Die Berechnung der Verluste in einem Traktionsgleichrichtertransformator mit Epoxidharzguss ist ein entscheidender Aspekt sowohl für Hersteller als auch für Benutzer. Als Lieferant von Traktionsgleichrichtertransformatoren mit Epoxidharzguss weiß ich, wie wichtig es ist, diese Verluste genau zu bestimmen. In diesem Blog werde ich mich mit den verschiedenen Arten von Verlusten befassen, die in solchen Transformatoren auftreten, und mit den Methoden zu ihrer Berechnung.
Arten von Verlusten in Traktionsgleichrichtertransformatoren mit Epoxidharzguss
1. Kernverluste
Kernverluste, auch Eisenverluste genannt, sind die Verluste, die im Kern des Transformators auftreten. Diese Verluste setzen sich hauptsächlich aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammen.
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Hystereseverlust: Hystereseverlust wird durch die Umkehr der Magnetisierung im Transformatorkern verursacht. Wenn das Magnetfeld im Kern seine Richtung ändert, müssen sich die magnetischen Domänen im Kernmaterial neu ausrichten. Dieser Neuausrichtungsprozess erfordert Energie, die als Wärme abgegeben wird. Der Hystereseverlust kann mit der Steinmetz-Formel berechnet werden:
[P_h = k_h f B_m^{n} V]
Dabei ist (P_h) der Hystereseverlust, (k_h) die Steinmetz-Konstante, die vom Kernmaterial abhängt, (f) die Frequenz des Wechselstroms, (B_m) die maximale magnetische Flussdichte im Kern, (n) der Steinmetz-Exponent (normalerweise zwischen 1,5 und 2,5) und (V) das Volumen des Kerns. -
Wirbelstromverlust: Wirbelstromverluste entstehen durch induzierte Ströme, sogenannte Wirbelströme, im Transformatorkern. Diese Ströme werden durch das sich ändernde Magnetfeld erzeugt und fließen in geschlossenen Kreisläufen im Kern. Der Wirbelstromverlust kann nach folgender Formel berechnet werden:
[P_e = k_e f^{2} B_m^{2} t^{2} V]
Dabei ist (P_e) der Wirbelstromverlust, (k_e) eine Konstante, die sich auf das Kernmaterial und seinen spezifischen Widerstand bezieht, (t) die Dicke der Kernlamellen.
Der gesamte Kernverlust (P_{core}) ist die Summe aus Hystereseverlust und Wirbelstromverlust:
[P_{core}=P_h + P_e]
2. Kupferverluste
Aufgrund des Widerstands der Kupferleiter treten in den Transformatorwicklungen Kupferverluste auf. Wenn Strom durch die Wicklungen fließt, wird gemäß dem Jouleschen Gesetz Energie als Wärme abgegeben. Der Kupferverlust lässt sich nach folgender Formel berechnen:
[P_{cu}=I^{2}R]
Dabei ist (P_{cu}) der Kupferverlust, (I) der durch die Wicklung fließende Strom und (R) der Widerstand der Wicklung.
In einem Traktionsgleichrichtertransformator ist der Strom keine reine Sinuswelle, sondern weist aufgrund des Gleichrichtungsprozesses eine komplexe Wellenform auf. Um den Kupferverlust genau zu berechnen, müssen wir daher den Effektivwert (RMS) des Stroms berücksichtigen. Der Effektivwert eines nicht sinusförmigen Stroms (i(t)) über einen Zeitraum (T) ist gegeben durch:
[I_{rms}=\sqrt{\frac{1}{T}\int_{0}^{T}i^{2}(t)dt}]
Der gesamte Kupferverlust in einem Transformator mit mehreren Wicklungen ist die Summe der Kupferverluste in jeder Wicklung.
3. Streuverluste
Streuverluste sind Zusatzverluste, die schwer genau zu berechnen sind. Dazu gehören Verluste aufgrund von Streuflüssen, die Wirbelströme im Transformatorkessel, in Strukturteilen und anderen leitfähigen Materialien in der Nähe des Transformators induzieren. Streuverluste können als Prozentsatz der gesamten Lastverluste geschätzt werden. Eine gängige Näherung geht davon aus, dass Streuverluste etwa 10 bis 20 % der Kupferverluste ausmachen. Dieser Wert kann jedoch je nach Transformatordesign und Betriebsbedingungen variieren.
