Krijg de beste transformatorprestaties: Kernverliezen en nullastverliezen begrijpen

Een transformator is een heel belangrijk onderdeel van onze elektrische wereld. Hij voorziet alles van stroom. Dit geldt ook voor de oplader van je telefoon en zelfs voor hele steden. Maar je moet weten dat een transformator een kleine hoeveelheid energie verspilt telkens hij werkt. Deze verspilde energie kost geld. Het kan ook veranderen hoe goed de transformator zijn werk doet. In dit artikel leer je meer over een belangrijke vorm van energieverlies. Dit wordt kernverlies genoemd. Men noemt het ook wel nullastverliezen. Als je deze verliezen begrijpt, zul je zien waarom het kiezen van de juiste transformator belangrijk is. Het helpt energie te besparen en zorgt ervoor dat dingen beter werken. Laten we beginnen met meer te leren over transformatorverliezen.

Wat is een transformator en waarom zijn verliezen zo belangrijk?

Een transformator is een eenvoudige machine, maar hij is erg krachtig. Hij verandert elektriciteit van het ene spanningsniveau in een ander spanningsniveau. Een grote transformator op een elektriciteitspaal kan bijvoorbeeld een hoog voltage omzetten in een lager, veiliger voltage voor je huis. Elke transformator heeft minstens twee sets draden binnenin. Deze worden een wikkeling of spoel genoemd. De eerste set is de primaire wikkeling, die de stroom aanneemt. De tweede set is de secundaire wikkeling, die stroom naar buiten stuurt. Deze draden zijn meestal gewikkeld rond een ijzeren onderdeel dat de transformatorkern wordt genoemd.

De werking van een transformator is niet perfect. Er gaat wat energie verloren wanneer elektriciteit door de transformator gaat. Deze transformatorverliezen worden warmte. Het is alsof je je handen tegen elkaar wrijft. Ze worden warm door wrijving. Een transformator die werkt, genereert ook warmte. Dit warmteverlies is energie die verloren gaat. Als we begrijpen waarom dit energieverlies optreedt, kunnen we betere transformatoren maken. Deze transformatoren zullen efficiënter zijn. Bepaalde verliezen treden altijd op. Andere verliezen veranderen afhankelijk van de hoeveelheid elektriciteit die wordt gebruikt. Daarom is het omgaan met deze verliezen een zeer belangrijk onderdeel van het transformatorontwerp.

Zijn er verschillende soorten transformatorverliezen?

Nee, er zijn verschillende soorten transformatorverliezen. We kunnen ze indelen in twee grote groepen. De eerste zijn kernverliezen, ook wel nullastverliezen genoemd. De tweede zijn belastingsverliezen, ook wel koperverlies genoemd. De belangrijkste manier waarop ze verschillen is wanneer ze gebeuren. Kernverliezen zijn er altijd. Ze treden altijd op wanneer de transformator onder spanning staat. Dit geldt zelfs als de transformator niets van stroom voorziet. Maar belastingsverliezen zijn anders. Deze treden alleen op wanneer de transformator belast wordt.

Belastingverliezen komen van de koperdraad in de wikkeling. Deze draad biedt weerstand tegen de stroom. Door de primaire en secundaire wikkelingen loopt een elektrische stroom. Het materiaal van de geleider gaat deze stroom tegen. Door de weerstand genereert het warmte. Wanneer er meer stroom vloeit, worden de belastingsverliezen groter. Dit wordt ook wel koperverlies genoemd. Dit komt omdat de wikkelingsdelen van koper zijn gemaakt. Het verlies als gevolg van de weerstand wordt heel snel groter. Het is gebaseerd op het kwadraat van de belastingsstroom. Als de belastingsstroom bijvoorbeeld verdubbelt, wordt het koperverlies vier keer zo groot.

Wat zijn transformatorkernverliezen eigenlijk?

Kernverliezen zijn de energieverliezen die optreden in de magnetische kern van een transformator. Dit gebeurt door het wisselende magnetische veld. Een transformator heeft dit veld nodig om zijn werk te doen. Er gaat een wisselstroom door de primaire spoel. Dit veroorzaakt een veranderende magnetische flux in het kernmateriaal. Door deze veranderende flux kan de transformator energie verplaatsen. Hij verplaatst energie van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling. Maar deze zelfde actie zorgt er ook voor dat de transformator energie verliest. Deze energie die verloren gaat, verandert in warmte binnenin de kern.

Er zijn twee belangrijke redenen voor deze verliezen. Dat zijn hysteresis en wervelstroom. We noemen ze hysteresis- en wervelstroomverliezen als we het er samen over hebben. Deze vermogensverliezen zijn er altijd als de transformator aan staat. Dit komt omdat de spanning altijd dat veranderende magnetische veld maakt. Het maakt niet uit of je de transformator gebruikt om een lamp van stroom te voorzien of niet. Het verlies treedt altijd op. Daarom is het beheersen van kernverliezen van groot belang voor het rendement van een transformator. Als een transformator de hele dag en nacht aanstaat, verspilt hij de hele tijd energie door deze verliezen.

