En transformator er en elektromagnetisk anordning, der bruges til at omdanne vekselstrøm med en bestemt spænding og frekvens til vekselstrøm med en anden (eller samme) spænding og samme frekvens.
Indhold
Design og funktion af en transformer
I det enkleste tilfælde Transformer indeholder en primær vikling med antallet af viklinger W1 og en sekundær med W2. Energien er forbundet til den primære vikling, og belastningen er forbundet til den sekundære vikling. Energioverførslen sker gennem elektromagnetisk induktion. For at forbedre den elektromagnetiske kobling er viklingerne normalt monteret på en lukket kerne (magnetisk kerne).
Hvis vekselspænding U1påføres den primære vikling, vekselstrømmen I1som inducerer en magnetisk flux F af samme form i kernen. Denne magnetiske flux inducerer en EMF i den sekundære vikling. Hvis der er tilsluttet en belastning til det sekundære kredsløb, vil en sekundær strøm I2.
Spændingen i den sekundære vikling bestemmes af viklingsforholdet W1 og W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, hvor k transformationsforhold.
Hvis k<1, så er U2>U1, og en sådan transformer kaldes en step-up transformer. Hvis k>1 , så er U2
En transformer kan have mere end én sekundær vikling med forskellige transformatorforhold. F.eks. kan en 220 volt transformer til forsyning af husholdningslamper have én sekundær vikling, f.eks. 500 volt til forsyning af anodekredsene og 6 volt til forsyning af glødekredsene. I det første tilfælde er k<1, i det andet tilfælde er k>1.
En transformer fungerer kun med vekselspænding - den magnetiske flux skal ændres, for at der kan opstå EMF i den sekundære vikling.
Kernetyper til transformatorer
I praksis anvendes kerner ikke kun af den angivne form. Afhængigt af den påtænkte anvendelse af anordningen kan de magnetiske kerner fremstilles på forskellige måder.
Kerner kerner
Transformerkerner til lavfrekvenstransformere er fremstillet af stål med udprægede magnetiske egenskaber. For at reducere hvirvelstrømme er kerneanordningen fremstillet af individuelle plader, der er elektrisk isolerede fra hinanden. Til høje frekvenser anvendes andre materialer som f.eks. ferrit.
Den ovenfor beskrevne kerne kaldes et kernefelt og består af to stænger. Til enfaset transformere anvendes også tre kerner. De har en lavere magnetisk strømafstrømning og en højere effektivitet. I dette tilfælde er både de primære og sekundære viklinger placeret på den centrale kerne.
Trefasetransformere fremstilles også på trefasede kerner. De primære og sekundære viklinger i hver fase er hver på en separat kerne. I nogle tilfælde anvendes kerner med fem kerner. De har den samme indretning med primær og sekundær kerne på hver side af kernen, idet de to yderste kerner på hver side bruges til at koble de magnetiske strømme sammen i visse operationer.
Pansrede kerner
Enfasetransformere er fremstillet med armerede kerner - begge spoler er placeret på den centrale kerne af den magnetiske kerne. Den magnetiske flux i denne kerne kobles på samme måde som i en trekerneenhed, dvs. gennem sidevæggene. Spredningsstrømmen er meget lille i dette tilfælde.
Fordelen ved dette design er, at der er en vis gevinst i størrelse og vægt på grund af muligheden for at fylde kernevinduet tættere med viklinger, så det er en fordel at bruge pansrede kerner til transformere med lav effekt. Konsekvensen af dette er også et kortere magnetkredsløb, hvilket fører til lavere tab uden belastning.
Ulemperne er, at det er vanskeligere at få adgang til viklingerne med henblik på inspektion og reparation, og at det er mere kompliceret at fremstille isolering til højspænding.
Toroidal
Med ringformede kerner er den magnetiske flux fuldstændig indesluttet i kernen, og der er stort set ingen lækage af magnetisk flux. Men disse transformere er vanskelige at vikle, så de anvendes kun sjældent, f.eks. i regulerede autotransformere med lille kapacitet eller i højfrekvente applikationer, hvor det er vigtigt at undgå forstyrrelser.