Berechnungsschritte
Schritt 1: Bestimmen Sie den Kernverlust
- Ermitteln Sie zunächst die Kernmaterialeigenschaften wie die Steinmetz-Konstante (k_h), den Steinmetz-Exponenten (n) und den spezifischen Widerstand zur Berechnung der Wirbelstromverlustkonstante (k_e). Diese Eigenschaften werden in der Regel vom Hersteller des Kernmaterials bereitgestellt.
- Messen oder berechnen Sie die maximale magnetische Flussdichte (B_m) im Kern. Dies lässt sich aus den Konstruktionsparametern des Transformators, wie der Anzahl der Windungen, der Querschnittsfläche des Kerns und der angelegten Spannung, bestimmen.
- Bestimmen Sie die Frequenz (f) der Eingangsspannung und das Volumen (V) des Kerns.
- Berechnen Sie den Hystereseverlust und den Wirbelstromverlust mit den oben genannten Formeln und ermitteln Sie dann den gesamten Kernverlust.
Schritt 2: Berechnen Sie den Kupferverlust
- Messen oder berechnen Sie den Widerstand (R) jeder Wicklung. Der Widerstand kann mit einer Wheatstone-Brücke oder anderen Widerstandsmessgeräten bei einer bestimmten Temperatur gemessen werden.
- Bestimmen Sie den Effektivwert des durch jede Wicklung fließenden Stroms. Dies erfordert möglicherweise den Einsatz von Stromsensoren und Datenerfassungssystemen, um die Stromwellenform zu messen und dann den Effektivwert zu berechnen.
- Berechnen Sie den Kupferverlust für jede Wicklung mit der Formel (P_{cu}=I^{2}R) und addieren Sie sie, um den Gesamtkupferverlust zu erhalten.
Schritt 3: Schätzen Sie die Streuverluste
Schätzen Sie anhand der berechneten Kupferverluste die Streuverluste als Prozentsatz (z. B. 15 %) der gesamten Kupferverluste.
Schritt 4: Berechnen Sie die Gesamtverluste
Die Gesamtverluste (P_{total}) im Epoxy Cast Dry-Type Traktionsgleichrichtertransformator sind die Summe der Kernverluste, Kupferverluste und Streuverluste:
[P_{total}=P_{core}+P_{cu}+P_{stray}]
Bedeutung der Verlustberechnung
Die genaue Berechnung der Verluste in einem Traktionsgleichrichtertransformator mit Epoxidharzguss ist von großer Bedeutung. Erstens wirken sich Verluste direkt auf den Wirkungsgrad des Transformators aus. Ein Transformator mit hohen Verlusten verbraucht mehr Energie, was zu höheren Betriebskosten führt. Zweitens erzeugen Verluste Wärme, die dazu führen kann, dass die Temperatur des Transformators ansteigt. Ein übermäßiger Temperaturanstieg kann die Isolierung der Wicklungen beschädigen und die Lebensdauer des Transformators verkürzen. Daher können wir durch die Berechnung der Verluste das Transformatordesign optimieren, um Verluste zu reduzieren, den Wirkungsgrad zu verbessern und einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.
Als Lieferant von Trocken-Traktionsgleichrichtertransformatoren aus Epoxidguss sind wir bestrebt, qualitativ hochwertige Produkte mit geringen Verlusten anzubieten. Unsere Transformatoren werden unter Verwendung fortschrittlicher Technologien und hochwertiger Materialien entwickelt, um Kernverluste und Kupferverluste zu minimieren. Neben Epoxidguss-Traktionsgleichrichtertransformatoren bieten wir auch andere Arten von Trockentransformatoren an, wie zTransformator aus amorphem LegierungsgussharzUndTrockener Antriebstrenntransformator. Sie können auf die Links klicken, um mehr über diese Produkte zu erfahren.
Wenn Sie an unseren aus Epoxidharz gegossenen Traktionsgleichrichtertransformatoren oder anderen Trockentransformatoren interessiert sind und mehr über die Verlustberechnung erfahren oder eine mögliche Beschaffung besprechen möchten, können Sie sich gerne an uns wenden. Wir freuen uns auf eine langfristige und für beide Seiten vorteilhafte Zusammenarbeit mit Ihnen.
Referenzen
- Grundlagen elektrischer Maschinen, Stephen J. Chapman
- Transformatortechnik: Design, Technologie und Diagnose, GK Dubey