Transformatorverluste erklärt: Leerlaufverlust vs. Lastverlust
Leerlaufverluste und Lastverluste sind die beiden Hauptursachen für Energieverluste in einem Transformator während des Betriebs. Im Folgenden wird detailliert erläutert, wie diese Verluste im Transformator entstehen, verteilt und abgeführt werden.
Leerlaufverluste treten auf, wenn die Primärwicklung des Transformators im Leerlauf nur einen geringen Erregerstrom führt. In diesem Fall sind die Kupferverluste vernachlässigbar, und der Großteil der Verluste tritt im Kern auf, den sogenannten Eisenverlusten. Diese setzen sich aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammen. Hystereseverluste entstehen durch das kontinuierliche Umklappen der magnetischen Domänen im Kern unter dem Einfluss eines Wechselfeldes, wodurch Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Wirbelstromverluste entstehen, weil der Kern selbst leitfähig ist. Wird er einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt, wird in Ebenen senkrecht zu den Magnetfeldlinien eine elektromotorische Kraft induziert. Diese bildet geschlossene Schleifen, die Wirbelströme erzeugen, welche aufgrund des Widerstands des Kernmaterials Wärme produzieren.
Die Leerlaufverluste konzentrieren sich hauptsächlich im Kern, da dieser die primäre Komponente des magnetischen Kreises darstellt und sowohl Hysterese- als auch Wirbelstromverluste in seinem Material auftreten. Zusätzlich entstehen durch den Leerlaufstrom geringe Kupferverluste in der Primärwicklung, die jedoch typischerweise vernachlässigbar sind. Die durch die Leerlaufverluste erzeugte Wärme wird primär durch Wärmeleitung und -strahlung vom Kern an die Umgebung abgeführt. Der Kern steht in Kontakt mit Transformatoröl oder Luft und gibt Wärme an diese ab. Diese Wärme wird dann durch die natürliche Konvektion des Öls oder der Luftströmung abgeführt und schließlich an die Umgebung abgegeben.
Die Lastverluste setzen sich aus den Grundverlusten im Kupfer und weiteren Verlusten zusammen. Die Grundverluste im Kupfer entstehen durch den Widerstand der Wicklungen, wenn der Laststrom durch sie fließt. Gemäß dem Jouleschen Gesetz wird beim Stromfluss durch einen Leiter Wärme erzeugt, und die Verlustleistung ist proportional zum Quadrat des Stroms. Zu den weiteren Verlusten zählen Wirbelstromverluste in den Wicklungen, Ausgleichsstromverluste, Streuverluste in Bauteilen usw., die proportional zum Quadrat des Stroms und zum Quadrat der Frequenz sind.
Die Lastverluste verteilen sich hauptsächlich auf die Wicklungen und den Kern. Der Laststrom in den Wicklungen verursacht Kupferverluste, während der Kern aufgrund des durch den Laststrom hervorgerufenen Streuflusses ebenfalls Verluste aufweist, die jedoch im Vergleich zu den Kupferverlusten in den Wicklungen relativ gering sind. Zusätzlich erzeugt der durch den Laststrom induzierte Streufluss Streuverluste in den metallischen Bauteilen außerhalb der Wicklungen.
Die durch Lastverluste entstehende Wärme wird teilweise durch Wärmeleitung von den Wicklungen an das Transformatoröl abgegeben und anschließend durch natürliche Konvektion oder Zwangsumwälzung des Öls abgeführt. Ein weiterer Teil wird durch Wärmeleitung und -strahlung vom Kern und den Bauteilen an die Umgebung abgegeben. Bei großen Transformatoren werden häufig Zwangsumwälzkühlung oder ähnliche Verfahren eingesetzt, um die Wärmeabfuhr zu verbessern und somit die Betriebseffizienz und Zuverlässigkeit des Transformators zu erhöhen.