Autotransformer
I nogle tilfælde er det tilrådeligt at anvende transformere, hvor viklingerne ikke kun er magnetisk forbundet, men også elektrisk forbundet. Det vil sige, at i en step-up-enhed er den primære vikling en del af den sekundære vikling, og i en step-down-enhed er den sekundære vikling en del af den primære vikling. En sådan anordning kaldes en autotransformer (AT).
En step-down autotransformer er ikke en simpel spændingsdeler - magnetisk kobling er også involveret i overførslen af energi til det sekundære kredsløb.
Fordelene ved autotransformere er:
- lavere tab;
- muligheden for trinløs spændingsregulering;
- mindre dimensioner (autotransformere er billigere og lettere at transportere);
- Lavere omkostninger på grund af lavere materialekrav.
Ulemperne er bl.a. behovet for højere spændingsisolering af begge viklinger og den manglende galvaniske isolation mellem ind- og udgang, som kan overføre vejrpåvirkninger fra primærkredsen til sekundærkredsen. Samtidig må elementer i det sekundære kredsløb ikke være jordet. Øgede kortslutningsstrømme anses også for at være en ulempe ved AT. Ved trefasede autotransformere er viklingerne normalt forbundet i en stjerneforbindelse med en jordet neutral, andre forbindelsesdiagrammer er mulige, men for komplicerede og besværlige. Dette er også en ulempe, som kan begrænse brugen af autotransformere.
Anvendelse af transformatorer
Transformatorers evne til at øge eller sænke spændingen er meget udbredt i industrien og i private husholdninger.
Spændingstransformation
Det industrielle spændingsniveau har forskellige krav i forskellige faser. Af forskellige årsager er det ikke rentabelt at anvende højspændingsgeneratorer til produktion af elektricitet. Det er derfor, at der f.eks. anvendes generatorer på 6...35 kV i vandkraftværker. Derimod er der behov for højere spændinger til transport af elektricitet - fra 110 kV til 1 150 kV, afhængigt af afstanden. Denne spænding reduceres derefter igen til 6...10 kV og distribueres til lokale understationer, hvorfra den reduceres til 380 (220) volt og leveres til slutforbrugeren. For husholdnings- og industriapparater skal den også sænkes, normalt til 3...36 volt.
Alle disse trin udføres ved hjælp af ... strømtransformere. De kan være af tør- eller olietypen. I sidstnævnte er kernen og viklingerne anbragt i en tank med olie, der fungerer som et isolerende og kølende medium.
Galvanisk isolation
Den galvaniske isolation øger sikkerheden for de elektriske apparater. Hvis enheden ikke forsynes direkte fra 220 volt-nettet, hvor en af lederne er forbundet til jord, men via en 220/220 volt-transformer, forbliver forsyningsspændingen den samme. Men hvis jorden og de sekundære strømførende dele berører hinanden samtidig, er der ikke noget kredsløb, hvor strømmen kan løbe, og risikoen for elektrochok er meget mindre.
Spændingsmåling
I alle elektriske installationer skal spændingsniveauet overvåges. Hvis der anvendes en spændingsklasse på op til 1000 volt, monteres voltmetre direkte på spændingsførende dele. I installationer over 1000 volt er dette ikke muligt - anordningerne vil være for besværlige og måske ikke sikre i tilfælde af en isolationsfejl. Derfor er voltmeterne i sådanne systemer forbundet til højspændingsledere via transformere med et passende transformationsforhold. For 10 kV-net anvendes der f.eks. transformere i forholdet 1:100, og udgangsspændingen er standard 100 volt. Hvis primærspændingen ændrer sig i amplitude, ændres den også i sekundærspændingen på samme tid. Skalaen på et voltmeter er normalt gradueret i det primære spændingsområde.
Transformeren er en ret kompleks og dyr komponent at fremstille og vedligeholde. I mange applikationer er disse apparater imidlertid uundværlige, og der er ikke noget alternativ.
Relaterede artikler:
