Hoe verhoogt of verlaagt een vermogenstransformator de spanning?

Transformatoren verhogen of verlagen wisselstroomspanning via elektromagnetische inductie . Hun uitgangsspanning wordt voornamelijk bepaald door de verhouding tussen het aantal windingen in de primaire wikkeling en het aantal windingen in de secundaire wikkeling.

Als de secundaire wikkeling meer windingen heeft dan de primaire, verhoogt de transformator de spanning. Als de secundaire wikkeling minder windingen heeft, verlaagt de transformator de spanning.

Hoewel het principe eenvoudig is, moet een praktische transformator ook worden ontworpen voor de vereiste stroom, vermogensvermogen, frequentie, isolatie, temperatuurstijging, efficiëntie en toepasselijke veiligheidsnormen.

Wat is een Transformator ?

Een transformator is een passief elektrisch apparaat dat energie overdraagt tussen twee of meer wikkelingen via een veranderlijk magnetisch veld.

Een conventionele isolatietransformator bestaat uit drie hoofdonderdelen:

• Primaire wikkeling: aangesloten op de ingangspanningsbron
• Secundaire wikkeling: voert spanning aan de belasting toe
• Magnetische kern: verstrekkt een pad met lage magnetische weerstand voor de wisselende magnetische flux

De primaire en secundaire wikkelingen zijn doorgaans elektrisch geïsoleerd, maar magnetisch gekoppeld via de kern. Deze isolatie kan de elektrische veiligheid verbeteren en een directe geleidende verbinding tussen ingang en uitgang voorkomen.

Niet elke transformator biedt echter isolatie. Een aUTOTRANSFORMATOR , bijvoorbeeld, gebruikt een gedeelde wikkeling en levert daarom niet dezelfde galvanische scheiding.

Hoe werkt een transformator?

De werking van een transformator berust op De wet van elektromagnetische inductie van Faraday een veranderende magnetische flux door een spoel induceert een elektromotorische kracht over die spoel.

Het proces kan in drie stadia worden begrepen.

1. De primaire wikkeling produceert magnetische flux

Wanneer een wisselspanning op de primaire wikkeling wordt aangelegd, ontstaat er een wisselstroom. Deze stroom zorgt voor een veranderende magnetische flux in de transformator-kern.

2. De kern koppelt de magnetische flux

De magnetische kern leidt het grootste deel van de veranderende flux door beide wikkelingen. Kernmaterialen en constructiemethoden worden zodanig gekozen dat een effectieve magnetische koppeling wordt bereikt, terwijl wervelstroom- en hystereseverliezen worden beperkt.

3. De secundaire wikkeling ontwikkelt een spanning

Omdat de veranderende kernflux door de secundaire wikkeling loopt, wordt er een spanning over die wikkeling geïnduceerd. De geïnduceerde spanning neemt toe met het aantal secundaire windingen.

Deze relatie volgt rechtstreeks uit de wet van Faraday en vormt de basis voor zowel opstap- als afstaptransformatoren. OpenStax University Physics geeft een gedetailleerde afleiding van de transformatorvergelijkingen.

De Transformator Windingverhoudingsformule

Voor een ideale transformator:

Vs / Vp = Ns / Np

Waarbij:

• Vp = primaire ingangsspanning
• Vs = secundaire uitgangsspanning
• Np = aantal windingen in de primaire wikkeling
• Ns = aantal windingen in de secundaire wikkeling

De spanningsverhouding is dus gelijk aan de verhouding van het aantal windingen.

Verhogingstransformator

Een transformator verhoogt de spanning wanneer:

Ns > Np

Daarom:

Vs > Vp

De secundaire wikkeling heeft meer windingen dan de primaire wikkeling, dus de secundaire spanning is hoger dan de primaire spanning.

Spanningsdalende transformator

Een transformator verlaagt de spanning wanneer:

Ns < Np

Daarom:

Vs < Vp

De secundaire wikkeling heeft minder windingen dan de primaire wikkeling, dus de secundaire spanning is lager dan de primaire spanning.

Eén-op-één-isolatietransformator

Wanneer de primaire en secundaire wikkelingen ongeveer evenveel windingen hebben:

Ns = Np

Daarom:

Vs ≈ Vp

De uitgangsspanning is ongeveer gelijk aan de ingangsspanning.

