Transformator – seine Funktionsweise, Konstruktion, Typen und Verwendungen

Transformatoren sind elektrische Geräte, die die Spannung auf einen höheren oder niedrigeren Wert umwandeln und dabei idealerweise die Leistung konstant halten.

Sie sind ein integraler Bestandteil eines elektrischen Systems und ihre Anwendung kann in fast allen Bereichen der Elektrotechnik beobachtet werden, von den elektrischen Energiesystemen bis zu gängigen Haushaltsgeräten.

Warum brauchen wir sie?

Mit der Entwicklung von Wechselstromquellen wurde auch der Bedarf an Transformatoren geboren. In den frühen Zeiten, Die Gleichstromübertragung erfolgte in der, was zu größeren Verlusten und schlechtem Wirkungsgrad führte. Mit der Erfindung des Transformators ist dieses Problem gelöst und die Wechselstromübertragung wurde prominent.

Durch die Erhöhung der Übertragungsspannungen mit einem Transformator wurde dieses Problem jedoch gelöst. Eine Erhöhung der Spannung geht mit einer Abnahme des Stroms einher, um die Leistung in einem Transformator konstant zu halten.

Und wobei die Leistungsverluste direkt proportional zum Quadrat des Stroms sind, führt dies zu einer Abnahme des Stroms um den Faktor 10, wodurch die Verluste um den Faktor 100 reduziert werden. In der Tat wären wir ohne Transformatoren nicht in der Lage gewesen, elektrische Energie so zu nutzen, wie wir sie jetzt nutzen.

Deshalb erzeugen wir Strom mit Spannungen von bis zu 11 bis 25 kV und erhöhen diese Spannungen dann auf 132.220 oder 500 kV für die Übertragung mit minimalen Verlusten.

Bau eines Transformators:

Ein Transformator besteht hauptsächlich aus einem Kern, Wicklungen und einem Tank.

Kern: Ein Transformatorkern besteht aus Weicheisen oder Siliziumstahl, der einen Pfad mit geringer Reluktanz bietet (Magnetfeldlinien können leicht durch sie hindurchtreten).

Transformatorkerne werden laminiert, um Wirbelstromverluste zu reduzieren, die Laminierungen sind normalerweise 2,5 mm bis 5 mm dick und werden durch eine Beschichtung aus Oxid, Phosphat oder Lack voneinander und von den Wicklungen isoliert. Der Kern wird mit den Lamellen in den verschiedenen Formen wie E, L, I, C und U konstruiert.

Bei Schalentransformatoren umgibt oder bedeckt der Kern die Wicklungen wie eine Schale.

Bei Kerntransformatoren sind die Wicklungen um die beiden Schenkel oder Rechtecke des Kerns gewickelt.

Wicklungen:

EINE single-phase 2 wicklung transformator hat in der regel 2 wicklungen, primäre und sekundäre wicklungen, die sind aus hohe qualität gestrandet kupfer. Die Wicklungen sind um den Kern gewickelt und haben keinerlei elektrischen Kontakt miteinander.

Sie können auch als Hochspannungs- bzw. Niederspannungswicklungen bezeichnet werden, wobei die Hochspannungswicklung eine größere Isolierung aufweist als die Niederspannungswicklung.

Arbeits prinzip:

Das grundlegende Funktionsprinzip eines Transformators ist die Arbeit der gegenseitigen Induktion zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen, die durch einen gemeinsamen magnetischen Fluss durch den Transformatorkern verbunden sind. Der Kern bietet einen Pfad mit geringer Reluktanz für den magnetischen Fluss.

Die an die Quelle angeschlossene Wicklung kann als Primärwicklung betrachtet werden, und der Strom, den sie führt, kann als eigenes Magnetfeld angesehen werden.

Dieses Magnetfeld wird über den Kern erzeugt und ändert seine Richtung aufgrund von Wechselströmen und jetzt nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion:

” Die Änderungsrate der Flussverknüpfung in Bezug auf die Zeit ist direkt proportional zu der in einem Leiter oder einer Spule induzierten EMK”

Diese Änderung des Magnetfeldes induziert eine Spannung an der Sekundärspule, die proportional zur Anzahl der Windungen an den Wicklungen ist. Dies kann weiter durch die folgende Gleichung verstanden werden:

E = N Dϕ /dt

Wobei

E = Induzierte EMK

N = die Anzahl der Windungen

dϕ = Änderung des Flusses

dt = Änderung der Zeit

Sobald die Sekundärwicklung mit einer Last verbunden ist, wird schaltung wird abgeschlossen und strom wird beginnen zu fließen durch es.

Transformatorumdrehungsverhältnis:

Beide Wicklungen eines Transformators, dh Primär und sekundär, haben eine bestimmte Anzahl von Windungen. Das Verhältnis der Anzahl der Windungen an der Primärwicklung zur Anzahl der Windungen an der Sekundärwicklung wird als Windungsverhältnis bezeichnet.

Idealer Transformator:

Ein idealer Transformator ist ein Transformator, der eine Leistung liefert, die genau der Leistungsaufnahme entspricht. Dies bedeutet, dass es keine Art von Verlust hat.

Idealtransformatoren existieren nicht und werden nur zur Vereinfachung der Transformatorberechnungen verwendet. Ihr Spannungsverhältnis kann durch diese einfachen Gleichungen modelliert werden:

Wie unterscheidet sich ein idealer Transformator von einem echten Transformator?

