Straty mocy w transformatorze są naturalnym elementem jego pracy. Żaden transformator nie przekazuje całej pobieranej energii na stronę wtórną bez strat. Część energii zamienia się w ciepło wskutek zjawisk zachodzących w rdzeniu, uzwojeniach i elementach konstrukcyjnych.

W prawidłowo zaprojektowanej i eksploatowanej instalacji poziom strat jest uwzględniony w doborze urządzenia. Problem pojawia się wtedy, gdy rzeczywiste warunki pracy odbiegają od założeń projektowych.

Rosnąca liczba falowników, prostowników, serwonapędów, zasilaczy impulsowych, urządzeń UPS i innych odbiorników nieliniowych może powodować:

• wzrost wartości skutecznej prądu,
• zwiększenie udziału harmonicznych,
• asymetrię obciążeń,
• wyższy pobór mocy biernej,
• dodatkowe nagrzewanie uzwojeń,
• ograniczenie dostępnej rezerwy transformatora.

W takich warunkach transformator może pracować przy podwyższonej temperaturze, mimo że pozorna wartość obciążenia nie przekracza jego mocy znamionowej.

Czym są straty mocy w transformatorze?

Straty mocy w transformatorze to różnica pomiędzy mocą pobieraną po stronie pierwotnej a mocą oddawaną po stronie wtórnej.

Energia ta jest tracona głównie w postaci ciepła.

Najczęściej wyróżnia się:

• straty jałowe,
• straty obciążeniowe,
• straty dodatkowe,
• straty związane z pracą układów pomocniczych.

Ich poziom zależy od konstrukcji transformatora, materiałów, temperatury, częstotliwości, napięcia oraz charakteru obciążenia.

Straty jałowe transformatora

Straty jałowe występują wtedy, gdy transformator jest pod napięciem, nawet jeśli po stronie wtórnej nie zasila odbiorników.

Są związane przede wszystkim z pracą rdzenia magnetycznego.

Obejmują głównie:

• straty z tytułu histerezy magnetycznej,
• straty od prądów wirowych,
• niewielkie straty dodatkowe w elementach konstrukcyjnych.

Straty jałowe zależą głównie od:

• wartości napięcia zasilającego,
• częstotliwości,
• jakości materiału rdzenia,
• konstrukcji transformatora,
• poziomu odkształcenia napięcia.

W przybliżeniu pozostają stosunkowo stałe niezależnie od aktualnego obciążenia.

Oznacza to, że transformator pozostawiony pod napięciem przez całą dobę generuje straty także wtedy, gdy produkcja jest zatrzymana.

Straty obciążeniowe transformatora

Straty obciążeniowe powstają wskutek przepływu prądu przez uzwojenia i pozostałe elementy przewodzące.

Najważniejszą częścią są straty rezystancyjne w uzwojeniach.

Rosną one wraz z wartością prądu. Im większe obciążenie transformatora, tym większe:

• wydzielanie ciepła,
• nagrzewanie uzwojeń,
• spadki napięcia,
• obciążenie układu chłodzenia.

Straty obciążeniowe zależą między innymi od:

• wartości skutecznej prądu,
• temperatury uzwojeń,
• rezystancji przewodników,
• rozkładu prądu w uzwojeniach,
• zawartości harmonicznych,
• asymetrii obciążenia.

Szczególne znaczenie ma fakt, że wzrost prądu powoduje znacznie szybszy wzrost strat cieplnych.

Dlatego nawet stosunkowo niewielkie zwiększenie prądu może wyraźnie zwiększyć temperaturę pracy transformatora.

Straty dodatkowe

Poza stratami w rdzeniu i uzwojeniach występują również straty dodatkowe.

Mogą być związane z:

• prądami wirowymi w uzwojeniach,
• polami rozproszenia,
• nagrzewaniem elementów konstrukcyjnych,
• nierównomiernym rozkładem prądu,
• wyższymi harmonicznymi,
• przepływem prądów przez połączenia i szyny.

Ich udział rośnie szczególnie w instalacjach z odkształconym przebiegiem prądu.

Wyższa częstotliwość poszczególnych harmonicznych może zwiększać straty w elementach, które przy czystym przebiegu sinusoidalnym byłyby obciążone w mniejszym stopniu.

