Straty mocy w transformatorze
Główne cechy transformatora to przede wszystkim napięcie uzwojenia i moc przenoszona przez transformator. Przeniesienie mocy z jednego uzwojenia do drugiego odbywa się drogą elektromagnetyczną, podczas gdy część energii dostarczanej do transformatora z sieci jest tracona w transformatorze. Utracona część mocy nazywana jest stratami.
Kiedy moc jest przesyłana przez transformator, napięcie na uzwojeniach wtórnych zmienia się wraz ze zmianą obciążenia z powodu spadku napięcia na transformatorze, który jest określony przez rezystancję zwarciową. Ważnymi cechami są również straty mocy w transformatorze i napięcie zwarciowe. Decydują o sprawności transformatora i trybie pracy sieci elektrycznej.
Strata mocy w transformatorze jest jedną z głównych cech ekonomiczności konstrukcji transformatora. Całkowite znormalizowane straty obejmują straty bez obciążenia (XX) i straty zwarciowe (SC).W stanie bez obciążenia (bez podłączonego obciążenia), gdy prąd płynie tylko przez cewkę podłączoną do źródła zasilania, a w pozostałych cewkach nie ma prądu, energia pobierana przez sieć jest zużywana na wytworzenie strumienia magnetycznego przy braku obciążenie, tj. do magnesowania obwodu magnetycznego składającego się z blach ze stali transformatorowej. O ile prąd przemienny zmienia kierunek, to zmienia się również kierunek strumienia magnetycznego. Oznacza to, że stal jest na przemian namagnesowana i rozmagnesowana. Gdy prąd zmienia się od maksimum do zera, następuje rozmagnesowanie stali, indukcja magnetyczna maleje, ale z pewnym opóźnieniem, tj. rozmagnesowanie zwalnia (gdy prąd osiągnie zero, indukcyjność nie jest punktem zerowym n). Opóźnienie odwrócenia namagnesowania jest konsekwencją odporności stali na reorientację elementarnych magnesów.
Krzywa namagnesowania przy odwróceniu kierunku prądu tworzy tzw obwód histerezy, która jest różna dla każdego gatunku stali i zależy od maksymalnej indukcji magnetycznej Wmax. Powierzchnia pokryta pętlą odpowiada mocy zużytej na namagnesowanie. Gdy stal nagrzewa się podczas odwracania magnesowania, energia elektryczna dostarczana do transformatora jest zamieniana na ciepło i rozpraszana do otaczającej przestrzeni, tj. jest bezpowrotnie utracone. Jest to fizyczna utrata mocy do odwrócenia namagnesowania.
Oprócz strat histerezy, gdy strumień magnetyczny przepływa przez obwód magnetyczny, straty prądów wirowych… Jak wiadomo, strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną (EMF), która wytwarza prąd nie tylko w cewce znajdującej się na rdzeniu obwodu magnetycznego, ale także w samym metalu. Prądy wirowe płyną w zamkniętej pętli (ruch wirowy) w miejscu stali w kierunku prostopadłym do kierunku strumienia magnetycznego. Aby zredukować prądy wirowe, obwód magnetyczny składa się z oddzielnych izolowanych blach stalowych. W tym przypadku im cieńszy arkusz, tym mniejsza elementarna siła elektromotoryczna, tym mniejszy wytwarzany przez nią prąd wirowy, tj. mniejsze straty mocy spowodowane prądami wirowymi. Straty te powodują również nagrzewanie obwodu magnetycznego. Aby zmniejszyć prądy wirowe, straty i nagrzewanie, zwiększ opór elektryczny stali poprzez wprowadzenie dodatków do metalu.
Dla każdego transformatora zużycie materiałów musi być optymalne, dla danej indukcji w obwodzie magnetycznym jego wielkość określa moc transformatora. Starają się więc mieć jak najwięcej stali w rdzeniowej części obwodu magnetycznego, tj. przy wybranym współczynniku wypełnienia wymiaru zewnętrznego kz musi być największy. Osiąga się to poprzez nałożenie najcieńszej warstwy izolacji między blachami stalowymi. Obecnie stosowana jest stal z cienką powłoką żaroodporną nakładaną w procesie produkcji stali i umożliwiającą uzyskanie kz = 0,950,96.
Przy produkcji transformatora, w wyniku różnych operacji technologicznych ze stalą, jej jakość w gotowej konstrukcji w pewnym stopniu ulega pogorszeniu, a straty w konstrukcji uzyskuje się o około 2550% więcej niż w stali pierwotnej przed jej obróbką (przy przy użyciu zwiniętej stali i wciśnięcia łańcucha magnetycznego bez kolców).