Transformer -Transformer

Polmonteret distributionstransformator med center-tappet sekundær vikling, der bruges til at levere " split-fase " strøm til boliger og lette kommercielle tjenester, som i Nordamerika typisk er vurderet til 120/240 V.

En transformer er en passiv komponent , der overfører elektrisk energi fra et elektrisk kredsløb til et andet kredsløb eller flere kredsløb . En varierende strøm i enhver spole af transformeren producerer en varierende magnetisk flux i transformatorens kerne, som inducerer en varierende elektromotorisk kraft på tværs af andre spoler, der er viklet omkring den samme kerne. Elektrisk energi kan overføres mellem separate spoler uden en metallisk (ledende) forbindelse mellem de to kredsløb. Faradays lov om induktion , opdaget i 1831, beskriver den inducerede spændingseffekt i enhver spole på grund af en skiftende magnetisk flux omkranset af spolen.

Transformatorer bruges til at ændre AC- spændingsniveauer, sådanne transformere kaldes step-up (eller step-down) type for at øge (eller mindske) spændingsniveau. Transformatorer kan også bruges til at give galvanisk isolation mellem kredsløb samt til at koble trin af signalbehandlingskredsløb. Siden opfindelsen af ​​den første konstant-potentiale transformer i 1885, er transformatorer blevet afgørende for transmission , distribution og udnyttelse af vekselstrøm elektrisk strøm. En bred vifte af transformatordesigns findes i elektroniske og elektriske strømapplikationer. Transformatorer varierer i størrelse fra RF- transformatorer mindre end en kubikcentimeter i volumen, til enheder, der vejer hundredvis af tons, der bruges til at forbinde elnettet .

Principper

Ideelle transformatorligninger

Ved Faradays lov om induktion:

. . . (lign. 1)

. . . (lign. 2)

Hvor er den øjeblikkelige spænding , er antallet af viklinger i en vikling, dΦ/dt er den afledte af den magnetiske flux Φ gennem en vikling af viklingen over tid ( t ), og underordnede P og S angiver primær og sekundær.

Ved at kombinere forholdet mellem lign. 1 & lign. 2:

Omdrejningsforhold . . . (lign. 3)

Hvor for en step-up transformer a < 1 og for en step-down transformer a > eller = 1.

Ved lov om bevarelse af energi bevares tilsyneladende , reel og reaktiv effekt hver i input og output:

. . . . (lign. 4)

Hvor er tilsyneladende strøm og er aktuel .

Ved at kombinere lign. 3 & lign. 4 med denne slutnote giver den ideelle transformatoridentitet :

. (lign. 5)

Hvor er viklings selvinduktans.

Ved Ohms lov og ideelle transformatoridentitet:

. . . (lign. 6)

. (lign. 7)

Hvor er belastningsimpedansen for det sekundære kredsløb & er den tilsyneladende belastnings- eller kørepunktsimpedans for det primære kredsløb, overskriften angiver det primære.

Ideel transformer

En ideel transformer er en teoretisk lineær transformer, der er tabsfri og perfekt koblet . Perfekt kobling indebærer uendelig høj magnetisk kernepermeabilitet og viklingsinduktans og nul netto magnetomotorisk kraft (dvs. i p n p  −  i s n s  = 0).

Ideel transformer forbundet med kilde V P på primær og belastningsimpedans Z L på sekundær, hvor 0 <  Z L  < ∞.
Ideel transformator og induktionslov

En varierende strøm i transformatorens primærvikling skaber en varierende magnetisk flux i transformatorkernen, som også er omkranset af sekundærviklingen. Denne varierende flux ved sekundærviklingen inducerer en varierende elektromotorisk kraft eller spænding i sekundærviklingen. Dette elektromagnetiske induktionsfænomen er grundlaget for transformatorvirkning, og i overensstemmelse med Lenz' lov skaber den således frembragte sekundære strøm en flux, der er lig med og modsat den, der produceres af primærviklingen.

Vindingerne er viklet omkring en kerne med uendelig høj magnetisk permeabilitet, således at al den magnetiske flux passerer gennem både de primære og sekundære viklinger. Med en spændingskilde forbundet til primærviklingen og en belastning forbundet til sekundærviklingen flyder transformatorstrømmene i de angivne retninger, og kernens magnetomotoriske kraft annulleres til nul.

Ifølge Faradays lov , da den samme magnetiske flux passerer gennem både de primære og sekundære viklinger i en ideel transformer, induceres en spænding i hver vikling proportional med dens antal viklinger. Transformatorviklingsspændingsforholdet er lig med viklingsdrejningsforholdet.

En ideel transformer er en rimelig tilnærmelse til en typisk kommerciel transformer, hvor spændingsforhold og viklingsdrejningsforhold begge er omvendt proportional med det tilsvarende strømforhold.

Belastningsimpedansen henvist til det primære kredsløb er lig med vindingsforholdet i kvadrat gange den sekundære kredsløbs belastningsimpedans.

Rigtig transformer

Lækageflux af en transformer

Afvigelser fra ideel transformer

Den ideelle transformermodel ignorerer følgende grundlæggende lineære aspekter af rigtige transformere:

(a) Kernetab, samlet kaldet magnetiserende strømtab, bestående af

  • Hysteresetab på grund af ikke-lineære magnetiske effekter i transformatorkernen, og
  • Hvirvelstrømstab på grund af joule-opvarmning i kernen, der er proportionale med kvadratet på transformatorens påførte spænding.

(b) I modsætning til den ideelle model har viklingerne i en rigtig transformer modstande og induktanser, der ikke er nul, forbundet med:

  • Joule-tab på grund af modstand i de primære og sekundære viklinger
  • Lækageflux, der slipper ud af kernen og passerer gennem én vikling, hvilket kun resulterer i primær og sekundær reaktiv impedans.