Sprawność transformatora

Sprawność transformatora określa, jaka część mocy pobieranej po stronie pierwotnej jest przekazywana do odbiorników.

Wysoka sprawność nie oznacza braku strat. Nawet niewielki procent strat w transformatorze dużej mocy może oznaczać znaczną ilość energii zamienianej w ciepło.

Przykładowo w transformatorze zasilającym zakład przemysłowy straty występują przez wiele godzin pracy rocznie. Ich koszt obejmuje nie tylko energię utraconą w samym urządzeniu, ale również:

• dodatkowe chłodzenie,
• wzrost temperatury pomieszczenia,
• większe obciążenie wentylacji,
• przyspieszone starzenie izolacji,
• ograniczenie dostępnej mocy.

Dlatego sprawność transformatora należy oceniać nie tylko na podstawie danych katalogowych, ale również w odniesieniu do rzeczywistego profilu pracy.

Od czego zależą straty mocy w transformatorze?

Na rzeczywisty poziom strat wpływają między innymi:

• stopień obciążenia,
• czas pracy,
• temperatura,
• jakość napięcia,
• zawartość harmonicznych prądu,
• asymetria faz,
• poziom mocy biernej,
• sposób chłodzenia,
• stan techniczny,
• jakość połączeń,
• wiek urządzenia.

Transformator może pracować prawidłowo pod względem mocy czynnej, ale jednocześnie być nadmiernie obciążony prądowo wskutek innych zjawisk.

Jak obciążenie wpływa na straty transformatora?

Każdy transformator ma określoną moc znamionową, ale sam procent obciążenia nie daje pełnej informacji o warunkach pracy.

Znaczenie ma:

• wartość prądu każdej fazy,
• czas utrzymywania obciążenia,
• liczba krótkotrwałych przeciążeń,
• temperatura otoczenia,
• jakość chłodzenia,
• współczynnik mocy,
• zawartość harmonicznych.

Transformator pracujący przez krótki czas z wysokim obciążeniem może być w innej sytuacji cieplnej niż urządzenie stale obciążone blisko wartości znamionowej.

Długotrwała praca przy wysokiej temperaturze przyspiesza starzenie izolacji i może skrócić okres bezawaryjnej eksploatacji.

Straty mocy a współczynnik mocy

Odbiornik pobiera z instalacji prąd nie tylko w związku z mocą czynną wykorzystywaną do wykonania pracy.

W instalacji może występować również moc bierna. Powoduje ona dodatkowy przepływ prądu, mimo że nie jest zamieniana na użyteczną energię mechaniczną, cieplną lub świetlną.

Większy prąd oznacza:

• większe straty w uzwojeniach transformatora,
• wyższe straty w kablach,
• większy spadek napięcia,
• ograniczenie dostępnej mocy przesyłowej,
• wzrost temperatury.

Poprawa współczynnika mocy może zmniejszyć prąd po stronie transformatora przy tej samej mocy czynnej odbiorników.

Nie zawsze oznacza to jednak, że wystarczy zastosować klasyczną baterię kondensatorów. W instalacjach z dużym udziałem harmonicznych sposób kompensacji powinien być poprzedzony pomiarami.

Straty mocy a harmoniczne prądu

Harmoniczne prądu są jednym z najważniejszych dodatkowych czynników zwiększających straty transformatora w nowoczesnych instalacjach.

Odbiorniki nieliniowe pobierają prąd o przebiegu odkształconym. Całkowita wartość skuteczna takiego prądu obejmuje zarówno składową podstawową, jak i wyższe harmoniczne.

Dodatkowe składowe powodują:

• wzrost strat w uzwojeniach,
• zwiększenie strat od prądów wirowych,
• dodatkowe nagrzewanie,
• wzrost strat w elementach konstrukcyjnych,
• większe obciążenie przewodu neutralnego,
• obniżenie dostępnej rezerwy mocy.

Źródłami harmonicznych mogą być między innymi:

• falowniki,
• serwonapędy,
• prostowniki,
• zasilacze impulsowe,
• systemy UPS,
• spawarki i zgrzewarki,
• regulatory elektroniczne,
• oświetlenie LED,
• instalacje fotowoltaiczne,
• ładowarki.

