Hvordan øger eller reducerer en transformator spændingen?

Transformatorer øger eller reducerer vekselstrømsspænding gennem elektromagnetisk induktion . Deres udgangsspænding bestemmes primært af forholdet mellem antallet af vindinger i primærviklingen og antallet af vindinger i sekundærviklingen.

Hvis sekundærviklingen har flere vindinger end primærviklingen, øger transformatoreren spændingen. Hvis sekundærviklingen har færre vindinger, reducerer den spændingen.

Selvom princippet er simpelt, skal en praktisk transformator også udformes til den krævede strøm, effektrating, frekvens, isolation, temperaturstigning, effektivitet og relevante sikkerhedsstandarder.

Hvad er en Transformator ?

En transformator er en passiv elektrisk enhed, der overfører energi mellem to eller flere vindinger via et varierende magnetfelt.

En konventionel isoleringstransformator indeholder tre hoveddele:

• Primærvikling: tilsluttet til input-strømkilden
• Sekundærvikling: forsyner belastningen med spænding
• Magnetisk kerne: udgør en lav-reluktans-sti for det vekselvise magnetiske flux

Primære og sekundære vindinger er normalt elektrisk isolerede, men magnetisk koblet gennem kernen. Denne isolation kan forbedre den elektriske sikkerhed og forhindre en direkte ledende forbindelse mellem input og output.

Der findes dog ikke altid isolation i alle transformatorer. En autotransformator autotransformator, for eksempel, bruger en fælles vinding og giver derfor ikke samme galvaniske adskillelse.

Hvordan virker en transformator?

Transformatorers funktion bygger på Faradays lov om elektromagnetisk induktion en ændrende magnetisk flux gennem en spole inducerer en elektromotorisk kraft over spolen.

Processen kan forstås i tre faser.

1. Den primære vikling frembringer magnetisk flux

Når en vekselspænding pålægges den primære vikling, opstår der en vekselstrøm. Denne strøm skaber en ændrende magnetisk flux i transformatorernes kerne.

2. Kernen kobler den magnetiske flux

Den magnetiske kerne leder det meste af den ændrende flux gennem begge viklinger. Kerne-materialer og konstruktionsmetoder vælges for at sikre effektiv magnetisk kobling, samtidig med at hvirvelstrøms- og hysteresetab begrænses.

3. Den sekundære vikling udvikler en spænding

Fordi den ændrende kerneflux passerer gennem den sekundære vikling, induceres der en spænding over denne vikling. Den inducerede spænding stiger med antallet af sekundære vindinger.

Denne sammenhæng følger direkte af Faradays lov og danner grundlaget for både step-up- og step-down-transformatorer. OpenStax University Physics giver en detaljeret udledning af transformatorligningerne.

Den Transformator Vindingstalsformel

For en ideal transformator:

Vs / Vp = Ns / Np

Hvor:

• Vp = Primær indgangsspænding
• Vs = Sekundær udgangsspænding
• Np = Antal vindinger i den primære vikling
• Ns = Antal vindinger i den sekundære vikling

Spændingsforholdet er derfor lig med vindingstalsforholdet.

Step-up Transformer

En transformator øger spændingen, når:

Ns > Np

Derfor:

Vs > Vp

Den sekundære vikling har flere vindinger end den primære vikling, så spændingen på den sekundære side er højere end spændingen på den primære side.

Spirningsned Transformator

En transformator nedsætter spændingen, når:

Ns < Np

Derfor:

Vs < Vp

Den sekundære vikling har færre vindinger end den primære vikling, så spændingen på den sekundære side er lavere end spændingen på den primære side.

En-til-en isolationstransformator

Når den primære og den sekundære vikling har cirka det samme antal vindinger:

Ns = Np

Derfor:

Vs ≈ Vp

Udgangsspændingen er cirka lig med indgangsspændingen.

Praktisk eksempel på en nedtransformerende transformer

Antag, at en transformer skal omforme 230 V vekselstrøm til 24 V vekselstrøm.