Waarom noemen mensen kernverliezen "verliezen zonder belasting"?

De naam "no-load losses" helpt ons te begrijpen wanneer dit verlies optreedt. Het krijgt deze naam omdat het verlies ook optreedt bij nullast. Een belasting is iets dat op de secundaire wikkeling is aangesloten. Een "belasting" is elk voorwerp dat stroom verbruikt van de transformator. Voorbeelden zijn een gloeilamp, een motor of een computer. Zelfs als er niets is aangesloten, gaat er nog steeds een kleine primaire stroom naar de transformator. Deze stroom is nodig om de magnetische flux in de kern te maken.

Dit kleine beetje stroom zorgt ervoor dat de kern van de transformator klaar is om te werken. Het houdt de kern in een magnetisatietoestand. De energie die hiervoor wordt gebruikt, noemen we nullastverliezen. Deze actie vindt altijd plaats als de transformator aan staat. Het verlies verandert dus nooit. De hoeveelheid belastingsstroom die naar een apparaat gaat, heeft geen invloed op het kernverlies. Het kernverlies blijft dus gelijk als de transformator hard werkt of helemaal niets doet (nullast). Dit is iets heel anders dan belastingsverliezen. Belastingverliezen zijn nul als er geen belasting is.

Waardoor ontstaat hysteresisverlies in een transformatorkern?

Hysteresisverlies is een van de kernverliezen. Een goede manier om je dit voor te stellen is om het magnetische kernmateriaal voor te stellen als een materiaal met een heleboel kleine magneetjes erin. De wisselstroom in de primaire spoel stroomt in één richting. Hierdoor komen de kleine magneetjes op één lijn te liggen. Dan schakelt de stroom om en gaat de andere kant op. Nu moeten al die kleine magneetjes omkeren en zich in de nieuwe richting opstellen. Dit gebeurt keer op keer, heel snel. Het kernmateriaal vecht tegen deze snelle veranderingen. Dit gevecht wordt hysterese genoemd.

Deze "magnetische wrijving" of hysterese verbruikt energie. De energie die het kost om de kleine magneetjes steeds om te draaien, verandert in warmte. Dit warmteverlies is het hysteresisverlies. De hoeveelheid verlies door hysteresis is gebaseerd op het type materiaal dat voor de kern wordt gebruikt. Sommige materialen hebben minder "wrijving" dan andere. Voor een transformator kiezen bouwers een magnetisch kernmateriaal met een lage hysteresis. Een goed voorbeeld is siliciumstaal. Deze keuze helpt om dit type energiedissipatie te minimaliseren. De constante veranderingen in magnetische richting veroorzaken dit verlies.

Hoe verspillen wervelstromen energie in een transformator?

Het andere deel van de kernverliezen wordt wervelstroomverlies genoemd. Het veranderende magnetische veld in de kern van de transformator doet meer dan één ding. Het veroorzaakt een spanning in de secundaire spoel. Maar het veroorzaakt ook een spanning in de ijzeren kern zelf. De kern is een geleidend materiaal. Deze spanning zorgt er dus voor dat er kleine stroomcirkels in de kern lopen. Deze ongewenste geïnduceerde stromen noemen we wervelstromen.

Deze kleine stroomcirkels bewegen door de kern. Het kernmateriaal heeft enige weerstand tegen elektriciteit. Hierdoor genereert de wervelstroom warmte. Dit lijkt veel op de manier waarop stroom door een koperen wikkeling loopt om koperverlies te veroorzaken. De energie die door deze stromen als warmte wordt afgevoerd, is het wervelstroomverlies. Dit energieverlies is recht evenredig met hoe snel de stroom verandert en hoe sterk de magnetische flux is. Een sterkere flux creëert een grotere magnetische kracht. Dit veroorzaakt een grotere wervelstroom.

Is het mogelijk om wervelstroomverlies in een transformator te verlagen?

Ja, we kunnen kernverliezen verminderen. We kunnen wervelstroomverliezen specifiek verlagen met slim transformatorontwerp. De beste manier om dat te doen is het moeilijker maken voor wervelstromen om te stromen. We weten dat een groot, massief stuk metaal een grote wervelstroom laat ontstaan. Dus in plaats van een massief blok ijzer te gebruiken, maken bouwers de transformatorkern van een gelamineerde kern. Dit betekent dat de kern is gemaakt van vele zeer dunne platen staal. Deze platen worden een laminaat genoemd.

Elk dun vel, of laminaat, heeft een speciale coating. Deze coating werkt als een muur die geen elektriciteit doorlaat. Het is erg moeilijk voor de stroom om van de ene laminering naar de volgende te springen. Dit verbreekt de grote cirkelvormige paden die een wervelstroom wil volgen. De stroom kan alleen in kleine cirkels binnen elke dunne laag stromen. Dit creëert veel zwakkere wervelstromen, die wervelstromen worden genoemd. Deze methode verlaagt het totale wervelstroomverlies aanzienlijk. Het gebruik van een gelamineerde kern is de normale manier om wervelstroomverliezen te minimaliseren en het rendement van transformatoren te verbeteren. We lamineren de kern om de wervelstroom te verminderen.