Praktisch voorbeeld van een spanningsverlagende transformator

Stel dat een transformator 230 V wisselstroom moet omzetten naar 24 V wisselstroom.

De vereiste wikkelverhouding is:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Als de primaire wikkeling 1.000 windingen heeft:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 windingen

Daarom zou de ideale secundaire wikkeling ongeveer 104 windingen moeten hebben.

Bij een praktische transformator kan de fabrikant extra secundaire windingen toevoegen om compensatie te bieden voor de wikkelweerstand en de spanningsdaling onder belasting.

Praktisch voorbeeld van een step-uptransformator

Stel dat een transformator de spanning moet verhogen van 120 V wisselstroom naar 240 V wisselstroom.

De vereiste wikkelverhouding is:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Als de primaire wikkeling 500 windingen heeft:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 windingen

De secundaire wikkeling vereist daarom ongeveer tweemaal zoveel windingen als de primaire wikkeling.

Wat gebeurt er met de stroom?

Een transformator verandert de stroom in de tegenovergestelde richting van de spanning.

Bij een ideale transformator is het ingangsvermogen gelijk aan het uitgangsvermogen:

Vp × Ip = Vs × Is

Waarbij:

• Vp = Primaire spanning
• Ip = Primaire stroom
• Vs = Secundaire spanning
• Is = Secundaire stroom

De stroomverhouding is:

Is / Ip = Np / Ns

Daarom:

• Transformator met verhogende werking: spanning stijgt en beschikbare stroom daalt.
• Transformator met verlagende werking: spanning daalt en beschikbare stroom stijgt.

Een transformator genereert geen extra energie. Bij een reële transformator is het uitgangsvermogen iets lager dan het ingangsvermogen vanwege koperverlies, kernverlies en andere verliezen.

Waarom wordt voor de laagspanningswikkeling dikker draad gebruikt?

De secundaire wikkeling van een transformator met verlagende werking voert meestal meer stroom dan de primaire wikkeling. Daarom is er meestal dikker draad voor nodig.

De geleiderafmeting moet worden gekozen op basis van:

• RMS-stroom
• Toegestane stroomdichtheid
• Windingtemperatuur
• Omgevings temperatuur
• Werkcyclus
• Koelomstandigheden
• Isolatiedikte
• Beschikbare wikkelruimte

Te dunne draad verhoogt de weerstand, de spanningsval, het koperverlies en de wikkeltemperatuur. Te hoge temperatuur kan de levensduur van de isolatie verkorten en een veiligheidsrisico vormen.

Bij een opstaptransformator gebruikt de wikkeling met hogere spanning doorgaans meer windingen van dunner draad, omdat deze minder stroom voert. De exacte geleiderafmeting vereist nog steeds een technische berekening.

Waarom worden transformatoren gebruikt voor energietransport?

Voor een gegeven over te dragen vermogen leidt een hogere spanning tot een lagere stroom:

I = P / V

Waarbij:

• I = Stroom
• P = Vermogen
• V = Spanning

Wanneer de spanning stijgt, neemt de stroom die nodig is om hetzelfde vermogen te transporteren af.

Omdat de stroom in deze vergelijking gekwadrateerd wordt, kan het verlagen van de stroom het verwarmen van de geleiders en de transportverliezen sterk verminderen.

Energiesystemen gebruiken daarom opstaptransformatoren om de generatorspanning te verhogen voor transport over lange afstanden. In de buurt van het eindgebruik verlagen afdaltransformatoren de spanning tot geschikte niveaus voor distributie en gebruik. Het Amerikaanse ministerie van Energie legt eveneens uit dat hoogspanningstransport de benodigde stroom verlaagt en de lijnverliezen vermindert. U.S. Department of Energy

Kan een transformator op gelijkstroom werken?

Een conventionele transformator vereist een veranderende magnetische flux en kan daarom geen constante gelijkstroomspanning continu transformeren.

Als constante gelijkstroom rechtstreeks op de wikkeling van een standaardtransformator wordt aangelegd:

• Er vindt na de initiële transiënte geen continue transformatorwerking plaats.
• De wikkelingsstroom kan gevaarlijk hoog worden.
• De kern kan verzadigen.
• De wikkeling kan oververhitten of defect raken.