Den krævede omsætningsforhold er:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Hvis primærviklingen har 1.000 vindinger:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 vindinger

Derfor ville den ideelle sekundærvinding have cirka 104 vindinger.

I en praktisk transformer kan producenten tilføje ekstra sekundærvindinger for at kompensere for viklingsmodstand og spændingsfald under belastning.

Praktisk eksempel på en step-up-transformer

Antag, at en transformer skal øge spændingen fra 120 V vekselstrøm til 240 V vekselstrøm.

Den krævede omsætningsforhold er:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Hvis primærvindingen har 500 vindinger:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 vindinger

Den sekundære vinding kræver derfor cirka dobbelt så mange vindinger som den primære vinding.

Hvad sker der med strømmen?

En transformator ændrer strømmen i modsat retning af spændingen.

For en ideal transformator er indgangseffekten lig udgangseffekten:

Vp × Ip = Vs × Is

Hvor:

• Vp = Primærspænding
• Ip = Primærstrøm
• Vs = Sekundærspænding
• Is = Sekundærstrøm

Strømforholdet er:

Is / Ip = Np / Ns

Derfor:

• Transformator med spændingsstigning: spændingen stiger, og den tilgængelige strøm falder.
• Transformator med spændingsfald: spændingen falder, og den tilgængelige strøm stiger.

En transformator skaber ikke ekstra energi. I en reel transformator er effekten på udløbet lidt lavere end effekten på indløbet på grund af kobber-tab, kerne-tab og andre tab.

Hvorfor bruger lavspændingsviklingen tykkere ledning?

Den sekundære vikling i en transformator med spændingsfald fører normalt mere strøm end dens primære vikling. Den kræver derfor normalt tykkere ledning.

Ledningsstørrelsen skal vælges ud fra:

• Effektivværdistruem
• Tilladt strømtæthed
• Vindingstemperatur
• Omgivelsestemperatur
• Arbejdscyklus
• Afkylningsforholdene
• Isoleringstydskhed
• Tilgængeligt viklerum

Brug af for tynd ledning øger modstanden, spændingsfaldet, kobbertabet og viklingens temperatur. For høj temperatur kan forkorte isolationens levetid og skabe en sikkerhedsrisiko.

I en step-up-transformator bruger den højere spændingsvikling typisk flere vindinger af tyndere ledning, fordi den fører mindre strøm. Den præcise lederstørrelse kræver stadig en ingeniørmæssig beregning.

Hvorfor bruges transformatorer til kraftoverførsel?

For en given overført effekt reducerer øget spænding strømmen:

I = P / V

Hvor:

• I = Strøm
• P = Effekt
• V = Spænding

Når spændingen stiger, falder den strøm, der kræves for at overføre samme effekt.

Da strømmen indgår kvadreret i denne ligning, kan reduktion af strøm betydeligt mindske ledernes opvarmning og tab under overførslen.

Kraftsystemer bruger derfor step-up-transformatorer til at øge generatorens spænding til langdistancetransmission. Ved brugspunktet nedsætter step-down-transformatorer spændingen til passende niveauer for distribution og anvendelse. Det amerikanske energiministerium forklarer ligeledes, at højspændingsoverførsel reducerer den nødvendige strøm og formindsker ledningstab. U.S. Department of Energy

Kan en transformator fungere med jævnstrøm?

En konventionel transformator kræver en ændrende magnetisk flux og kan derfor ikke kontinuerligt transformere stabil jævnstrømspænding.

Hvis stabil jævnstrøm påføres direkte til en standardtransformatorvikling:

• Der sker ingen kontinuerlig transformatorvirkning efter den indledende transiente.
• Viklingsstrømmen kan blive farligt høj.
• Kernen kan blive mættet.
• Viklingen kan overophedes eller fejle.

