En transformator är en elektromagnetisk anordning som används för att omvandla växelström med en spänning och frekvens till växelström med en annan (eller samma) spänning och samma frekvens.
Innehåll
En transformators utformning och funktion
I det enklaste fallet Transformator innehåller en primärlindning med antalet lindningar W1 och en sekundär med W2. Energin är ansluten till den primära lindningen, lasten är ansluten till den sekundära lindningen. Energiöverföringen sker genom elektromagnetisk induktion. För att förbättra den elektromagnetiska kopplingen är lindningarna vanligtvis monterade på en sluten kärna (magnetkärna).
Om växelspänning U1läggs på den primära lindningen, växelströmmen I1som inducerar ett magnetiskt flöde F av samma form i kärnan. Detta magnetiska flöde inducerar en EMF i den sekundära lindningen. Om en belastning är ansluten till den sekundära kretsen, kommer en sekundär ström I2.
Spänningen i den sekundära lindningen bestäms av förhållandet mellan varvtalen W1 och W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, där k omvandlingsförhållande.
Om k<1 då U2>U1, och en sådan transformator kallas en step-up-transformator. Om k>1 , då är U2
En transformator kan ha mer än en sekundärlindning med olika transformatorförhållande. Till exempel kan en 220-volts transformator för att försörja hushållslampor ha en sekundärlindning, t.ex. 500 volt för att försörja anodkretsarna och 6 volt för att försörja glödlampskretsarna. I det första fallet k<1, i det andra fallet k>1.
En transformator fungerar endast med växelspänning - det magnetiska flödet måste förändras för att EMF ska uppstå i den sekundära lindningen.
Kärntyper för transformatorer
I praktiken används inte bara kärnor av den angivna formen. Beroende på hur anordningen ska användas kan de magnetiska kärnorna tillverkas på olika sätt.
Kärnor kärnor
Lågfrekventa transformatorkärnor är tillverkade av stål med uttalade magnetiska egenskaper. För att minska virvelströmmarna består kärnan av enskilda plattor som är elektriskt isolerade från varandra. För höga frekvenser används andra material som ferrit.
Den kärna som diskuteras ovan kallas för en kärngrupp och består av två stavar. För enfasstransformatorer används även trekärniga kärnor. De har ett lägre magnetiskt ströflöde och högre verkningsgrad. I det här fallet är både primär- och sekundärlindningarna placerade på den centrala kärnan.
Trefas transformatorer tillverkas också på trefaskärnor. Primär- och sekundärlindningarna i varje fas är var och en på en separat kärna. I vissa fall används fem kärnor. De har samma uppställning, med den primära och sekundära kärnan på vardera sidan av kärnan, och de två yttersta staplarna på vardera sidan används för att stänga det magnetiska flödet endast i vissa fall.
Bepansrade kärnor
Enfasiga transformatorer tillverkas med armerade kärnor - båda spolarna är placerade på den centrala kärnan i den magnetiska kärnan. Det magnetiska flödet i denna kärna kopplas på samma sätt som i en trekärnig enhet, dvs. genom sidoväggarna. Spridningsflödet är mycket litet i detta fall.
Fördelen med den här konstruktionen är att den ger en viss ökning av storlek och vikt på grund av möjligheten att fylla kärnfönstret tätare med lindningar, så det är fördelaktigt att använda armerade kärnor för transformatorer med låg effekt. Följden av detta är också en kortare magnetkrets, vilket leder till lägre förluster vid nollbelastning.
Nackdelarna är att det är svårare att komma åt lindningarna för inspektion och reparation och att det är svårare att tillverka isolering för högspänning.
Toroidal
Med toroidala kärnor är det magnetiska flödet helt inneslutet i kärnan och det finns praktiskt taget inget läckage av magnetiskt flöde. Men dessa transformatorer är svåra att linda, så de används sällan, t.ex. i kontrollerade autotransformatorer med liten kapacitet eller i högfrekvenstillämpningar där störningsimmunitet är viktigt.