(c) svarende til en induktor , parasitisk kapacitans og selvresonansfænomen på grund af den elektriske feltfordeling. Tre slags parasitisk kapacitans tages normalt i betragtning, og de lukkede kredsløbsligninger er tilvejebragt

  • Kapacitans mellem tilstødende vindinger i ethvert lag;
  • Kapacitans mellem tilstødende lag;
  • Kapacitans mellem kernen og det eller de lag, der støder op til kernen;

Inkludering af kapacitans i transformermodellen er kompliceret og forsøges sjældent; den "rigtige" transformermodels tilsvarende kredsløb vist nedenfor inkluderer ikke parasitisk kapacitans. Kapacitanseffekten kan dog måles ved at sammenligne åben kredsløbsinduktans, altså induktansen af ​​en primærvikling, når sekundærkredsen er åben, med en kortslutningsinduktans, når sekundærviklingen er kortsluttet.

Lækageflux

Den ideelle transformermodel antager, at al flux genereret af den primære vikling forbinder alle vindingerne i hver vikling, inklusive sig selv. I praksis krydser nogle flux stier, der fører den uden for viklingerne. En sådan flux kaldes lækageflux og resulterer i lækageinduktans i serie med de indbyrdes koblede transformerviklinger. Lækageflux resulterer i, at energi skiftevis lagres i og udledes fra magnetfelterne med hver cyklus af strømforsyningen. Det er ikke direkte et effekttab, men resulterer i ringere spændingsregulering , hvilket bevirker, at den sekundære spænding ikke er direkte proportional med den primære spænding, især under kraftig belastning. Transformatorer er derfor normalt designet til at have meget lav lækageinduktans.

I nogle applikationer ønskes øget lækage, og lange magnetiske baner, luftgab eller magnetiske bypass-shunts kan med vilje indføres i et transformerdesign for at begrænse den kortslutningsstrøm, det vil levere. Utætte transformere kan bruges til at forsyne belastninger, der udviser negativ modstand , såsom lysbuer , kviksølv- og natriumdamplamper og neonskilte eller til sikker håndtering af belastninger, der periodisk bliver kortsluttet, såsom lysbuesvejsere .

Luftspalter bruges også til at forhindre en transformer i at mætte, især lydfrekvenstransformatorer i kredsløb, der har en DC-komponent, der flyder i viklingerne. En mættelig reaktor udnytter mætning af kernen til at kontrollere vekselstrøm.

Kendskab til lækageinduktans er også nyttig, når transformere drives parallelt. Det kan påvises, at hvis den procentvise impedans og tilhørende viklingslækage reaktans-til-modstand ( X / R ) forholdet for to transformere var det samme, ville transformatorerne dele belastningseffekten i forhold til deres respektive nominelle. Imidlertid er impedanstolerancerne for kommercielle transformere betydelige. Impedansen og X/R-forholdet for transformere med forskellige kapacitet har også en tendens til at variere.

Tilsvarende kredsløb

Idet der henvises til diagrammet, kan en praktisk transformers fysiske adfærd være repræsenteret af en tilsvarende kredsløbsmodel , som kan inkorporere en ideel transformer.

Winding joule tab og lækage reaktanser er repræsenteret af følgende serie loop impedanser af modellen:

  • Primær vikling: RP , X P
  • Sekundærvikling: R S , X S .

I det normale forløb af kredsløbsækvivalenstransformation refereres R S og X S i praksis sædvanligvis til den primære side ved at gange disse impedanser med vindingsforholdet i kvadrat, ( N P / N S )  2  = a 2 .

Ægte transformerækvivalent kredsløb

Kernetab og reaktans er repræsenteret af følgende shuntbensimpedanser i modellen:

  • Kerne- eller jerntab: R C
  • Magnetiseringsreaktans: X M .

RC og X M kaldes samlet for den magnetiserende gren af ​​modellen.

Kernetab er hovedsagelig forårsaget af hysterese og hvirvelstrømseffekter i kernen og er proportionale med kvadratet af kernefluxen for drift ved en given frekvens. Den endelige permeabilitetskerne kræver en magnetiseringsstrøm I M for at opretholde gensidig flux i kernen. Magnetiseringsstrømmen er i fase med fluxen, idet forholdet mellem de to er ikke-lineært på grund af mætningseffekter. Imidlertid er alle impedanser af det viste ækvivalente kredsløb per definition lineære, og sådanne ikke-linearitetseffekter afspejles typisk ikke i transformatorækvivalente kredsløb. Med sinusformet forsyning forsinker kerneflux den inducerede EMF med 90°. Med åben sekundærvikling er magnetiseringsgrenstrøm I 0 lig med transformatorens tomgangsstrøm.

Instrumenttransformator, med polaritetspunkt og X1-markering på LV-sideklemmen

Den resulterende model, selvom den nogle gange kaldes 'præcis' ækvivalent kredsløb baseret på linearitetsantagelser , bevarer en række tilnærmelser. Analyse kan forenkles ved at antage, at magnetiserende grenimpedans er relativt høj og flytte grenen til venstre for de primære impedanser. Dette introducerer fejl, men tillader kombination af primære og refererede sekundære modstande og reaktanser ved simpel summering som to serieimpedanser.

Transformatorækvivalente kredsløbsimpedans- og transformerforholdsparametre kan udledes af følgende tests: åben kredsløbstest , kortslutningstest , viklingsmodstandstest og transformatorforholdstest.

Transformer EMF-ligning

Hvis fluxen i kernen er rent sinusformet , forholdet for hver vikling mellem dens rms - spænding E rms af viklingen og forsyningsfrekvensen f , antal vindinger N , kernens tværsnitsareal A i m 2 og spidsmagnetisk fluxtæthed B - top i Wb/m 2 eller T (tesla) er givet af den universelle EMF-ligning:


Polaritet

En prikkonvention bruges ofte i transformerkredsløbsdiagrammer, navneskilte eller terminalmarkeringer for at definere den relative polaritet af transformatorviklinger. Positivt stigende øjeblikkelig strøm, der kommer ind i primærviklingens "prikkede" ende, inducerer positiv polaritetsspænding, der forlader sekundærviklingens "prik"-ende. Trefasede transformatorer, der bruges i elektriske kraftsystemer, vil have et navneskilt, der angiver faseforholdet mellem deres terminaler. Dette kan være i form af et fasediagram eller ved at bruge en alfanumerisk kode til at vise typen af ​​intern forbindelse (wye eller delta) for hver vikling.

