変圧器の無負荷損の詳細：定義、原因、計算

トランスの無負荷損失とは

変圧器の無負荷損失とは、変圧器の二次巻線が開回路で、一次巻線が定格周波数と定格電圧を印加しているときに、変圧器が消費する有効電力のことである。つまり、無負荷時には変圧器自体が損失となる。無負荷損は主に鉄損と無負荷電流損から構成される。

鉄損（コアロス)

変圧器のコアが交番電磁界にあるとき、コア材は交番磁束渦電流とヒステリシス効果により、エネルギー損失が生じます。この損失は変圧器の設計、電圧レベル、材料特性に関係しており、通常は避けられません。

無負荷電流損失

トランスが無負荷状態にあるとき、負荷はありませんが、トランスコイルがまだ電流を流しているため、銅損によって発生する電流のこの部分を無負荷電流損と呼びます。これはトランスコイルの直流抵抗と電流の大きさに関係しています。

通常、無負荷損失が全損失に占める割合は小さいが、それでも変圧器の全体的な効率に影響を与える可能性があり、特に長期の運転ではその影響が大きい。

変圧器の無負荷損失が過大になる理由

変圧器の無負荷損失が大きすぎる場合は、通常、設計または運用に問題があることを示している：

芯材の品質不良

コアの材質はヒステリシス損失と渦電流損失に直接影響します。珪素鋼板などのコア材質の品質が悪いと、ヒステリシス損失や渦電流損失が増加し、無負荷損失が上昇します。

鉄心設計に無理がある

鉄心の断面積、形状、加工技術などは変圧器の磁束分布に影響する。設計が適切でない場合、鉄心は容易に飽和し、その結果、損失が増大する。

電圧変動が大きすぎる

無負荷損はトランスの一次側にかかる電圧に関係する。電圧変動が大きいと鉄心の磁束密度が変化し、鉄損が増加する。実際の電圧が定格電圧より高い場合、損失は指数関数的に増加します。

鉄芯加工の品質問題

鉄芯の加工工程では、切断が不正確だったり、層間の絶縁が悪かったり、鉄片の接触が悪かったりすると、ヒステリシス損失や渦電流損失が増加する。

変圧器の経年劣化

変圧器は運転時間が長くなると、鉄心の絶縁性能と透磁率が低下し、無負荷損失が増大することがある。

変圧器の無負荷損失の計算方法

変圧器の無負荷損失は主に鉄損と無負荷電流損で構成され、このうち鉄損が主要部分である。

無負荷損の計算式は以下の通り。

無負荷損＝k×P×G

そのうちのひとつだ：

k: 無負荷損失プロセス係数。トランスの設計と製造プロセスによって異なる；

P：単位損失。通常は材料特性によって決まる；

G: 鉄心の重量。トランスの体積と材質によって異なる。

鉄損の詳細計算：

鉄損は主にヒステリシス損と渦電流損で構成され、計算式は以下の通り：

そのうちのひとつだ：

knとkw：定数；

f: トランス外部電圧の周波数；

Bm : 鉄心の最大磁束密度；

n:シュタインメッツ定数、通常は2.5～3.5。

つまり、無負荷損は印加電圧の大きさ、周波数、コア材の性能と密接に関係している。運転中の電圧安定性を維持し、高品質のコア材を選択することが、無負荷損失を制御する鍵である。