Autotransformator
I vissa fall är det lämpligt att använda transformatorer där lindningarna inte bara är magnetiskt anslutna utan även elektriskt anslutna. Det vill säga, i en uppstegsanordning är den primära lindningen en del av den sekundära lindningen och i en nedstegsanordning är den sekundära lindningen en del av den primära lindningen. En sådan anordning kallas autotransformator (AT).
En steg-nedtrappningsautotransformator är inte bara en enkel spänningsdelare - magnetisk koppling är också inblandad i överföringen av energi till den sekundära kretsen.
Fördelarna med autotransformatorer är:
- lägre förluster;
- möjligheten till steglös spänningsreglering;
- Mindre dimensioner (autotransformatorer är billigare och lättare att transportera);
- Lägre kostnader på grund av lägre materialbehov.
Nackdelarna är bland annat att båda lindningarna måste isoleras med högre spänning och att det inte finns någon galvanisk isolering mellan ingång och utgång, vilket kan överföra effekterna av väder och vind från den primära kretsen till den sekundära kretsen. Samtidigt får delar av den sekundära kretsen inte vara jordade. Ökade kortslutningsströmmar anses också vara en nackdel med AT. Med trefasiga autotransformatorer är lindningarna i allmänhet anslutna i en stjärnförbindelse med en jordad neutral, andra anslutningsscheman är möjliga, men alltför komplicerade och besvärliga. Detta är också en nackdel som kan begränsa användningen av autotransformatorer.
Användning av transformatorer
Transformatorers förmåga att öka eller minska spänningen används i stor utsträckning inom industrin och i privata hushåll.
Spänningsomvandling
Industrispänningsnivån har olika krav i olika faser. Av olika skäl är det inte lönsamt att använda högspänningsgeneratorer för elproduktion. Därför används till exempel generatorer på 6...35 kV i vattenkraftverk. Däremot krävs högre spänningar för att transportera el - från 110 kV till 1 150 kV, beroende på avståndet. Spänningen reduceras sedan till 6...10 kV igen, distribueras till lokala understationer, varifrån den reduceras till 380 (220) volt och levereras till slutkonsumenten. För hushålls- och industriapparater måste den också sänkas, vanligtvis till 3...36 volt.
Alla dessa steg utförs med hjälp av ... krafttransformatorer. De kan vara av torr typ eller av oljetyp. I den senare är kärnan och lindningarna inneslutna i en tank med olja som fungerar som ett isolerande och kylande medium.
Galvanisk isolering
Den galvaniska isoleringen ökar säkerheten för elektriska apparater. Om enheten inte drivs direkt från 220-voltsnätet, där en av ledarna är ansluten till jord, utan via en 220/220-volts transformator, förblir matningsspänningen densamma. Men om marken och de sekundära strömförande delarna rör vid varandra samtidigt finns det ingen krets för strömmen att flöda i och risken för elchock är mycket mindre.
Spänningsmätning
I alla elektriska installationer måste spänningsnivån övervakas. Om en spänningsklass på upp till 1000 volt används, monteras voltmetrar direkt på spänningsförande delar. I installationer över 1000 volt är detta inte möjligt - enheterna blir för otympliga och kanske inte säkra i händelse av ett isoleringsfel. I sådana system ansluts därför voltmetrar till högspänningsledare via transformatorer med lämpligt transformationsförhållande. För 10 kV-nät används till exempel 1:100-transformatorer och utgångsspänningen är standard 100 volt. Om den primära spänningen ändras i amplitud, ändras den samtidigt i den sekundära spänningen. Skalan på en voltmeter är vanligtvis graderad i primärspänningsområdet.
Transformatorn är en ganska komplex och dyr komponent att tillverka och underhålla. I många tillämpningar är dessa apparater dock oumbärliga och det finns inget alternativ.
Relaterade artiklar:
