Hvordan øker eller senker en krafttransformator spenningen?

Transformatorer øker eller senker vekselspenning gjennom elektromagnetisk induksjon . Utgangsspenningen deres bestemmes hovedsakelig av forholdet mellom antall viklinger i primærviklingen og antall viklinger i sekundærviklingen.

Hvis sekundærviklingen har flere viklinger enn primærviklingen, øker transformatorer spenningen. Hvis sekundærviklingen har færre viklinger, senker de spenningen.

Selv om prinsippet er enkelt, må en praktisk transformator også utformes for den nødvendige strømmen, effektkapasiteten, frekvensen, isolasjonen, temperaturstigningen, virkningsgraden og gjeldende sikkerhetsstandarder.

Hva er en Transformer ?

En transformator er en passiv elektrisk enhet som overfører energi mellom to eller flere viklinger gjennom et varierende magnetfelt.

En konvensjonell isolasjonstransformator inneholder tre hoveddeler:

• Primærvikling: tilkoblet kildespenningen
• Sekundærvikling: leverer spenning til belastningen
• Magnetisk kjerne: gir en lav-reluktansbane for det vekslande magnetiske fluksen

Primær- og sekundærviklingene er vanligvis elektrisk isolert, men magnetisk koblet gjennom kjernen. Denne isolasjonen kan forbedre elektrisk sikkerhet og forhindre en direkte ledende forbindelse mellom inngang og utgang.

Ikke alle transformatorer gir imidlertid isolasjon. En autotransformator autotransformator, for eksempel, bruker en felles vikling og gir derfor ikke samme galvaniske separasjon.

Hvordan fungerer en transformator?

Driften av en transformator bygger på Faradays lov om elektromagnetisk induksjon en foranderlig magnetisk fluks gjennom en spole induserer en elektromotorisk kraft over spolen.

Prosessen kan forstås i tre faser.

1. Den primære viklingen produserer magnetisk fluks

Når en vekselspenning påføres den primære viklingen, oppstår det en vekselstrøm. Denne strømmen skaper en foranderlig magnetisk fluks i transformatorens kjerne.

2. Kjernen kobler den magnetiske fluksen

Den magnetiske kjernen leder mesteparten av den foranderlige fluksen gjennom begge viklingene. Materialvalg og konstruksjonsmetoder for kjernen er valgt for å sikre effektiv magnetisk kobling samtidig som virveldstrøms- og hysterestap begrenses.

3. Den sekundære viklingen utvikler en spenning

Fordi den foranderlige kjernefluksen går gjennom den sekundære viklingen, induseres det en spenning over denne viklingen. Den induserte spenningen øker med antallet sekundærviklinger.

Dette forholdet følger direkte fra Faradays lov og danner grunnlaget for både opptransformatorer og nedtransformatorer. OpenStax University Physics gir en detaljert utledning av transformatorlikningene.

Den Transformer Formel for viklingsforholdet

For en ideell transformator:

Vs / Vp = Ns / Np

Hvor:

• Vp = Primær inngangsspenning
• Vs = Sekundær utgangsspenning
• Np = Antall viklinger i primærviklingen
• Ns = Antall viklinger i sekundærviklingen

Spenningsforholdet er derfor lik viklingsforholdet.

Step-up transformer

En transformator øker spenningen når:

Ns > Np

Derfor:

Vs > Vp

Den sekundære viklingen har flere vindinger enn den primære viklingen, så spenningen på sekundærsiden er høyere enn spenningen på primærsiden.

Nedsteggingstransformator

En transformator senker spenningen når:

Ns < Np

Derfor:

Vs < Vp

Den sekundære viklingen har færre vindinger enn den primære viklingen, så spenningen på sekundærsiden er lavere enn spenningen på primærsiden.

En-til-en isoleringstransformator

Når den primære og den sekundære viklingen har omtrent like mange vindinger:

Ns = Np

Derfor:

Vs ≈ Vp

Utgangsspenningen er omtrent lik inngangsspenningen.

Praktisk nedtransformator-eksempel

Anta at en transformator må omforme 230 V vekselspenning til 24 V vekselspenning.

Den nødvendige viklingsforholdet er:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Hvis primærviklingen har 1 000 viklinger:

Ns = 1 000 × 0,104

Ns ≈ 104 vindinger

Derfor ville den ideelle sekundærviklingen ha omtrent 104 vindinger.

I en praktisk transformator kan produsenten legge til sekundære vindinger for å kompensere for viklingsmotstand og spenningsfall under belastning.

Eksempel på en praktisk oppspenningstransformator

Anta at en transformator må øke spenningen fra 120 V vekselstrøm til 240 V vekselstrøm.

Den nødvendige viklingsforholdet er:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Hvis primærviklingen har 500 vindinger:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 vindinger

Den sekundære viklingen krever derfor omtrent dobbelt så mange viklinger som den primære viklingen.

Hva skjer med strømmen?