Hoe verandert het materiaal van de kern de efficiëntie van een transformator?

Het kernmateriaal is van groot belang voor de prestaties van transformatoren. Het beïnvloedt ook het rendement van transformatoren. Een goed kernmateriaal moet twee dingen goed doen. Ten eerste moet het gemakkelijk te magnetiseren en weer te demagnetiseren zijn. Dit helpt om hysteresisverlies te minimaliseren. Materialen met een lage hysterese vechten minder tegen het veranderende magnetische veld. Dit betekent minder energieverspilling. Siliciumstaal wordt veel gebruikt omdat het grote magnetische eigenschappen en een lage hysterese heeft.

Ten tweede moet het kernmateriaal een hoge weerstand tegen elektriciteit hebben. Dit helpt wervelstroomverlies te minimaliseren. Als de weerstand hoger is, is het moeilijker voor een wervelstroom om te vloeien, zelfs als de spanning hetzelfde is. Door silicium in staal te stoppen, wordt de weerstand hoger. Dit is nog een reden waarom staal een goede keuze is voor een transformator. De dikte van de laminering speelt ook een rol. Een dunnere laminering helpt wervelstromen nog meer te verminderen. Het belangrijkste doel is om een materiaal te kiezen dat een sterke magnetische flux aankan maar de kleinst mogelijke hysteresis en wervelverliezen heeft.

Hoe beïnvloeden kernverliezen de werking van een transformator?

Kernverliezen hebben een reëel effect op de werking van een transformator. Deze verliezen treden altijd op. Ze zijn een constante energieverspilling zolang de transformator aan staat. Deze verspilde energie wordt warmte. Deze warmte maakt de transformator warmer. Als een transformator te warm wordt, kan de isolatie van de wikkeling beschadigd raken. Hierdoor kan de transformator minder lang meegaan. De warmte van kernverliezen moet dus onder controle worden gehouden. Hiervoor zijn vaak koelsystemen nodig.

Bovendien verlagen kernverliezen het rendement van transformatoren. Transformatorrendement vertelt ons hoeveel van het vermogen dat erin wordt gestopt, eruit komt als bruikbaar vermogen. Elk beetje vermogen dat verloren gaat in de vorm van warmte is vermogen dat niet het apparaat bereikt dat het van stroom moet voorzien. Over de hele levensduur van een transformator kan dit constante energieverlies veel geld kosten. Dit geldt met name voor enorme vermogenstransformatoren die jarenlang in gebruik zijn. Lagere verliezen zorgen voor een betere spanningsregeling en een hoge efficiëntie. Daarom zullen energiebedrijven meer betalen voor een hoogrendementstransformator met lage kernverliezen.

Wat is de slimste manier om kernverliezen in een transformator te verlagen?

Om kernverliezen te verminderen en de prestaties van een transformator te verbeteren, werken bouwers aan twee belangrijke dingen. Ze richten zich op het materiaal van de kern en hoe de kern is opgebouwd. Het idee is om zowel hysteresisverlies als wervelstroomverlies op te lossen. De eerste stap is het gebruik van een hoogwaardig kernmateriaal. Er bestaan speciale soorten siliciumstaal met een zeer lage hysteresis. Sommige nieuwe transformatormodellen gebruiken zelfs amorfe metalen kernen. Deze hebben een nog lager hysteresisverlies.

Om wervelstroomverlies tegen te gaan, is het gebruik van een gelamineerde kern de beste oplossing. De lamellen moeten zo dun mogelijk zijn. Elke kern moet ook een goede coating hebben om hem te isoleren van de andere. Een goed gemaakte transformator met een dunne gelamineerde kern van topkwaliteit zal zeer lage kernverliezen hebben. Wanneer je een transformator kiest, controleer dan de verliescijfers bij nullast. Een lager getal betekent minder energieverspilling en lagere bedrijfskosten na verloop van tijd. Dit helpt het energieverbruik te verminderen.

Belangrijke dingen om te onthouden

Hier volgt een korte lijst met de belangrijkste ideeën over kernverliezen van transformatoren:

• Een transformator heeft twee grote soorten verliezen: kernverliezen (dit zijn nullastverliezen) en belastingsverliezen (dit zijn koperverliezen).
• Kernverliezen treden altijd op zolang de transformator stroom heeft, zelfs als er niets op is aangesloten.
• Deze verliezen worden veroorzaakt door twee dingen in de transformatorkern: hysteresisverlies en wervelstroomverlies.
• Hysteresisverlies is als magnetische wrijving die optreedt door het veranderende magnetische veld in het kernmateriaal.
• Wervelstroomverlies ontstaat door kleine, ongewenste stroomkringen die in de kern worden gecreëerd en dit leidt tot warmte.
• We kunnen hysteresisverlies minimaliseren door speciale materialen te gebruiken, zoals siliciumstaal.
• We kunnen wervelstroomverlies minimaliseren door de kern te maken van dunne, geïsoleerde platen die laminaten worden genoemd.
• Lagere kernverliezen leiden tot een betere efficiëntie van de transformator, minder warmteverspilling en lagere elektriciteitsrekeningen.