変圧器におけるエネルギー損失
変圧器は、一つの電気回路から別の回路へと電力を移動させる受動的なコンポーネントです。世界中での電力の生成、送電、配電において重要な役割を果たしています。これらの必須デバイスは、異なる電圧レベルの回路間での電力の効率的な転送を可能にし、現代の電力システムの信頼性と安定性を保証します。この記事では、変圧器の原理、さまざまなタイプ、そして私たちの日常生活における広範な応用について探求します。
変圧器におけるエネルギー損失の分類
変圧器でのエネルギー損失は大きく分けて二つのカテゴリーに分類されます：コア損失と銅損失（または巻線損失）です。これらの損失は効率の低下と運転温度の増加を引き起こし、変圧器の性能と寿命に影響を与える可能性があります。
コア損失
コア損失、または鉄損失、磁気損失とも呼ばれるこれらの損失は、交流磁場によって変圧器の磁気コアで発生します。二つの主な成分があります：
– ヒステリシス損失：ヒステリシス損失は、交流電流が一次巻線を通過することによってコア材料の磁場が連続して逆転する際に生じます。コア材料の磁化および脱磁サイクル中に熱として散逸するエネルギーがヒステリシス損失を引き起こします。ヒステリシス損失はAC供給の周波数に比例し、シリコン鋼のような低ヒステリシス係数のコア材料を使用することで減少させることができます。
– エディ電流損失：エディ電流損失は、コア材料自体内で誘導される電流の循環によって生じます。これらの電流は熱を発生させ、エネルギー損失を引き起こします。エディ電流損失は供給周波数の二乗とコアの厚さの二乗に比例します。エディ電流損失を最小限に抑えるために、変圧器のコアは薄い絶縁層でラミネートされたコア材料で構成されており、効果的な厚さとそれによるエディ電流を減少させます。
銅損失（巻線損失）
銅損失、または巻線損失、オーム損失とも呼ばれるこれらの損失は、変圧器の巻線（一次および二次）の抵抗によって生じます。電流が巻線を流れると、抵抗によって熱が発生し、エネルギー損失につながります。銅損失は電流の二乗に比例し、以下のように表されます：
– 一次巻線損失：Pp = Ip2 * Rp
– 二次巻線損失：Ps = Is2 * Rs
ここで、PpとPsはそれぞれ一次および二次巻線の電力損失を表し、IpとIsは一次および二次巻線の電流、RpとRsは一次および二次巻線の抵抗をそれぞれ表します。銅損失は、より低い抵抗を有する大径の導体を使用すること、または高純度の銅やアルミニウムのようなより良い導電性を持つ材料を使用することで最小化できます。
コア損失と銅損失に加えて、漂遊負荷損失や誘電損失などの他の小さな損失も変圧器の全体的なエネルギー損失に寄与することがあります。しかし、これらの損失は通常、コア損失や銅損失と比較して小さく、それほど重要ではありません。