Im większa liczba takich odbiorników, tym bardziej istotna staje się analiza rzeczywistego widma prądu.

Dlaczego harmoniczne zwiększają nagrzewanie transformatora?

Wyższe harmoniczne mają częstotliwości będące wielokrotnością częstotliwości podstawowej.

Przykładowo:

• piąta harmoniczna ma częstotliwość 250 Hz,
• siódma harmoniczna – 350 Hz,
• jedenasta harmoniczna – 550 Hz.

Wraz ze wzrostem częstotliwości rosnąć mogą straty związane z prądami wirowymi oraz nierównomiernym rozkładem prądu.

W efekcie transformator może nagrzewać się bardziej niż przy sinusoidalnym prądzie o porównywalnej składowej podstawowej.

Oznacza to, że ocena obciążenia wyłącznie na podstawie mocy czynnej lub średniego prądu może być niewystarczająca.

Czy transformator może być przeciążony mimo prawidłowej mocy czynnej?

Tak.

Transformator może dostarczać moc czynną niższą od swojej wartości znamionowej, a mimo to pracować w niekorzystnych warunkach cieplnych.

Może to wynikać z:

• wysokiej mocy biernej,
• dużego udziału harmonicznych,
• asymetrii obciążenia,
• wysokiej temperatury otoczenia,
• niewydolnego chłodzenia,
• długotrwałej pracy blisko dopuszczalnego prądu,
• nierównomiernego obciążenia uzwojeń.

Dlatego przed decyzją o zwiększeniu mocy transformatora warto sprawdzić, czy obecne urządzenie nie jest nadmiernie obciążone przez zjawiska, które można ograniczyć.

Asymetria obciążenia a straty transformatora

W instalacji trójfazowej obciążenia powinny być możliwie równomiernie rozłożone pomiędzy fazy.

Asymetria powoduje, że:

• jedna faza może być przeciążona,
• pozostałe fazy pozostają niedociążone,
• transformator nie wykorzystuje równomiernie swojej mocy,
• rośnie temperatura wybranych uzwojeń,
• zwiększają się spadki napięcia,
• pogarsza się jakość napięcia.

Moc całkowita może sugerować, że transformator ma jeszcze rezerwę, podczas gdy jedna z faz pracuje już w niekorzystnych warunkach.

Dlatego należy analizować każdą fazę oddzielnie.

Harmoniczne trzeciego rzędu i transformator

W instalacjach czteroprzewodowych istotne są harmoniczne trzeciego rzędu oraz ich wielokrotności.

Mogą się one sumować w przewodzie neutralnym, powodując:

• wysoki prąd przewodu neutralnego,
• dodatkowe nagrzewanie,
• większe straty,
• obciążenie uzwojeń,
• wzrost temperatury połączeń.

Problem ten jest szczególnie ważny w obiektach z dużą liczbą:

• zasilaczy impulsowych,
• urządzeń IT,
• serwerów,
• opraw LED,
• odbiorników jednofazowych.

W takich instalacjach prąd przewodu neutralnego powinien być objęty pomiarem na równi z prądami fazowymi.

Straty transformatora a temperatura

Temperatura ma bezpośredni wpływ na rezystancję uzwojeń.

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie rezystancja przewodników, co prowadzi do dalszego zwiększenia strat.

Może powstać niekorzystny mechanizm:

1. wyższy prąd zwiększa straty,
2. straty podnoszą temperaturę,
3. wyższa temperatura zwiększa rezystancję,
4. rosną kolejne straty cieplne.

W prawidłowych warunkach układ chłodzenia stabilizuje temperaturę.

Jeżeli jednak wentylacja jest niewystarczająca, kanały chłodzące są zabrudzone lub temperatura otoczenia jest wysoka, transformator może pracować znacznie cieplej.

Objawy nadmiernych strat i obciążenia transformatora

Do sygnałów, które powinny skłonić do diagnostyki, należą:

• nadmierna temperatura obudowy,
• wzrost temperatury uzwojeń,
• częsta praca wentylatorów,
• nietypowy hałas,
• nasilone drgania,
• zapach przegrzanej izolacji,
• przebarwienia połączeń,
• duże spadki napięcia,
• nierówne napięcia fazowe,
• wysoki prąd neutralny,
• wyzwalanie zabezpieczeń,
• ograniczona możliwość przyłączania nowych odbiorników,
• rosnące koszty strat energii.

