これはより大きな渦電流を誘発する。

トランスの渦電流損失を下げることは可能か？

はい、コア損失を低減できます。特に、スマートなトランス設計によって渦電流損失を下げることができます。その最良の方法は、渦電流を流れにくくすることです。私たちは、大きくて固い金属片が大きな渦電流を発生させることを知っています。そこで、建設業者は鉄の固まりを使う代わりに、次のようなものを作る。 ラミネートコアからのトランスコア.つまり、コアは非常に薄い鋼板でできている。これらのシートはラミネーションと呼ばれる。

それぞれの薄いシート（ラミネート）には特殊なコーティングが施されている。このコーティングは電気を通さない壁の役割を果たす。電流があるラミネーションから次のラミネーションに飛び移るのは非常に難しい。これにより、渦電流が辿ろうとする大きな円形の経路が分断される。電流はそれぞれの薄いシートの内側で小さな円を描くようにしか流れない。これにより、渦電流と呼ばれるはるかに弱い渦が発生する。この方法により、渦電流の総損失は大幅に減少する。ラミネートコアを使用することは、渦電流による損失を最小限に抑え、トランスの効率を高める通常の方法です。渦電流の流れを抑えるためにコアをラミネートします。

コア材によってトランスの効率はどう変わるのか？

コア材はトランスの性能にとって非常に大きな問題である。また、トランスの効率にも影響します。優れたコア材は、2つのことをうまく行う必要がある。まず、磁化と磁化解除が容易であること。これはヒステリシス損失を最小限に抑えるのに役立ちます。ヒステリシスの小さい材料は、変化する磁場とあまり戦わない。これはエネルギーの無駄が少ないことを意味する。珪素鋼は優れた磁気能力を持ち、ヒステリシスが小さいため、多く使用されています。

第二に、コア材は電気抵抗が高いことが望ましい。これは渦電流の損失を最小限に抑えるのに役立つ。抵抗が高ければ、電圧が同じでも渦電流が流れにくくなる。鉄にケイ素を入れると抵抗が高くなる。これもトランスに最適な理由です。ラミネートの厚さも一役買っている。ラミネートを薄くすれば、渦電流をさらに抑えることができます。主な目標は、強力な磁束を扱うことができ、かつヒステリシスと渦損失が可能な限り小さい材料を選ぶことです。

コアロスはトランスの動作にどう影響するか？

コアロスはトランスの動作に実際に影響を与える。これらの損失は常に発生しています。変圧器が作動している限り、常にエネルギーを浪費しているのです。この無駄なエネルギーは熱となります。この熱は変圧器を温めます。トランスが熱くなりすぎると、巻線の絶縁が損傷します。そのため、トランスの寿命が短くなる可能性があります。そのため、コア損失による熱を制御する必要があります。そのためには、しばしば冷却システムが必要になる。

さらに、コア損失はトランス効率を低下させる。トランスの効率は、投入された電力のうちどれだけが有用な電力として出てくるかを示す。熱として失われる電力はすべて、電力を供給するはずの機器に届かない電力です。変圧器の全寿命にわたって、この安定したエネルギー損失は莫大なコストになります。これは、何年にもわたって使用される巨大な電力変圧器では非常に顕著です。より良い電圧調整と高効率は、損失が少ないことから生まれます。そのため、電力会社はコアロスの少ない高効率変圧器により多くの費用を支払うのです。

トランスのコアロスを低減する最も賢い方法とは？

コアの損失を減らしてトランスの性能を向上させるために、メーカーは2つの重要なことに取り組んでいる。コアの材料とコアの作り方に注目するのである。ヒステリシス損失と渦電流損失の両方を解決することである。最初のステップは、高品質のコア材を使うことだ。ヒステリシスが非常に小さくなるように作られた特殊なタイプのケイ素鋼がある。新しいトランスの中には、アモルファス金属コアを使用したモデルもあります。これらはヒステリシス損失がさらに低くなっています。

渦電流損失と戦うには、ラミネートコアを使うのが最良の解決策である。ラミネートはできる限り薄くする必要がある。また、それぞれのコアは、他のコアから絶縁するために良いコーティングが必要です。最高品質の薄型ラミネートコアを備えたよくできたトランスは、コア損失が非常に低くなります。トランスを選ぶ際には、無負荷損失の数値をチェックしてください。数値が低ければ低いほど、無駄なエネルギーが減り、長期的なランニングコストが安くなります。これはエネルギー使用の削減に役立ちます。

覚えておくべきこと

ここでは、トランスのコア損失に関する最も重要な考え方を簡単に列挙する：

• 変圧器には、コアロス（無負荷損失）とロードロス（銅損）の2つの大きな損失があります。
• 何も接続されていなくても、トランスに電力が供給されている限り、コアロスは常に発生している。
• これらの損失は、トランスのコアにある2つのもの、すなわちヒステリシス損失と渦電流損失によって引き起こされる。
• ヒステリシス損失とは、コア材の磁場が変化するために起こる磁気摩擦のようなものである。
• 渦電流損失は、コアに生じる小さな不要な電流の輪から生じ、これが熱につながる。
• ケイ素鋼のような特殊な材料を使うことで、ヒステリシスロスを最小限に抑えることができる。
• ラミネートと呼ばれる薄い絶縁シートからコアを作ることで、渦電流損失を最小限に抑えることができる。
• コアロスの低減は、トランスの効率向上、無駄な熱の低減、電気代の低減につながる。