Effekt af frekvens

EMF af en transformator ved en given flux stiger med frekvensen. Ved at arbejde ved højere frekvenser kan transformatorer være fysisk mere kompakte, fordi en given kerne er i stand til at overføre mere strøm uden at nå mætning, og færre drejninger er nødvendige for at opnå den samme impedans. Egenskaber som kernetab og lederskindeffekt øges dog også med frekvensen. Fly og militærudstyr anvender 400 Hz strømforsyninger, som reducerer kerne- og viklingsvægt. Omvendt var frekvenser, der blev brugt til nogle jernbaneelektrificeringssystemer, meget lavere (f.eks. 16,7 Hz og 25 Hz) end normale forsyningsfrekvenser (50-60 Hz) af historiske årsager, der hovedsageligt drejede sig om begrænsningerne af tidlige elektriske traktionsmotorer . Som følge heraf var transformatorerne, der blev brugt til at sænke de høje luftledningsspændinger, meget større og tungere for den samme effekt end dem, der kræves til de højere frekvenser.

Power transformer overexcitation tilstand forårsaget af nedsat frekvens; flux (grøn), jernkernes magnetiske egenskaber (rød) og magnetiseringsstrøm (blå).

Drift af en transformer ved dens beregnede spænding, men ved en højere frekvens end beregnet, vil føre til reduceret magnetiseringsstrøm. Ved en lavere frekvens vil magnetiseringsstrømmen stige. Drift af en stor transformer ved en anden end dens designfrekvens kan kræve vurdering af spændinger, tab og køling for at fastslå, om sikker drift er praktisk. Transformatorer kan kræve beskyttelsesrelæer for at beskytte transformeren mod overspænding ved højere end den nominelle frekvens.

Et eksempel er traktionstransformatorer, der bruges til elektriske flere enheder og højhastighedstog , der kører på tværs af regioner med forskellige elektriske standarder. Konverterudstyret og traktionstransformatorerne skal rumme forskellige indgangsfrekvenser og spændinger (spænder fra så højt som 50 Hz ned til 16,7 Hz og nominelt op til 25 kV).

Ved meget højere frekvenser falder den krævede transformatorkernestørrelse dramatisk: En fysisk lille transformer kan håndtere effektniveauer, der ville kræve en massiv jernkerne ved netfrekvensen. Udviklingen af ​​switching power-halvlederenheder gjorde switch-mode strømforsyninger levedygtige, for at generere en høj frekvens og derefter ændre spændingsniveauet med en lille transformer.

Store strømtransformatorer er sårbare over for isolationsfejl på grund af transiente spændinger med højfrekvente komponenter, som f.eks. forårsaget af omkobling eller lynnedslag.

Energitab

Transformatorenergitab er domineret af viklings- og kernetab. Transformatorers effektivitet har en tendens til at blive bedre med stigende transformerkapacitet. Effektiviteten af ​​typiske distributionstransformatorer er mellem omkring 98 og 99 procent.

Da transformatortab varierer med belastningen, er det ofte nyttigt at tabulere tomgangstab, fuldlasttab, halvlasttab og så videre. Hysterese- og hvirvelstrømstab er konstante ved alle belastningsniveauer og dominerer uden belastning, mens viklingstabet stiger, når belastningen øges. Tomgangstabet kan være betydeligt, således at selv en tomgangstransformator udgør et dræn på elforsyningen. At designe energieffektive transformere til lavere tab kræver en større kerne, siliciumstål af god kvalitet eller endda amorft stål til kernen og tykkere ledning, hvilket øger startomkostningerne. Valget af konstruktion repræsenterer en afvejning mellem startomkostninger og driftsomkostninger.

Transformatortab skyldes:

Winding joule-tab
Strøm, der løber gennem en viklings leder, forårsager joule-opvarmning på grund af ledningens modstand . Efterhånden som frekvensen stiger, får hudeffekten og nærhedseffekten viklingens modstand og dermed tab til at øges.
Kernetab
Hysteresetab
Hver gang magnetfeltet vendes, går en lille mængde energi tabt på grund af hysterese inde i kernen, forårsaget af bevægelse af de magnetiske domæner i stålet. Ifølge Steinmetz' formel er varmeenergien på grund af hysterese givet af
og,
hysteresetab er således givet ved
hvor f er frekvensen, η er hysteresekoefficienten og β max er den maksimale fluxtæthed, hvis empiriske eksponent varierer fra ca. 1,4 til 1,8, men ofte angives som 1,6 for jern. For mere detaljeret analyse, se Magnetisk kerne og Steinmetz' ligning .
Hvirvelstrømstab
Hvirvelstrømme induceres i den ledende metaltransformatorkerne af det skiftende magnetfelt, og denne strøm, der strømmer gennem jernets modstand, spreder energi som varme i kernen. Hvirvelstrømstabet er en kompleks funktion af kvadratet på forsyningsfrekvensen og det omvendte kvadrat af materialetykkelsen. Hvirvelstrømstab kan reduceres ved at gøre kernen i en stabel af lamineringer (tynde plader) elektrisk isoleret fra hinanden i stedet for en massiv blok; alle transformere, der arbejder ved lave frekvenser, bruger laminerede eller lignende kerner.
Magnetostriktionsrelateret transformerbrum
Magnetisk flux i et ferromagnetisk materiale, såsom kernen, får det til fysisk at udvide sig og trække sig lidt sammen med hver cyklus af magnetfeltet, en effekt kendt som magnetostriktion , hvis friktionsenergi frembringer en hørbar støj kendt som netbrum eller "transformer" hum". Denne transformer-brum er især forkastelig i transformere, der leveres ved strømfrekvenser og i højfrekvente tilbageløbstransformatorer, der er forbundet med tv- CRT'er .
Omstrejfende tab
Lækageinduktans er i sig selv stort set tabsfri, da energi, der leveres til dets magnetiske felter, returneres til forsyningen med den næste halvcyklus. Imidlertid vil enhver lækageflux, der opsnapper nærliggende ledende materialer, såsom transformatorens støttestruktur, give anledning til hvirvelstrømme og blive omdannet til varme.
Strålende
Der er også strålingstab på grund af det oscillerende magnetfelt, men disse er normalt små.
Mekanisk vibration og hørbar støjtransmission
Ud over magnetostriktion forårsager det vekslende magnetfelt fluktuerende kræfter mellem primær- og sekundærviklingen. Denne energi ansporer til vibrationstransmission i indbyrdes forbundne metalværker, og forstærker således hørbar transformatorbrum.