Pojedynczy objaw nie zawsze potwierdza nadmierne straty. Wymaga jednak kontroli warunków pracy.

Dlaczego transformator głośno pracuje?

Dźwięk transformatora jest naturalnie związany ze zmianami strumienia magnetycznego w rdzeniu.

Nadmierny lub zmieniony hałas może jednak wskazywać na:

• podwyższone napięcie,
• harmoniczne napięcia,
• niesymetryczne zasilanie,
• luźne elementy konstrukcyjne,
• przeciążenie,
• zjawiska rezonansowe,
• pogorszenie stanu technicznego.

Jeżeli zmiana hałasu pojawiła się po uruchomieniu nowych odbiorników energoelektronicznych, warto zbadać parametry napięcia i prądu.

Czy straty transformatora wpływają na rachunki za energię?

Tak.

Straty transformatora są pokrywane energią pobieraną z sieci. Ich koszt zależy od:

• mocy strat,
• czasu pracy,
• ceny energii,
• sposobu rozliczenia,
• profilu obciążenia.

W przypadku transformatora pracującego przez całą dobę nawet umiarkowane straty jałowe generują koszt przez cały rok.

Dodatkowo nadmierne straty obciążeniowe zwiększają:

• koszty energii,
• zapotrzebowanie na chłodzenie,
• ryzyko awarii,
• koszty serwisu,
• tempo starzenia urządzenia.

Ocena ekonomiczna powinna obejmować cały okres eksploatacji, a nie tylko cenę zakupu transformatora.

Straty transformatora a rezerwa mocy

Jednym z praktycznych skutków nadmiernych strat jest ograniczenie dostępnej rezerwy mocy.

Zakład może zakładać, że transformator ma możliwość zasilenia kolejnej maszyny. W praktyce jego rzeczywista rezerwa może być mniejsza z powodu:

• harmonicznych,
• asymetrii,
• mocy biernej,
• wysokiej temperatury,
• długotrwałego obciążenia,
• strat w przewodach.

Przed przyłączeniem nowej linii produkcyjnej warto wykonać pomiar obejmujący rzeczywisty cykl pracy.

Może się okazać, że konieczna jest wymiana transformatora. W innych przypadkach część rezerwy można odzyskać przez poprawę parametrów instalacji.

Jak sprawdzić straty mocy w transformatorze?

Ocena wymaga połączenia danych technicznych, pomiarów i obserwacji warunków eksploatacyjnych.

Należy przeanalizować:

• moc pobieraną po stronie pierwotnej,
• moc oddawaną po stronie wtórnej,
• wartości prądów fazowych,
• temperaturę transformatora,
• obciążenie w czasie,
• napięcia fazowe,
• moc czynną, bierną i pozorną,
• współczynnik mocy,
• THDi i THDu,
• widmo harmonicznych,
• prąd przewodu neutralnego,
• asymetrię.

W praktyce bezpośrednie wyznaczenie wszystkich strat może wymagać specjalistycznych pomiarów.

Do oceny warunków pracy często wystarczające jest jednak połączenie pomiarów jakości energii, termowizji i analizy obciążenia.

Termowizja transformatora

Badanie termowizyjne pozwala zidentyfikować:

• lokalne przegrzanie zacisków,
• nierównomierne obciążenie faz,
• problemy z połączeniami,
• podwyższoną temperaturę obudowy,
• nieprawidłową pracę chłodzenia.

Badanie powinno być wykonywane przy reprezentatywnym obciążeniu.

Termowizja wykonana podczas postoju produkcji może nie ujawnić problemów występujących w godzinach szczytu.

Sama temperatura nie wskazuje jednak przyczyny. Powinna być analizowana razem z pomiarami elektrycznymi.

Jak długo powinien trwać pomiar?

Pomiar powinien obejmować reprezentatywny okres pracy zakładu.

W zależności od procesu może to oznaczać:

• pełną zmianę produkcyjną,
• kilka dni roboczych,
• okres weekendowy,
• rozruchy maszyn,
• zmianę asortymentu,
• maksymalne obciążenie,
• okresy zmniejszonej produkcji.

Jednorazowy pomiar może nie wykazać obciążeń występujących tylko w określonych etapach procesu.

Jak ograniczyć straty mocy w transformatorze?

Działania powinny wynikać z rzeczywistej przyczyny.

Mogą obejmować:

• poprawę współczynnika mocy,
• redukcję harmonicznych,
• symetryzację obciążeń,
• zmianę rozdziału odbiorników,
• poprawę chłodzenia,
• czyszczenie kanałów wentylacyjnych,
• naprawę połączeń,
• modernizację przewodów,
• zmianę organizacji pracy urządzeń,
• wymianę transformatora na sprawniejszy,
• dobór transformatora do odbiorników nieliniowych,
• stały monitoring parametrów.

Nie każde działanie przyniesie taki sam efekt w każdej instalacji.

Kompensacja mocy biernej a straty transformatora

Jeżeli transformator przesyła znaczną moc bierną, prąd po stronie jego uzwojeń jest większy niż wymagany do przesłania samej mocy czynnej.

Kompensacja mocy biernej może:

• zmniejszyć wartość prądu,
• ograniczyć straty w uzwojeniach,
• zmniejszyć spadki napięcia,
• zwiększyć dostępną rezerwę mocy,
• ograniczyć opłaty za energię bierną.

W instalacjach z odbiornikami nieliniowymi dobór układu kompensacji musi uwzględniać harmoniczne.

Nieprawidłowo dobrana bateria kondensatorów może zostać przeciążona lub uczestniczyć w rezonansie.

Filtracja harmonicznych a straty transformatora

Jeżeli pomiary potwierdzą wysoki poziom harmonicznych prądu, ich redukcja może zmniejszyć dodatkowe obciążenie transformatora.

Możliwe efekty obejmują:

• obniżenie wartości prądów harmonicznych,
• zmniejszenie dodatkowych strat,
• ograniczenie nagrzewania,
• poprawę warunków pracy przewodów,
• redukcję prądu przewodu neutralnego,
• zwiększenie dostępnej rezerwy instalacji.

Rzeczywisty efekt zależy od:

• poziomu harmonicznych,
• obciążenia,
• konstrukcji transformatora,
• miejsca montażu rozwiązania,
• profilu pracy zakładu.

Kiedy zastosowanie filtra aktywnego może mieć uzasadnienie?

Filtr aktywny może być rozważany, gdy analiza wykaże:

• podwyższone harmoniczne prądu,
• dynamicznie zmieniające się obciążenie,
• asymetrię prądów,
• wysoki prąd przewodu neutralnego,
• znaczący pobór mocy biernej,
• przegrzewanie instalacji związane z odkształconym prądem.

Urządzenie mierzy parametry sieci w czasie rzeczywistym i generuje prąd kompensacyjny dopasowany do bieżącego obciążenia.

W zależności od konfiguracji może realizować:

• filtrację harmonicznych prądu,
• kompensację mocy biernej,
• symetryzację prądów fazowych,
• redukcję prądu neutralnego.

Filtr aktywny nie usuwa strat jałowych transformatora i nie zastępuje naprawy uszkodzonego urządzenia. Może natomiast ograniczyć te dodatkowe obciążenia, które wynikają z parametrów prądu po stronie odbiorów.

Więcej informacji o technologiach filtracji harmonicznych, kompensacji mocy biernej i symetryzacji prądów znajduje się w opisie rozwiązań do kondycjonowania energii elektrycznej.

Czy filtr aktywny może odciążyć transformator?

Może ograniczyć część obciążenia prądowego, jeżeli jego źródłem są:

• harmoniczne,
• moc bierna,
• asymetria,
• wysoki prąd przewodu neutralnego.

Nie oznacza to jednak zwiększenia mocy znamionowej transformatora.

Możliwym rezultatem jest lepsze wykorzystanie istniejącej mocy poprzez ograniczenie prądów, które nie przekładają się bezpośrednio na użyteczną moc czynną.

Efekt powinien zostać oceniony na podstawie pomiarów przed wdrożeniem oraz po jego uruchomieniu.

Kiedy wymiana transformatora jest konieczna?