Elektronische voedingen kunnen gelijkstroomspanning omzetten door deze eerst met een gecontroleerde frequentie te schakelen. De resulterende wisselstroomgolfvorm kan vervolgens een hoogfrequentetransformator of gekoppelde spoel aansturen. Op deze manier werken vele flyback-, forward-, push-pull-, half-bridge- en full-bridge-converters.

Het belangrijke onderscheid is dat een conventionele transformator geen constante gelijkstroom direct transformeert; de gelijkstroom moet eerst elektronisch worden geschakeld.

Ideale vergelijkingen versus reële transformatorprestaties

De wikkelverhoudingsvergelijking beschrijft een ideale transformator. Echte transformatoren hebben verliezen en spanningsdalingen.

Koperverlies

Het resistieve vermogensverlies in een geleider is:

Vermogensverlies = I² × R

Voor maximale WordPress-compatibiliteit kan dit ook worden geschreven als:

Vermogensverlies = I × I × R

Waarbij:

• I = stroom die door de geleider vloeit
• R = weerstand van de geleider

Omdat de stroom in deze berekening gekwadrateerd wordt, kan het verlagen van de stroom aanzienlijk de transmissielijnverliezen verminderen.

Kernverlies

Een wisselend magnetisch veld veroorzaakt hysteresis- en wervelstroomverliezen in de kern. Kernverlies wordt beïnvloed door:

• Kernmateriaal
• Werksfrequentie
• Toegepaste spanning
• Aantal primaire windingen
• Kerndoorsnede-oppervlakte
• Magnetische Fluxdichtheid
• Laminatiedikte

Leakageflux

Niet alle magnetische flux koppelt met beide windingen. Leakageflux beïnvloedt de spanningsregeling en kan elektromagnetische interferentie veroorzaken.

Stroom zonder belasting

Zelfs zonder secundaire belasting trekt de primaire wikkeling stroom om de kern te magnetiseren en de kernverliezen te compenseren.

Temperatuur stijging

Koper- en kernverliezen genereren warmte. Een transformator moet binnen de temperatuurgrenzen van zijn isolatiesysteem blijven onder de gespecificeerde belasting en omgevingsomstandigheden.

Spanningsregeling

De uitgangsspanning neemt normaal gesproken af tussen geen-belasting- en volbelastingsomstandigheden vanwege de interne impedantie.

Spanningsregeling kan worden uitgedrukt als:

Spanningsregeling (%) = [(Vgeen-belasting − Vvolbelasting) / Vvolbelasting] × 100

Om deze reden kunnen fabrikanten de geen-belasting secundaire spanning licht boven de nominale uitgangsspanning ontwerpen.

Heeft frequentie invloed op het ontwerp van een transformator?

Ja. Frequentie is een cruciale ontwerpparameter.

Voor een sinusvormige golfvorm is de benaderde effectieve spanning per wikkeling gerelateerd aan frequentie, aantal windingen, kernoppervlakte en maximale magnetische fluxdichtheid volgens:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Waarbij:

• V = effectieve wikkelspanning
• f = werkfrequentie in hertz
• N = aantal wikkelingen
• A = effectief kerndoorsnede-oppervlak
• Bmax = maximale magnetische fluxdichtheid

Een 60 Hz-transformator mag niet automatisch bij 50 Hz worden gebruikt bij dezelfde spanning. De lagere frequentie kan de magnetische fluxdichtheid verhogen, wat kan leiden tot kernsaturatie, overmatige stroom, lawaai en oververhitting.

De fabrikant moet de werkelijke ingangsfrequentie en het ingangsspanningsbereik kennen voordat het ontwerp definitief wordt gemaakt.

Hoe een op- of afstaptransformator specificeren

Een professionele transformatorspecificatie moet meer omvatten dan alleen de ingangs- en uitgangsspanning.

Geef de volgende informatie op bij het aanvragen van een ontwerp of offerte:

• Nominale invoerspanning
• Minimale en maximale ingangsspanning
• Ingangsfrequentie
• Gewenste uitgangsspanning of uitgangsspanningen
• Continue uitgangsstroom
• Piekstroom en duur
• Type belasting
• Vereiste VA-vermogenswaarde
• Werkcyclus
• Maximale afmetingen
• Montage methode
• Eisen voor aansluitdraden of aansluitklemmen
• Omgevings temperatuur
• Koel- en behuizingseisen
• Maximale toegestane temperatuurstijging
• Isolatie klasse
• Eis voor diëlektrische sterkte
• Vereiste elektrostatische of magnetische afscherming
• Eis voor thermische zekering of thermische beveiliging
• Doelland of markt
• Toepasselijke veiligheids- en milieueisen
• Geschatte productieomvang

Het verstrekken van volledige bedrijfsomstandigheden helpt onjuiste dimensionering te voorkomen en verbetert spanningsregeling, betrouwbaarheid en levensduur.