Konstruktion

Kerner

Kerneform = kernetype; skalform = skaltype

Transformatorer med lukket kerne er konstrueret i 'kerneform' eller 'skalform'. Når viklinger omgiver kernen, er transformatoren kerneform; når viklinger er omgivet af kernen, er transformatoren skalform. Skalformdesign kan være mere udbredt end kerneformdesign til distributionstransformatorapplikationer på grund af den relative lethed ved at stable kernen omkring viklingsspoler. Kerneformdesign har en tendens til, som en generel regel, at være mere økonomisk og derfor mere udbredt end skalformdesign til højspændingstransformatorapplikationer i den nedre ende af deres spændings- og effektområde (mindre end eller lig med nominelt, 230 kV eller 75 MVA). Ved højere spændings- og effektmærker har skalformede transformatorer en tendens til at være mere udbredte. Skalformdesign har en tendens til at blive foretrukket til applikationer med ekstra høj spænding og højere MVA, fordi skalformede transformere, selvom de er mere arbejdskrævende at fremstille, karakteriseres som havende et iboende bedre kVA-til-vægt-forhold, bedre kortslutningsstyrkeegenskaber og højere immunitet over for transportskader.

Laminerede stålkerner

Lamineret kernetransformator, der viser kanten af ​​lamineringer øverst på billedet
Interleaved EI transformer lamineringer viser luftgab og fluxveje

Transformatorer til brug ved strøm- eller lydfrekvenser har typisk kerner lavet af siliciumstål med høj permeabilitet . Stålet har en permeabilitet mange gange større end det frie rum, og kernen tjener således til i høj grad at reducere magnetiseringsstrømmen og begrænse fluxen til en bane, som tæt kobler viklingerne. Tidlige transformatorudviklere indså snart, at kerner konstrueret af massivt jern resulterede i uoverkommelige hvirvelstrømstab, og deres design afbød denne effekt med kerner bestående af bundter af isolerede jerntråde. Senere designs konstruerede kernen ved at stable lag af tynde stållamineringer, et princip, der er forblevet i brug. Hver laminering er isoleret fra sine naboer af et tyndt ikke-ledende lag isolering. Transformatorens universelle EMF-ligning kan bruges til at beregne kernens tværsnitsareal for et foretrukket niveau af magnetisk flux.

Effekten af ​​lamineringer er at begrænse hvirvelstrømme til stærkt elliptiske baner, der omslutter lidt flux og således reducerer deres størrelse. Tyndere lamineringer reducerer tab, men er mere besværlige og dyre at konstruere. Tynde lamineringer bruges generelt på højfrekvente transformere, med nogle meget tynde stållamineringer, der kan fungere op til 10 kHz.

Laminering af kernen reducerer i høj grad hvirvelstrømstab

Et almindeligt design af lamineret kerne er lavet af sammenflettede stakke af E-formede stålplader, der er dækket af I-formede stykker, hvilket fører til navnet 'EI-transformer'. Et sådant design har en tendens til at udvise flere tab, men er meget økonomisk at fremstille. Den cut-core eller C-kerne typen er lavet ved at vikle en stålstrimmel rundt om en rektangulær form og derefter binde lagene sammen. Derefter skæres den i to og danner to C-former, og kernen samles ved at binde de to C-halvdele sammen med en stålstrop. De har den fordel, at fluxen altid er orienteret parallelt med metalkornene, hvilket reducerer modvilje.

En stålkernes remanens betyder, at den bevarer et statisk magnetfelt, når strømmen afbrydes. Når strømmen derefter tilføres igen, vil det resterende felt forårsage en høj startstrøm , indtil effekten af ​​den resterende magnetisme er reduceret, normalt efter et par cyklusser af den påførte AC-bølgeform. Overstrømsbeskyttelsesanordninger såsom sikringer skal vælges for at tillade denne harmløse indstrømning at passere.

På transformere, der er forbundet til lange, overliggende krafttransmissionsledninger, kan inducerede strømme på grund af geomagnetiske forstyrrelser under solstorme forårsage mætning af kernen og drift af transformatorbeskyttelsesanordninger.

Fordelingstransformatorer kan opnå lave tomgangstab ved at bruge kerner fremstillet af siliciumstål med lavt tab og høj permeabilitet eller amorf (ikke-krystallinsk) metallegering . De højere startomkostninger for kernematerialet opvejes i løbet af transformatorens levetid af dets lavere tab ved let belastning.

Solide kerner

Pulveriserede jernkerner bruges i kredsløb såsom switch-mode strømforsyninger, der fungerer over netfrekvenser og op til et par tiere kilohertz. Disse materialer kombinerer høj magnetisk permeabilitet med høj bulk elektrisk resistivitet . For frekvenser, der strækker sig ud over VHF-båndet , er kerner lavet af ikke-ledende magnetiske keramiske materialer kaldet ferritter almindelige. Nogle radiofrekvenstransformatorer har også bevægelige kerner (nogle gange kaldet 'slugs'), som tillader justering af koblingskoefficienten (og båndbredden ) af indstillede radiofrekvenskredsløb.

Toroidale kerner

Lille ringkernetransformator

Toroidformede transformere er bygget op omkring en ringformet kerne, som afhængigt af driftsfrekvensen er lavet af en lang strimmel siliciumstål eller permalloy viklet ind i en spole, pulveriseret jern eller ferrit . En strimmelkonstruktion sikrer, at korngrænserne er optimalt justeret, hvilket forbedrer transformatorens effektivitet ved at reducere kernens modvilje . Den lukkede ringform eliminerer luftspalter, der er iboende i konstruktionen af ​​en EI-kerne. Ringens tværsnit er normalt kvadratisk eller rektangulært, men dyrere kerner med cirkulært tværsnit er også tilgængelige. De primære og sekundære spoler er ofte viklet koncentrisk for at dække hele overfladen af ​​kernen. Dette minimerer længden af ​​den nødvendige ledning og giver afskærmning for at minimere kernens magnetiske felt fra at generere elektromagnetisk interferens .