Elektroniske strømforsyninger kan konvertere jævnstrømspænding ved først at skifte den med en styret frekvens. Den resulterende vekselstrømbølgeform kan derefter drive en højfrekvens-transformator eller en koblet induktor. Sådan fungerer mange flyback-, forward-, push-pull-, half-bridge- og full-bridge-konvertere.

Den væsentlige forskel er, at en konventionel transformator ikke transformerer stabil jævnstrøm direkte; jævnstrømmen skal først skiftes elektronisk.

Ideelle ligninger versus reel transformatorpræstation

Ligningen for omsætningsforholdet beskriver en ideel transformator. Reelle transformatorer har tab og spændningsfald.

Kobbertab

Det resistive effekttab i en leder er:

Effekttab = I² × R

For maksimal kompatibilitet med WordPress kan dette også skrives som:

Effekttab = I × I × R

Hvor:

• I = Strømmen, der løber gennem lederen
• R = Ledernes modstand

Da strømmen er kvadreret i denne beregning, kan en reduktion af strømmen betydeligt mindske tabene i transmissionsledningen.

Kerntab

Et vekslerende magnetfelt forårsager hysteresetab og hvirvelstrømstabe i kernen. Kerntabet påvirkes af:

• Kernemateriale
• Bremsesystemer
• Anvendt spænding
• Antal primære vindinger
• Kernens tværsnitsareal
• Magnetisk fluxtæthed
• Laminationsdybde

Spredningsflux

Ikke al den magnetiske flux kobler begge viklinger. Spredningsflux påvirker spændingsreguleringen og kan forårsage elektromagnetisk interferens.

Strøm uden belastning

Selv uden belastning på sekundærsiden trækker primærsiden strøm for at magnetisere kernen og dække kernetab.

Temperaturopstigning

Kobber- og kernetab genererer varme. En transformator skal holde sig inden for temperaturgrænserne for sit isoleringssystem under de specificerede belastnings- og omgivelsestemperaturforhold.

Regulering af spændingen

Udspændingen falder normalt mellem tomgang og fuld belastning på grund af intern impedans.

Spændingsregulering kan udtrykkes som:

Spændingsregulering (%) = [(Vtomgang − Vfuld_belastning) / Vfuld_belastning] × 100

Af denne grund kan producenter designe sekundærspændingen ved tomgang lidt over den angivne udgangsspænding.

Påvirker frekvensen transformatorudformningen?

Ja. Frekvensen er en kritisk udformningsparameter.

For en sinusformet bølgeform er den tilnærmede RMS-spænding pr. vinding relateret til frekvensen, antallet af vindinger, kernearealet og den maksimale magnetiske fluxtæthed ved:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Hvor:

• V = RMS-spænding over vindingen
• f = Driftsfrekvens i hertz
• N = Antal vindinger
• A = Effektiv tværsnitsareal af kernen
• Bmax = Maksimal magnetisk fluxtæthed

En transformator til 60 Hz bør ikke uden videre anvendes ved 50 Hz ved samme spænding. Den lavere frekvens kan øge den magnetiske fluxtæthed, hvilket kan føre til kernesaturation, overdreven strøm, støj og overophedning.

Producenten skal kende den faktiske indgangsfrekvens og spændingsområde, inden designet færdiggøres.

Sådan specificeres en step-up- eller step-down-transformator

En professionel transformatorspecifikation skal indeholde mere end indgangs- og udgangsspænding.

Angiv følgende oplysninger, når du anmoder om et design eller et tilbud:

• Nominel indgangsspænding
• Mindste og største indgangsspænding
• Indgangsfrekvens
• Krævet udgangsspænding eller udgangsspændinger
• Kontinuert udgangstrøm
• Topstrøm og varighed
• Belastningstype
• Krævet VA-rating
• Arbejdscyklus
• Maksimumsdimensioner
• Monteringsmetode
• Krav til ledninger eller terminaler
• Omgivelsestemperatur
• Kølings- og kabinetforhold
• Maksimal tilladt temperaturstigning
• Isolationsklasse
• Krav til dielektrisk styrke
• Krav til elektrostatiske eller magnetiske afskærmninger
• Krav til termisk sikring eller termisk beskyttelse
• Målland eller marked
• Anvendelige sikkerheds- og miljøkrav
• Estimeret produktionsmængde

At angive komplette driftsbetingelser hjælper med at forhindre forkert dimensionering og forbedrer spændingsregulering, pålidelighed og levetid.