Veelgestelde Vragen

Verhoogt een opspantransformator het vermogen?

Nee. Een opspantransformator verhoogt de spanning, maar verlaagt de beschikbare stroom. Het uitgangsvermogen is altijd iets lager dan het ingangsvermogen, omdat een reële transformator koper-, kern- en andere verliezen heeft.

Levert een afspantransformator altijd meer stroom?

Het kan een hogere nominale secundaire stroom leveren bij ongeveer hetzelfde vermoge-niveau, maar de werkelijke stroom wordt bepaald door de aangesloten belasting en het nominale vermogen van de transformator. Een transformator dwingt zijn maximale stroom niet in de belasting.

Zijn de primaire en secundaire wikkelingen met elkaar verbonden?

Bij een isoleertransformator zijn ze elektrisch gescheiden en gekoppeld via de magnetische kern. Bij een autotransformator wordt een gedeelte van de wikkeling gedeeld, waardoor er geen equivalente galvanische scheiding bestaat.

Kan één transformator meerdere uitgangsspanningen leveren?

Ja. Een transformator kan meerdere secundaire wikkelingen, midden-aftakwikkelingen of aftakpunten op de wikkeling gebruiken om verschillende uitgangsspanningen te leveren.

Hoe bereken ik de VA-waarde van een transformator?

Voor een eenvoudige wisselstroomtransformator met één secundaire wikkeling:

VA = Vs × Is

Waarbij:

• VA = Nominale schijnbare vermogenswaarde van de transformator
• Vs = Nominale secundaire spanning
• Is = nominale secundaire stroom

Voorbeeld:

Secundaire spanning = 24 V wisselstroom
Secundaire stroom = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Bij meerdere secundaire wikkelingen wordt de benodigde totale VA berekend op basis van de gecombineerde wikkelingsbelastingen, met passende rekening houdend met belastingtype, bedrijfscyclus, rendement, spanningregeling, gelijkrichting en temperatuurstijging.

Aangepaste step-up- en step-downtransformatoren van Dingxin

Dingxin produceert aangepaste transformatoren, inclusief transformatiessystemen voor klanten en apparatuur bestemd voor de Europese markt.

Transformatoren kunnen worden ontwikkeld volgens gespecificeerde elektrische, mechanische, thermische en toepassingsgerelateerde eisen, waaronder:

• Aangepaste ingangs- en uitgangsspanningen
• Op- en afstapontwerpen
• Meerdere secundaire wikkelingen
• EI- en toroïdale constructies
• toepassingen voor 50 Hz en 60 Hz
• Aangepaste VA-vermogens
• Aansluitdraden, aansluitklemmen, beugels en montageopties
• Elektrostatische afscherming
• Thermische zekeringen en thermische beveiligingen
• Isolatiesystemen specifiek voor de toepassing
• Ontwerpen gebaseerd op de vereisten van de doelmarkt van de klant

De definitieve conformiteitseisen en certificatievereisten dienen tijdens het engineeringproces te worden bevestigd, rekening houdend met het transformatorontwerp, de bedoelde apparatuur en de bestemmingsmarkt.

Vraag een aangepast transformatorontwerp aan

Hebt u een transformator nodig met een specifieke spanningsverhouding, vermogensklasse, afmetingen, temperatuurgrens of installatiemethode?

Stuur Dingxin de volgende informatie:

1. Ingangsspanning en -frequentie
2. Gewenste uitgangsspanning en -stroom
3. Continue en piekbelastingsomstandigheden
4. Maximale afmetingen
5. Vereisten voor montage en aansluiting
6. Bedrijfstemperatuur
7. Doelmarkt en conformiteitseisen
8. Geschatte bestelhoeveelheid

Neem vandaag nog contact op met Dingxin om een technische beoordeling, aangepast transformatorontwerp, monster of offerte aan te vragen.