Toroidale transformere er mere effektive end de billigere laminerede EI-typer til et tilsvarende effektniveau. Andre fordele sammenlignet med EI-typer inkluderer mindre størrelse (ca. halvdelen), lavere vægt (ca. halvdelen), mindre mekanisk brummen (gør dem overlegne i lydforstærkere), lavere ydre magnetfelt (ca. en tiendedel), lave off-load tab ( gør dem mere effektive i standby-kredsløb), enkeltboltsmontering og større udvalg af former. De største ulemper er højere omkostninger og begrænset strømkapacitet (se Klassifikationsparametre nedenfor). På grund af manglen på et resterende mellemrum i den magnetiske bane, har toroidformede transformere også en tendens til at udvise højere startstrøm sammenlignet med laminerede EI-typer.

Ferrit-toroidale kerner bruges ved højere frekvenser, typisk mellem et par titusinder af kilohertz til hundredvis af megahertz, for at reducere tab, fysisk størrelse og vægt af induktive komponenter. En ulempe ved ringformet transformerkonstruktion er de højere lønomkostninger ved vikling. Dette skyldes, at det er nødvendigt at føre hele længden af ​​en spole, der snor sig gennem kerneåbningen, hver gang der tilføjes en enkelt omgang til spolen. Som en konsekvens heraf er ringkernetransformatorer, der er vurderet til mere end et par kVA, ualmindelige. Relativt få toroider tilbydes med en effekt på over 10 kVA, og praktisk talt ingen over 25 kVA. Små distributionstransformatorer kan opnå nogle af fordelene ved en ringkerne ved at opdele den og tvinge den til at åbne og derefter indsætte en spole, der indeholder primære og sekundære viklinger.

Luftkerner

En transformer kan fremstilles ved at placere viklingerne tæt på hinanden, et arrangement kaldet en "luftkerne" transformer. En luftkernetransformer eliminerer tab på grund af hysterese i kernematerialet. Den magnetiserende induktans reduceres drastisk af manglen på en magnetisk kerne, hvilket resulterer i store magnetiseringsstrømme og tab, hvis de bruges ved lave frekvenser. Luftkernetransformatorer er uegnede til brug i strømdistribution, men anvendes ofte i radiofrekvensapplikationer. Luftkerner bruges også til resonanstransformatorer som Tesla-spoler, hvor de kan opnå et rimeligt lavt tab trods den lave magnetiserende induktans.

Vindinger

Vindingerne er normalt arrangeret koncentrisk for at minimere fluxlækage.
Klip gennem transformatorviklinger. Forklaring:
Hvid : Luft, væske eller andet isolerende medium
Grøn spiral : Kornorienteret siliciumstål
Sort : Primær vikling
Rød : Sekundær vikling

Den elektriske leder, der bruges til viklingerne, afhænger af anvendelsen, men i alle tilfælde skal de enkelte vindinger være elektrisk isolerede fra hinanden for at sikre, at strømmen går gennem hver vinding. For små transformatorer, hvor strømmene er lave og potentialeforskellen mellem tilstødende vindinger er lille, er spolerne ofte viklet af emaljeret magnettråd . Større krafttransformatorer kan vikles med rektangulære kobberstrimmelledere isoleret med olieimprægneret papir og klodser af trykplader .

Højfrekvente transformatorer, der arbejder i ti til hundredvis af kilohertz, har ofte viklinger lavet af flettet Litz-tråd for at minimere tab af hudeffekt og nærhedseffekt. Store strømtransformatorer bruger også flerstrengede ledere, da selv ved lave strømfrekvenser ellers ville eksistere uensartet strømfordeling i højstrømsviklinger. Hver streng er individuelt isoleret, og strengene er arrangeret således, at på bestemte punkter i viklingen, eller gennem hele viklingen, hver del indtager forskellige relative positioner i hele lederen. Transpositionen udligner strømmen, der flyder i hver tråd af lederen, og reducerer hvirvelstrømstab i selve viklingen. Den flertrådede leder er også mere fleksibel end en solid leder af tilsvarende størrelse, hvilket hjælper fremstillingen.

Vindingerne på signaltransformatorer minimerer lækageinduktans og strøkapacitans for at forbedre højfrekvensresponsen. Spoler er opdelt i sektioner, og disse sektioner indflettet mellem sektionerne af den anden vikling.

Effekt-frekvenstransformatorer kan have udtag på mellemliggende punkter på viklingen, normalt på den højere spændingsviklingsside, til spændingsjustering. Haner kan tilsluttes manuelt igen, eller der kan være en manuel eller automatisk kontakt til at skifte haner. Automatiske trinkoblere bruges i elektrisk krafttransmission eller -distribution, på udstyr såsom lysbueovnstransformatorer eller til automatiske spændingsregulatorer til følsomme belastninger. Lydfrekvenstransformatorer, der bruges til distribution af lyd til højttalere, har udtag for at tillade justering af impedans til hver højttaler. En center-tappet transformer bruges ofte i udgangstrinnet af en lydeffektforstærker i et push-pull-kredsløb . Modulationstransformatorer i AM- sendere er meget ens.

Køling

Udskåret billede af væske-nedsænket transformer. Konservatoren (reservoiret) i toppen sørger for væske-til-atmosfære-isolering som kølevæskeniveau og temperaturændringer. Væggene og finnerne sørger for den nødvendige varmeafledning.

Det er en tommelfingerregel, at den forventede levetid for elektrisk isolering halveres for hver 7 °C til 10 °C stigning i driftstemperaturen (et eksempel på anvendelsen af ​​Arrhenius-ligningen ).