Wymiana lub zwiększenie mocy transformatora może być konieczne, gdy:

• zapotrzebowanie na moc przekracza jego możliwości,
• urządzenie jest w złym stanie technicznym,
• izolacja uległa degradacji,
• chłodzenie jest niewystarczające,
• planowana rozbudowa przekracza dostępną rezerwę,
• konstrukcja nie jest odpowiednia dla charakteru obciążenia,
• straty eksploatacyjne są ekonomicznie nieuzasadnione.

Przed podjęciem decyzji warto jednak ustalić, jaka część obciążenia wynika z mocy czynnej, a jaka z mocy biernej, asymetrii i harmonicznych.

Straty mocy w transformatorze – podsumowanie

Straty mocy w transformatorze obejmują przede wszystkim:

• straty jałowe w rdzeniu,
• straty obciążeniowe w uzwojeniach,
• straty dodatkowe wynikające z pól rozproszenia i odkształconych prądów.

W instalacji przemysłowej ich rzeczywisty poziom zależy nie tylko od mocy odbiorników, ale także od:

• współczynnika mocy,
• harmonicznych,
• asymetrii,
• temperatury,
• sposobu obciążenia,
• jakości chłodzenia.

Transformator może pracować w niekorzystnych warunkach cieplnych, mimo że moc czynna nie przekracza wartości znamionowej.

Dlatego ocena powinna obejmować:

1. analizę obciążenia,
2. pomiar prądów każdej fazy,
3. pomiar mocy czynnej, biernej i pozornej,
4. analizę harmonicznych,
5. kontrolę prądu neutralnego,
6. pomiar temperatury,
7. ocenę dostępnej rezerwy mocy.

Dopiero na tej podstawie można zdecydować, czy właściwym działaniem jest poprawa chłodzenia, kompensacja mocy biernej, redukcja harmonicznych, symetryzacja obciążeń czy wymiana transformatora.

FAQ – najczęstsze pytania o straty transformatora

Jakie są podstawowe straty mocy w transformatorze?

Najważniejsze są straty jałowe w rdzeniu oraz straty obciążeniowe w uzwojeniach. Występują również straty dodatkowe związane między innymi z prądami wirowymi i polami rozproszenia.

Czy transformator pobiera energię bez obciążenia?

Tak. Po podaniu napięcia występują straty jałowe, nawet gdy po stronie wtórnej nie pracują odbiorniki.

Dlaczego transformator się grzeje?

Nagrzewanie wynika głównie ze strat w rdzeniu i uzwojeniach. Nadmierna temperatura może być skutkiem przeciążenia, harmonicznych, mocy biernej, asymetrii, wysokiej temperatury otoczenia lub niesprawnego chłodzenia.

Czy harmoniczne zwiększają straty transformatora?

Tak. Mogą zwiększać wartość skuteczną prądu, straty w uzwojeniach i straty od prądów wirowych, prowadząc do dodatkowego nagrzewania.

Czy moc bierna obciąża transformator?

Tak. Powoduje przepływ dodatkowego prądu, który zwiększa straty i ogranicza dostępną rezerwę mocy.

Czy transformator może być przeciążony przy mocy niższej od znamionowej?

Tak. Może dojść do nadmiernego obciążenia cieplnego wskutek harmonicznych, asymetrii, mocy biernej lub wysokiej temperatury.

Jak sprawdzić rezerwę mocy transformatora?

Należy zmierzyć obciążenie każdej fazy, moc czynną, bierną i pozorną, harmoniczne, asymetrię i temperaturę w reprezentatywnym okresie pracy.

Czy filtr aktywny zmniejsza straty transformatora?

Może ograniczyć dodatkowe straty związane z harmonicznymi, mocą bierną i asymetrią, jeśli zjawiska te zostały potwierdzone pomiarami.

Czy filtr aktywny zwiększa moc transformatora?

Nie zwiększa jego mocy znamionowej. Może jednak ograniczyć zbędny przepływ prądu i poprawić wykorzystanie istniejącej rezerwy.

Kiedy należy wymienić transformator?

Gdy jego moc jest niewystarczająca, stan techniczny jest zły, straty są nadmierne lub planowana rozbudowa przekracza możliwości urządzenia. Decyzję warto poprzedzić analizą jakości energii i rzeczywistego obciążenia.