Ofte stillede spørgsmål

Øger en step-up-transformator effekten?

Nej. En step-up-transformator øger spændingen, men reducerer den tilgængelige strøm. Effekten på udgangen er altid lidt lavere end effekten på indgangen, fordi en reel transformator har kobber-, kerne- og andre tab.

Giver en step-down-transformator altid mere strøm?

Den kan levere en højere nominel sekundærstrøm ved samme omtrentlige effektniveau, men den faktiske strøm bestemmes af den tilsluttede belastning og transformatorens nominelle kapacitet. En transformator påtvinger ikke sin maksimale strøm på belastningen.

Er primær- og sekundærvindingerne forbundet?

I en isoleringstransformator er de elektrisk adskilte og koblet via den magnetiske kerne. I en autotransformator deles en del af vindingen, så der ikke er tilsvarende galvanisk isolation.

Kan én transformator levere flere udgangsspændinger?

Ja. En transformator kan bruge flere sekundærvindinger, center-tapped-vindinger eller vindingstapninger til at levere forskellige udgangsspændinger.

Hvordan beregner jeg transformatorens VA?

For en simpel enkeltsekundær AC-transformator:

VA = Vs × Is

Hvor:

• VA = Transformatorens tilsyneladende effektrating
• Vs = Nominel sekundærspænding
• Is = Nominel sekundærstrøm

Eksempel:

Sekundærspænding = 24 V vekselspænding
Sekundærstrøm = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Ved flere sekundærvindinger beregnes den krævede samlede VA-værdi ud fra de kombinerede vindingers belastning, med passende hensyn til belastningstype, driftscyklus, effektivitet, spændingsregulering, likeretning og temperaturstigning.

Brugerdefinerede step-up- og step-down-transformere fra Dingxin

Dingxin fremstiller brugerdefinerede transformere, herunder transformerløsninger til kunder og udstyr beregnet til det europæiske marked.

Transformere kan udvikles i henhold til specificerede elektriske, mekaniske, termiske og anvendelsesmæssige krav, herunder:

• Brugerdefinerede input- og outputspændinger
• Trin-op- og trin-ned-design
• Flere sekundære vindinger
• EI- og toroidale konstruktioner
• anvendelser til 50 Hz og 60 Hz
• Tilpassede VA-ratinger
• Ledningstråde, terminaler, beslag og monteringsmuligheder
• Elektrostatisk afskærmning
• Termiske sikringer og termiske beskyttelsesenheder
• Applikationsspecifikke isoleringssystemer
• Design baseret på kundens krav fra målmarkederne

Endelige overholdelses- og certificeringskrav skal bekræftes under ingeniørprocessen i henhold til transformerdesignet, den tilsigtede udstyr og destinationsmarkedet.

Anmod om en brugerdefineret transformatorudformning

Har du brug for en transformator med et specifikt spændingsforhold, effektrating, størrelse, temperaturgrænse eller monteringsmetode?

Send følgende oplysninger til Dingxin:

1. Indgangsspænding og frekvens
2. Krævet udgangsspænding og -strøm
3. Kontinuerlige og maksimale belastningsforhold
4. Maksimumsdimensioner
5. Monterings- og tilslutningskrav
6. Driftstemperatur
7. Målmarked og overholdelseskrav
8. Estimeret ordremængde

Kontakt Dingxin i dag for at anmode om en teknisk gennemgang, en brugerdefineret transformatorudformning, en prøve eller et tilbud.