任何一种电气设备在长时间的运行中都会出现损耗,电力变压器也不例外。在电力变压器的损耗中,主要分为铜损和铁损两部分。
铜损
定义和原理
铜在变压器中起着重要作用,变压器的绕组通常会用到铜导线,这变压器中的“铜损”就是铜导线产生的损耗。变压器的“铜损”也称为负载损耗,所谓负载损耗,就是可变损失,是变化的。当变压器在载荷下运行时,电流通过导线时会有电阻,产生电阻损耗。根据焦耳定律,这个电阻流过电流会产生焦耳热,且电流越大,功率损耗就越大。由此,电阻损耗与电流的平方成正比,与电压无关。正是由于它随着电流大小变化而变化,所以铜损(负载损耗)是可变损耗,它也是变压器运行中的主要损耗。
影响因素
电流大小:如上所述,铜损与电流的平方成正比,因此电流的大小是影响铜损的关键因素。 绕组电阻:绕组的电阻大小直接影响铜损。电阻越大,铜损越高。 线圈层数:线圈层数越多,电流在绕组中流动的路径越长,电阻也会相应增加,导致铜损增大。 开关频率:开关频率对变压器铜损的影响与变压器的分布参数以及负载特性有直接关系。在负载特性与分布参数一起呈感性特性时,铜损随开关频率的提高而减小;一起呈容性特性时,铜损随开关频率的提高而增大。 温度影响:负载损耗还受变压器温度的影响,同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗,并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。 计算公式有两种 1.基于额定电流和电阻的公式: 2.基于额定电流和总铜电阻的公式: 铜损 = I² × R 变压器的总铜电阻R可以通过以下公式计算: 降低铜损的方法 提高变压器的绕组截面积:降低导体电阻,从而有效降低变压器铜损耗。 采用优质的导体材料:如铜箔或铝箔,降低绕组电阻。 降低变压器的轻载运行时间:限制变压器轻载运行的时间比例,有利于降低变压器的铜损耗。 铁损 定义与原理 与铜损不同,变压器的铁损与绕组、电流大小等因素无关,顾名思义,铁损与铁有关,它是由铁芯产生。变压器的铁损又称为“空载损耗”,因为它在变压器的全负载、零负载状态下都存在,是变压器的一种固定损耗。不过在负载中,功率损耗会随着电场强度的减小而降低。 分类 变压器的铁损又分为磁滞损耗和涡流损耗。 ● 磁滞损耗 变压器的工作原理正是基于电磁感应原理来实现升降压和电流变化的,而变压器内的磁通是在铁芯上流动的,铁芯对磁通具有磁阻,就像导体对电流有电阻一样,也会产生热量,这样的损耗称为“磁滞损耗” ● 涡流损耗 当变压器的初级绕组通电后,线圈所产生的磁通在铁芯流动,因为铁心本身也是导体,在垂直于磁力线的平面上就会感应电势,这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流,就像一个旋涡,所以称为“涡流”。这个涡流产生的损耗就叫“涡流损耗”。也正是因为铁芯会产生涡流,所以才把它做成薄薄的一片,因为越薄电阻越大,电流也越小。 影响因素 工作电压和频率:铁损与变压器的工作电压和频率有关,因为这些因素会影响铁芯中的磁场强度和磁滞现象。 铁芯材料:铁芯材料的磁滞性质会影响铁损的大小。如果铁芯材料选用的不好,磁滞损耗就会增加。 制造工艺:变压器的制造工艺对铁损也有一定影响。例如,铁芯的叠片方式、绝缘处理等都会影响铁损的大小。 1.基于额定电流和磁滞、电阻损耗的公式: 2.基于常数、磁通密度和工作频率的公式: 降低方法 选择优质铁芯材料:选用磁滞损耗小的铁芯材料,可以降低变压器的铁损。 优化制造工艺:通过改进铁芯的叠片方式、绝缘处理等制造工艺,降低铁损。 合理设计:在变压器设计阶段,通过优化结构设计和参数选择,降低铁损。
铜损(单位:kW) = I² × Rc × Δt
其中,I为变压器的额定电流,Rc为铜导线的电阻,Δt为变压器的运行时间。
其中,I表示变压器的额定电流,R表示变压器的总铜电阻。
R = (R1 + R2) / 2
其中,R1表示变压器的一次侧铜电阻,R2表示变压器的二次侧铜电阻。
铁损(单位:kVA) = I² × (Rm + Ra)
其中,I为变压器的额定电流,Rm为铁芯的磁滞损耗,Ra为铁芯的电阻损耗。
P铁 = Kf × (Bm)^2 × f
其中,P铁为铁损耗,Kf为常数,Bm为磁通密度,f为变压器工作频率。