In Wirklichkeit haben wir Transformatoren, die aus einigen Leistungsverlusten bestehen; Daher ist die Ausgangsleistung niemals gleich der Eingangsleistung des Transformators.

Echte Transformatoren haben einen gewissen Wert an Wicklungswiderstand, Streufluss und auch Kupfer- und Kernverluste, die wir hier besprochen haben.

Transformator-Ersatzschaltung:

Eine Ersatzschaltung eines Transformators ist eine vereinfachte Darstellung eines Transformators umfassend die Widerstände und Reaktanzen.

Eine Ersatzschaltung hilft uns bei der Durchführung von Transformatorberechnungen, da die grundlegende Schaltungsanalyse jetzt auf einen Transformator angewendet werden kann.

Lesen Sie unseren neuesten Artikel, um mehr über die Ersatzschaltung zu erfahren.

Effizienz:

Der Wirkungsgrad des Transformators ist das Verhältnis der Ausgangsleistung des Transformators zur Eingangsleistung.

Es ist gegeben durch

Oder

Wo

Da die Ausgangsleistung wird immer kleiner als die eingangsleistung, transformator effizienz wird immer liegen zwischen 0-100% während eine ideale transformator wird haben eine effizienz von 100%.

Um den Wirkungsgrad des Transformators aus einer Ersatzschaltung zu berechnen, addieren wir einfach die Kupferverluste und Kernverluste zur Wirkungsgradgleichung, um die folgende Gleichung zu erhalten:

Spannungsregelung:

Es ist auch wichtig zu wissen, dass ein Transformator, da er Serienimpedanzen enthält, auch Spannungsabfälle aufweist. Dies führt zu einer variierenden Ausgangsspannung mit der variierenden Last, selbst wenn die Eingangsspannung konstant gehalten wird.

Die Größe, die die Ausgangsspannung ohne Last mit der Ausgangsspannung bei Volllast vergleicht, wird als Spannungsregelung bezeichnet.

Es kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:

Wo

Es ist zu beachten, dass ein idealer Transformator eine Spannungsregelung von 0% hat.

Transformatortypen und ihre Anwendungen

Aufwärtstransformator: Diese Transformatoren erhöhen den niedrigeren Spannungspegel auf der Primärseite auf einen höheren Spannungswert auf der Sekundärseite. In diesem Fall hat die Sekundärwicklung eine größere Anzahl von Windungen als die Primärwicklung.

Diese werden hauptsächlich in Kraftwerken eingesetzt, in denen die erzeugte Spannung von etwa 11 kV zur Übertragung auf 132 kV oder mehr erhöht wird

Abwärtstransformator: Abwärtstransformatoren reduzieren die Hochspannung auf der Primärseite auf einen niedrigeren Spannungswert auf der Sekundärseite. In diesem Fall hat die Primärwicklung eine größere Anzahl von Windungen.

An Netzstationen werden Abwärtstransformatoren eingesetzt, um die hohen Übertragungsspannungen auf einen geeigneten niedrigeren Wert für die Verteilung und Nutzung zu senken. Sie finden sie auch auf unseren mobilen Ladegeräten.

Andere Typen umfassen Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren, Kerntransformatoren, Ein- und Dreiphasentransformatoren, Innen- und Außentransformatoren. Sie können unseren vorherigen Blog lesen, der sich auf Transformatortypen und ihre Anwendungen konzentriert.

Einschränkungen eines Transformators:

Es ist auch hier wichtig zu beachten, dass ein Transformator nur in Wechselstrom betrieben wird. Dies liegt daran, dass ein Gleichstrom (DC) ein konstantes Magnetfeld anstelle eines sich ändernden Magnetfelds erzeugt und daher keine EMK in der Sekundärwicklung induziert wird.

Eine der jüngsten Initiativen von AllumiaX ist ein Unternehmenssponsoring für die GeneralPAC-Plattform, die Tutorials für den Schutz, die Automatisierung und die Steuerung von Energiesystemen bietet. Hier finden Sie die Videoserie von Transformers. In dieser Serie werden sie die Einführung in die Delta-Wye-Transformatorverbindung, die Einführung in die Wye-Wye-Transformatorverbindung, die Einführung in die Delta-Wye-Transformatorverbindung und die zirkulierenden Ströme und Spannungen, den offenen Phasenzustand in der Transformatoranalyse und den Unterschied zwischen Kernform und Schalenform übergehen Leistungstransformator.

Lassen Sie uns wissen, wenn Sie Fragen zu diesem Thema haben, und geben Sie uns Ihr Feedback in den Kommentaren.

Die Einstellung eines professionellen Elektrotechnikers zur Durchführung einer Lichtbogenanalyse und Kurzschlussstudie ist eine großartige Möglichkeit, die Sicherheit Ihrer Einrichtung und Ihrer Mitarbeiter vor unerwünschten Zwischenfällen zu gewährleisten.

AllumiaX, LLC ist einer der führenden Anbieter von Energiesystemstudien im Nordwesten. Unsere unvergleichlichen Dienstleistungen und unser Know-how konzentrieren sich auf die Bereitstellung angemessener Analysen zu Lichtbogen, transienter Stabilität, Lastfluss, Kurzschluss, Kurzschluss, Koordination, Erdungsnetz und Stromqualität.

Um mehr über AllumiaX im Detail zu erfahren, folgen Sie uns auf Facebook, LinkedIn und Twitter und bleiben Sie auf dem Laufenden über alle Neuigkeiten rund um die Elektrotechnik.
Rufen Sie uns an: (206) 552-8235