Små tør-type og væskenedsænkede transformere er ofte selvkølede ved naturlig konvektion og strålingsvarmeafledning . Efterhånden som effekten stiger, køles transformatorer ofte ved tvungen luftkøling, tvungen oliekøling, vandkøling eller kombinationer af disse. Store transformere er fyldt med transformerolie, der både køler og isolerer viklingerne. Transformerolie er en højraffineret mineralolie, der afkøler viklingerne og isoleringen ved at cirkulere i transformatortanken. Mineralolie- og papirisoleringssystemet er blevet grundigt undersøgt og brugt i mere end 100 år. Det anslås, at 50 % af strømtransformatorerne vil overleve 50 års brug, at den gennemsnitlige alder for svigt på strømtransformatorer er omkring 10 til 15 år, og at omkring 30 % af strømtransformatorernes svigt skyldes isolerings- og overbelastningsfejl. Længerevarende drift ved forhøjede temperaturer forringer de isolerende egenskaber af viklingsisolering og dielektrisk kølevæske, hvilket ikke kun forkorter transformatorens levetid, men i sidste ende kan føre til katastrofalt transformatorfejl. Med en stor mængde empiriske undersøgelser som guide giver test af transformatorolie, herunder analyse af opløst gas, værdifuld vedligeholdelsesinformation.

Bygningsreglementer i mange jurisdiktioner kræver indendørs væskefyldte transformere enten at bruge dielektriske væsker, der er mindre brandfarlige end olie, eller installeres i brandsikre rum. Luftkølede tørre transformere kan være mere økonomiske, hvor de eliminerer omkostningerne ved et brandsikkert transformerrum.

Tanken med væskefyldte transformere har ofte radiatorer, gennem hvilke den flydende kølevæske cirkulerer ved naturlig konvektion eller finner. Nogle store transformere anvender elektriske ventilatorer til tvungen luftkøling, pumper til tvungen væskekøling eller har varmevekslere til vandkøling. En olienedsænket transformer kan være udstyret med et Buchholz-relæ , som, afhængigt af sværhedsgraden af ​​gasakkumulering på grund af intern lysbue, bruges til enten at alarmere eller deaktivere transformeren. Olie-nedsænkede transformatorinstallationer omfatter normalt brandbeskyttelsesforanstaltninger såsom vægge, olieindeslutning og brandslukningssprinklersystemer.

Polychlorerede biphenyler (PCB'er) har egenskaber, der engang favoriserede deres brug som et dielektrisk kølemiddel , selvom bekymringer over deres miljømæssige vedholdenhed førte til et udbredt forbud mod deres brug. I dag kan der anvendes ugiftige, stabile silikonebaserede olier eller fluorerede kulbrinter , hvor udgifterne til en brandsikker væske opvejer yderligere byggeomkostninger til en transformerhvælving. Transformatorernes lange levetid kan dog betyde, at eksponeringspotentialet kan være højt længe efter forbud.

Nogle transformere er gasisolerede. Deres viklinger er indesluttet i forseglede, tryksatte tanke og afkølet med nitrogen eller svovlhexafluoridgas .

Eksperimentelle krafttransformatorer i 500-til-1.000 kVA-området er blevet bygget med flydende nitrogen eller heliumkølede superledende viklinger, som eliminerer viklingstab uden at påvirke kernetab .

Isolering

Understationstransformer under afprøvning.

Der skal være isolering mellem viklingernes enkelte vindinger, mellem viklingerne, mellem viklinger og kerne og ved viklingens terminaler.

Inter-turn isolering af små transformere kan være et lag isolerende lak på ledningen. Lag af papir eller polymerfilm kan indsættes mellem lag af viklinger og mellem primære og sekundære viklinger. En transformer kan være belagt eller dyppet i en polymerharpiks for at forbedre styrken af ​​viklinger og beskytte dem mod fugt eller korrosion. Harpiksen kan imprægneres i viklingsisoleringen ved hjælp af kombinationer af vakuum og tryk under belægningsprocessen, hvilket eliminerer alle lufthuller i viklingen. I grænsen kan hele spolen placeres i en form, og harpiks støbes rundt om den som en solid blok, der indkapsler viklingerne.

Store oliefyldte krafttransformatorer bruger viklinger omviklet med isolerende papir, som imprægneres med olie under montage af transformeren. Oliefyldte transformere bruger højraffineret mineralolie til at isolere og afkøle viklingerne og kernen. Konstruktion af oliefyldte transformere kræver, at isoleringen, der dækker viklingerne, er grundigt tørret for restfugt inden olien tilføres. Tørring kan udføres ved at cirkulere varm luft rundt om kernen, ved at cirkulere eksternt opvarmet transformerolie eller ved dampfasetørring (VPD), hvor et fordampet opløsningsmiddel overfører varme ved kondensering på spolen og kernen. For små transformere anvendes modstandsopvarmning ved indsprøjtning af strøm i viklingerne.

Bøsninger

Større transformatorer er forsynet med højspændingsisolerede bøsninger lavet af polymerer eller porcelæn. En stor bøsning kan være en kompleks struktur, da den skal give omhyggelig kontrol af den elektriske feltgradient uden at lade transformeren lække olie.

Klassifikationsparametre

En elektrisk understation i Melbourne , Australien , der viser tre ud af fem 220 kV – 66 kV transformere, hver med en kapacitet på 150 MVA
Camoufleret transformer i Langley City
Camoufleret transformer i Langley City

Transformatorer kan klassificeres på mange måder, såsom følgende:

  • Effekt : Fra en brøkdel af en volt-ampere (VA) til over tusind MVA.
  • Transformatorens pligt : ​​Kontinuerlig, kortvarig, intermitterende, periodisk, varierende.
  • Frekvensområde : Strømfrekvens , lydfrekvens eller radiofrekvens .
  • Spændingsklasse : Fra få volt til hundredvis af kilovolt.
  • Kølingstype : Tør eller nedsænket i væske; selvkølet, tvungen luftkølet;tvungen oliekølet, vandkølet.
  • Anvendelse : strømforsyning, impedanstilpasning, udgangsspænding og strømstabilisator, puls , kredsløbsisolering, strømfordeling , ensretter , lysbueovn , forstærkerudgang osv.
  • Grundlæggende magnetisk form : Kerneform, skalform, koncentrisk, sandwich.
  • Konstant-potential transformator deskriptor : Step-up, step-down, isolation .
  • Generel viklingskonfiguration : Ved IEC-vektorgruppe , to-viklingskombinationer af fasebetegnelserne delta, wye eller stjerne og zigzag ; autotransformer , Scott-T
  • Ensretter fase-forskydning viklingskonfiguration : 2-vikling, 6-puls; 3-vikling, 12-puls; . . ., n -vikling, [ n  − 1]·6-puls; polygon; etc..

Ansøgninger

Transformer ved kalkstensgeneratorstationen i Manitoba , Canada

Forskellige specifikke elektriske applikationsdesign kræver en række forskellige transformatortyper . Selvom de alle deler de grundlæggende karakteristiske transformatorprincipper, er de tilpasset i konstruktion eller elektriske egenskaber til bestemte installationskrav eller kredsløbsforhold.

I elektrisk krafttransmission tillader transformere transmission af elektrisk kraft ved høje spændinger, hvilket reducerer tabet på grund af opvarmning af ledningerne. Dette gør det muligt at placere produktionsanlæg økonomisk i en afstand fra elektriske forbrugere. Alt undtagen en lille brøkdel af verdens elektriske strøm er gået gennem en række transformere, når den når forbrugeren.

I mange elektroniske enheder bruges en transformer til at konvertere spænding fra distributionsledningerne til bekvemme værdier for kredsløbskravene, enten direkte ved strømforsyningens frekvens eller gennem en switch mode strømforsyning .

Signal- og lydtransformatorer bruges til at koble trin af forstærkere og til at matche enheder såsom mikrofoner og pladespillere til indgangen på forstærkere. Lydtransformatorer gjorde det muligt for telefonkredsløb at føre en tovejssamtale over et enkelt par ledninger. En balun -transformer konverterer et signal, der er refereret til jord, til et signal, der har afbalancerede spændinger til jord , såsom mellem eksterne kabler og interne kredsløb. Isolationstransformatorer forhindrer lækage af strøm ind i det sekundære kredsløb og bruges i medicinsk udstyr og på byggepladser. Resonanstransformatorer bruges til kobling mellem trin af radiomodtagere eller i højspændings Tesla-spoler.

Skematisk over en stor oliefyldt krafttransformator 1. Tank 2. Låg 3. Konservatortank 4. Oliestandsindikator 5. Buchholz-relæ til detektering af gasbobler efter en intern fejl 6. Rør 7. Tapkobler 8. Drivmotor til trinkobler 9. Drivaksel til trinkobler 10. Højspændingsbøsning (HV) bøsning 11. Højspændingsbøsningsstrømtransformatorer 12. Lavspændingsbøsning (LV) 13. Lavspændingsstrømtransformatorer 14. Bøsningspændingstransformator til måling 15. Kerne 16. Åg af kernen 17. Lemmer forbinder ågene og holder dem oppe 18. Spoler 19. Interne ledninger mellem spoler og ledningskobler 20. Olieudløserventil 21. Vakuumventil

Historie

Opdagelse af induktion

Faradays eksperiment med induktion mellem trådspoler

Elektromagnetisk induktion , princippet for driften af ​​transformeren, blev opdaget uafhængigt af Michael Faraday i 1831 og Joseph Henry i 1832. Kun Faraday videreførte sine eksperimenter til det punkt, hvor han udarbejdede ligningen, der beskriver forholdet mellem EMF og magnetisk flux nu kendt som Faradays lov om induktion :

hvor er størrelsen af ​​EMF i volt og Φ B er den magnetiske flux gennem kredsløbet i webers .

Faraday udførte tidlige eksperimenter på induktion mellem spoler af tråd, herunder vikling af et par spoler omkring en jernring, hvilket skabte den første toroidale transformer med lukket kerne. Men han tilførte kun individuelle strømimpulser til sin transformer og opdagede aldrig sammenhængen mellem vindingsforholdet og EMF i viklingerne.

Induktionsspole, 1900, Bremerhaven, Tyskland

Induktionsspoler

Faradays ringtransformer

Den første type transformator, der blev brugt i vid udstrækning, var induktionsspolen , opfundet af pastor Nicholas Callan fra Maynooth College , Irland i 1836. Han var en af ​​de første forskere, der indså jo flere drejninger den sekundære vikling har i forhold til den primære vikling. , jo større vil den inducerede sekundære EMF være. Induktionsspoler er udviklet fra videnskabsmænds og opfinderes bestræbelser på at få højere spændinger fra batterier. Da batterier producerer jævnstrøm (DC) i stedet for AC, var induktionsspoler afhængige af vibrerende elektriske kontakter , der regelmæssigt afbrød strømmen i det primære for at skabe de fluxændringer, der er nødvendige for induktion. Mellem 1830'erne og 1870'erne afslørede bestræbelserne på at bygge bedre induktionsspoler, for det meste ved forsøg og fejl, langsomt de grundlæggende principper for transformere.

Første vekselstrømstransformere

I 1870'erne var effektive generatorer, der producerede vekselstrøm (AC) , tilgængelige, og det viste sig, at AC kunne drive en induktionsspole direkte uden en afbryder .

I 1876 opfandt den russiske ingeniør Pavel Yablochkov et belysningssystem baseret på et sæt induktionsspoler, hvor de primære viklinger var forbundet med en AC-kilde. De sekundære viklinger kunne forbindes med flere 'elektriske stearinlys' (buelamper) af hans eget design. De spoler, Yablochkov brugte, fungerede i det væsentlige som transformere.

I 1878 begyndte Ganz-fabrikken i Budapest, Ungarn, at producere udstyr til elektrisk belysning og havde i 1883 installeret over halvtreds systemer i Østrig-Ungarn. Deres AC-systemer brugte lysbue- og glødelamper, generatorer og andet udstyr.

Lucien Gaulard og John Dixon Gibbs udstillede først en enhed med en åben jernkerne kaldet en 'sekundær generator' i London i 1882, og solgte derefter ideen til Westinghouse -virksomheden i USA. De udstillede også opfindelsen i Torino, Italien i 1884, hvor den blev brugt til et elektrisk belysningssystem.

