電力変圧器の損失の計算は、電力システムの運用者と消費者の両方にとって重要な作業です。電源変圧器のサプライヤーとして、これらの損失を理解し、その計算方法を伝えることができることは、高品質の製品とサービスを提供するために不可欠です。このブログでは、電源変圧器のさまざまな種類の損失、その計算方法、およびこれらの計算が非常に重要である理由について説明します。
電力変圧器の損失の種類
電源変圧器の損失には、主に無負荷損失と負荷損失の 2 種類があります。
無負荷損失 (コア損失)
鉄損とも呼ばれる無負荷損失は、変圧器が負荷を供給していない場合でも発生します。これらの損失は主に、ヒステリシス損と渦電流損の 2 つの要因によって発生します。
ヒステリシス損失:
ヒステリシス損失は、トランスのコアが磁化と減磁を繰り返すことによって発生します。交流が一次巻線を通過すると、コア内の磁界の方向が連続的に変化します。コア材料内の分子はこの磁化の変化に抵抗し、エネルギーは熱の形で放散されます。ヒステリシス損失 ($P_h$) の式は、シュタインメッツの方程式で与えられます。
[P_h = k_h f B_m^{n} V]
ここで、(k_h) はシュタインメッツのヒステリシス定数、(f) は交流の周波数、(B_m) はコア内の最大磁束密度、(n) はシュタインメッツ指数 (通常 1.5 ～ 2.5)、(V) はコア材料の体積です。
渦電流損失:
渦電流損は、コアに流れる誘導電流（渦電流）によって発生します。コア内の磁場が変化すると、導電性コア材料内に循環電流が誘導されます。これらの電流は閉ループを流れ、熱の形で電力損失を引き起こします。渦電流損失 ($P_e$) の計算式は次のとおりです。
[P_e=k_e f^{2} B_m^{2} t^{2} V]
ここで、(k_e) は渦電流定数、(t) はコア積層の厚さです。総無負荷損失 ((P_{nl})) は、ヒステリシス損失と渦電流損失の合計、つまり (P_{nl}=P_h + P_e) です。
負荷損失（銅損）
負荷損失、つまり銅損は、変圧器が負荷に電力を供給しているときに発生します。これらの損失は、トランス巻線の抵抗によるものです。巻線に電流が流れると、ジュールの法則に従って電力が熱として放散されます。銅損 ($P_{cu}$) の計算式は次のとおりです。
[P_{cu}=I^{2}R]
ここで、(I) は巻線に流れる電流、(R) は巻線の抵抗です。巻線の電流は負荷に依存するため、銅損は負荷に応じて変化します。
総損失の計算
電源変圧器の合計損失 ((P_{total})) は、無負荷損失と負荷損失の合計です。
[P_{合計}=P_{nl}+P_{cu}]
合計損失を正確に計算するには、次の手順を考慮する必要があります。
ステップ 1: 無負荷損失の決定
電源トランスのサプライヤーとして、当社は製造プロセス中に無負荷テストを実施し、無負荷損失を測定します。無負荷試験では、変圧器の二次巻線は開回路のままにし、一次巻線に定格電圧を印加します。この条件下で一次巻線に入力される電力は無負荷損失に等しくなります。この値は変圧器の技術仕様に記載されています。
ステップ 2: 負荷率を決定する
負荷率 ((LF)) は、特定の期間における最大負荷に対する平均負荷の比率です。変圧器の負荷は通常、時間の経過とともに変化するため、これは負荷損失を計算する際の重要なパラメータです。
[LF=\frac{\text{平均負荷}}{\text{最大負荷}}]
ステップ 3: 負荷損失を計算する
まず、変圧器の定格負荷損失 ((P_{cu -rated})) を知る必要があります。これも製造時のテストによって決定されます。特定の負荷レベルでの負荷損失は、次の式を使用して計算できます。
[P_{cu}=P_{cu - 評価}\times(\frac{S}{S_{評価}})^{2}]
ここで、(S) は負荷の実際の皮相電力、(S_{rated}) は変圧器の定格皮相電力です。
ステップ 4: 総損失を計算する
無負荷損失 ((P_{nl})) と負荷損失 ((P_{cu})) がわかったら、式 (P_{total}=P_{nl}+P_{cu}) を使用して合計損失を計算できます。
損失計算の重要性
電源トランスの損失を正確に計算することは、次のような理由から非常に重要です。
エネルギー効率
損失を理解することで、電力システムの運用者は変圧器のエネルギー効率を向上させるための措置を講じることができます。たとえば、ヒステリシスと渦電流損失が低い高品質のコア材料を使用すると、無負荷損失を低減できます。同様に、巻線の設計を最適化して抵抗を低減すると、銅損を下げることができます。これにより、エネルギーが節約されるだけでなく、運用コストも削減されます。
変圧器のサイジング
損失を計算すると、トランスの適切なサイズ設定に役立ちます。損失を過小評価すると、変圧器が過熱して寿命が短くなり、故障の可能性が生じる可能性があります。一方、損失を過大評価すると、変圧器が大きくなり、より高価になり、効率も低下する可能性があります。
環境への影響
変圧器の損失を減らすことは、熱として浪費されるエネルギーが少なくなることを意味し、その結果、発電の需要が減少します。これは、発電に伴う温室効果ガスの排出量を削減し、環境にプラスの影響を与えます。
当社の高品質変圧器製品
大手電源変圧器サプライヤーとして、当社は以下のような高品質変圧器を幅広く提供しています。高圧高周波変圧器、SH15 アモルファス合金変圧器、 そしてアモルファス合金変圧器。これらの変圧器は、損失を最小限に抑え、エネルギー効率を向上させる高度な技術を使用して設計されています。
たとえば、当社のアモルファス合金変圧器はコアにアモルファス合金材料を使用しています。これらの材料はヒステリシスと渦電流損失が極めて低いため、従来の変圧器と比較して無負荷損失が大幅に低くなります。このため、変圧器が軽負荷で長時間動作するアプリケーションに最適です。
調達に関するお問い合わせ
当社の電源変圧器に興味がある場合、または損失計算とエネルギー効率の高いソリューションについてさらに詳しい情報が必要な場合は、当社までお問い合わせいただくことをお勧めします。当社には経験豊富なエンジニアと営業担当者のチームがあり、詳細な製品情報、技術サポート、およびお客様の特定のニーズを満たすカスタマイズされたソリューションを提供できます。電力会社、産業ユーザー、電気請負業者のいずれであっても、当社は最高の製品とサービスを提供することに尽力します。
参考文献
- 電気機械の基礎、Stephen J. Chapman
- 電力システムの解析と設計、J. Duncan Glover、Mulukutla S. Sarma、Thomas J. Overbye