Tidlig serie kredsløbstransformator distribution

Induktionsspoler med åbne magnetiske kredsløb er ineffektive til at overføre strøm til belastninger . Indtil omkring 1880 var paradigmet for vekselstrømstransmission fra en højspændingsforsyning til en lavspændingsbelastning et seriekredsløb. Transformere med åben kerne med et forhold tæt på 1:1 blev forbundet med deres primære i serier for at tillade brug af en højspænding til transmission, mens de præsenterede en lav spænding til lamperne. Den iboende fejl i denne metode var, at slukning af en enkelt lampe (eller anden elektrisk enhed) påvirkede spændingen, der blev leveret til alle andre på det samme kredsløb. Mange justerbare transformatordesigns blev introduceret for at kompensere for denne problematiske karakteristik af seriekredsløbet, inklusive dem, der anvender metoder til at justere kernen eller omgå den magnetiske flux omkring en del af en spole. Effektive, praktiske transformerdesigns dukkede ikke op før i 1880'erne, men inden for et årti ville transformeren være medvirkende til strømmens krig , og til at se AC-distributionssystemer triumfere over deres DC-modstykker, en position, hvor de har været dominerende nogensinde siden.

Shell form transformer. Skitse brugt af Uppenborn til at beskrive ZBD-ingeniørers patenter fra 1885 og tidligste artikler.
Kerneform, front; skalform, tilbage. Tidligste eksemplarer af ZBD-designede højeffektive konstant-potentiale transformere fremstillet på Ganz fabrikken i 1885.
ZBD-holdet bestod af Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy og Miksa Déri
Stanleys 1886-design til justerbare induktionsspoler med åben kerne

Lukket kerne transformatorer og parallel strømfordeling

I efteråret 1884 havde Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy og Miksa Déri (ZBD), tre ungarske ingeniører tilknyttet Ganz Works , fastslået, at open-core-enheder var upraktiske, da de ikke var i stand til pålideligt at regulere spændingen. I deres fælles patentansøgninger fra 1885 for nye transformere (senere kaldet ZBD-transformatorer) beskrev de to designs med lukkede magnetiske kredsløb, hvor kobberviklinger enten var viklet omkring en jerntrådsringkerne eller omgivet af en jerntrådskerne. De to designs var den første anvendelse af de to grundlæggende transformerkonstruktioner, der er almindeligt brugt til i dag, kaldet "kerneform" eller "skalform". Ganz-fabrikken havde også i efteråret 1884 leveret verdens første fem højeffektive AC-transformatorer, den første af disse enheder var blevet afsendt den 16. september 1884. Denne første enhed var blevet fremstillet efter følgende specifikationer: 1.400 W , 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, forhold 1,67:1, enfaset, skalform.

I begge designs rejste den magnetiske flux, der forbinder de primære og sekundære viklinger, næsten udelukkende inden for rammerne af jernkernen, uden nogen tilsigtet vej gennem luften (se Toroidale kerner nedenfor). De nye transformere var 3,4 gange mere effektive end de open-core bipolære enheder fra Gaulard og Gibbs. ZBD-patenterne omfattede to andre store indbyrdes forbundne innovationer: den ene vedrørende brugen af ​​parallelforbundne, i stedet for serieforbundne, udnyttelsesbelastninger, den anden vedrørende evnen til at have transformatorer med højt omdrejningsforhold, således at forsyningsnetspændingen kunne være meget højere (oprindeligt 1.400 til 2.000 V) end spændingen for udnyttelsesbelastninger (100 V til at begynde med at foretrække). Når de blev brugt i parallelforbundne elektriske distributionssystemer, gjorde lukkede transformatorer det endelig teknisk og økonomisk muligt at levere elektrisk strøm til belysning i boliger, virksomheder og offentlige rum. Bláthy havde foreslået brugen af ​​lukkede kerner, Zipernowsky havde foreslået brugen af ​​parallelle shuntforbindelser , og Déri havde udført eksperimenterne; I begyndelsen af ​​1885 eliminerede de tre ingeniører også problemet med hvirvelstrømstab med opfindelsen af ​​laminering af elektromagnetiske kerner.

Transformere i dag er designet efter de principper, som de tre ingeniører har opdaget. De populariserede også ordet 'transformator' for at beskrive en anordning til ændring af en elektrisk strøms EMF, selvom udtrykket allerede havde været i brug i 1882. I 1886 designede ZBD-ingeniørerne, og Ganz-fabrikken leverede elektrisk udstyr til, verdens første kraftværk, der brugte AC-generatorer til at drive et parallelforbundet fælles elektrisk netværk, det dampdrevne Rome-Cerchi kraftværk.

Westinghouse forbedringer

"E"-formede plader til transformerkerner udviklet af Westinghouse

Selvom George Westinghouse havde købt Gaulard og Gibbs' patenter i 1885, havde Edison Electric Light Company en option på de amerikanske rettigheder til ZBD-transformatorerne, hvilket krævede, at Westinghouse forfølger alternative designs efter de samme principper. Han tildelte William Stanley opgaven med at udvikle en enhed til kommerciel brug i USA. Stanleys første patenterede design var til induktionsspoler med enkelte kerner af blødt jern og justerbare mellemrum for at regulere EMF, der er til stede i den sekundære vikling (se billede). Dette design blev først brugt kommercielt i USA i 1886, men Westinghouse var opsat på at forbedre Stanley-designet for at gøre det (i modsætning til ZBD-typen) nemt og billigt at producere.

Westinghouse, Stanley og medarbejdere udviklede snart en kerne, der var lettere at fremstille, bestående af en stak tynde 'E-formede' jernplader isoleret af tynde ark papir eller andet isolerende materiale. Forviklede kobberspoler kunne derefter skydes på plads, og lige jernplader kunne lægges ind for at skabe et lukket magnetisk kredsløb. Westinghouse opnåede patent på det nye lavprisdesign i 1887.

Andre tidlige transformerdesigns

I 1889 udviklede den russiskfødte ingeniør Mikhail Dolivo-Dobrovolsky den første trefasede transformer ved Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('Generelt elektricitetsselskab') i Tyskland.

I 1891 opfandt Nikola Tesla Tesla- spolen , en luftkernet, dobbelttunet resonanstransformator til at producere meget høje spændinger ved høj frekvens.

Lydfrekvenstransformatorer (" gentagende spoler ") blev brugt af tidlige eksperimenter i udviklingen af ​​telefonen .

Se også

Noter

Referencer

Bibliografi

eksterne links

Generelle links :