En transformator endrer strømmen i motsatt retning av spenningen.

For en ideell transformator er inngangseffekten lik utgangseffekten:

Vp × Ip = Vs × Is

Hvor:

• Vp = Primærspenning
• Ip = Primærstrøm
• Vs = Sekundærspenning
• Is = Sekundærstrøm

Strømforholdet er:

Is / Ip = Np / Ns

Derfor:

• Transformator for økning av spenning: spenningen øker, og tilgjengelig strøm avtar.
• Transformator for redusering av spenning: spenningen avtar, og tilgjengelig strøm øker.

En transformator skaper ikke ekstra energi. I en virkelig transformator er utgangseffekten litt lavere enn inngangseffekten på grunn av kobber-tap, kjerne-tap og andre tap.

Hvorfor brukes tykkere ledning i lavspenningsviklingen?

Den sekundære viklingen i en transformator for redusering av spenning fører vanligvis mer strøm enn den primære viklingen. Den krever derfor vanligvis tykkere ledning.

Ledningsstørrelsen må velges ut fra:

• Effektivverdistrøm
• Tillatt strømtetthet
• Lindings temperatur
• Omgivelsestemperatur
• Tjenestecykel
• Kjølingsforhold
• Isoleringsdykket
• Tilgjengelig viklerom

Bruk av for tynn ledning øker motstanden, spenningsfall, kobber-tap og viklingstemperatur. For høy temperatur kan forkorte lederisolasjonens levetid og skape en sikkerhetsrisiko.

I en opptransformator bruker vanligvis viklingen med høyere spenning flere vindinger av tynnere ledning, fordi den fører mindre strøm. Den nøyaktige lederstørrelsen krever likevel en teknisk beregning.

Hvorfor brukes transformatorer til kraftoverføring?

For en gitt overført effekt reduserer økning av spenningen strømmen:

I = P / V

Hvor:

• I = Strøm
• P = Effekt
• V = Spenning

Når spenningen øker, minker strømmen som kreves for å overføre samme effekt.

Fordi strømmen er kvadrert i denne ligningen, kan reduksjon av strøm sterkt redusere oppvarming av lederne og tap under overføring.

Kraftsystemer bruker derfor opptransformatorer for å øke generatoren spenning til langdistansetransmisjon. I nærheten av forbrukspunktet reduserer nedtransformatorer spenningen til passende distribusjons- og bruksnivåer. USAs energidepartement forklarer på samme måte at høy-spenningsoverføring reduserer den nødvendige strømmen og minsker linjetap. U.S. Department of Energy

Kan en transformator virke på likestrøm?

En konvensjonell transformator krever endring i magnetisk fluks og kan derfor ikke kontinuerlig transformere stabil likestrømspenning.

Hvis stabil likestrøm legges direkte til en standardtransformatorvikling:

• Det skjer ingen kontinuerlig transformatorvirkning etter den innledende transienten.
• Strømmen i viklingen kan bli farlig høy.
• Kjernen kan gå i metning.
• Viklingen kan overopphetes eller svikte.

Elektroniske strømforsyninger kan konvertere likestrømspenning ved først å bryte den med en kontrollert frekvens. Den resulterende vekselspenningsbølgeformen kan deretter drive en høyfrekvens-transformator eller en koblet induktor. Dette er hvordan mange flyback-, forward-, push-pull-, half-bridge- og full-bridge-konvertere virker.

Den viktige forskjellen er at en konvensjonell transformator ikke transformerer stabil likestrøm direkte; likestrømmen må først brytes elektronisk.

Ideelle ligninger vs. faktisk transformatorytelse

Forholdet mellom vindingstallene beskriver en ideell transformator. Reelle transformatorer har tap og spenningsfall.

Kopertap

Det resistive effekt-tapet i en leder er:

Effekt-tap = I² × R

For maksimal kompatibilitet med WordPress kan dette også skrives som:

Effekt-tap = I × I × R

Hvor:

• I = Strøm som går gjennom lederen
• R = Ledermotstand

Siden strømmen er kvadrert i denne beregningen, kan reduksjon av strømmen betydelig redusere tapene i transmisjonslinjen.

Kjernetap

Et vekslande magnetfelt fører til hysterese- og virvelstrømtap i kjernen. Kjernetap påvirkes av:

• Kjernemateriale
• Operasjonsfrekvens
• Påført spenning
• Antall primærvindinger
• Kjernens tverrsnittsareal
• Magnetisk flukstetthet
• Laminert tykkelse

Lekkasjefluks

Ikke all magnetisk fluks kobler seg til begge viklingene. Lekkasjefluks påvirker spenningsregulering og kan forårsake elektromagnetisk forstyrrelse.

Lastfri strøm

Selv uten belastning på sekundærsiden trekker primærsiden strøm for å magnetisere kjernen og dekke kjernetapene.

Temperaturhøyring

Koppar- og kjernetap genererer varme. En transformator må holde seg innenfor temperaturgrensene for sitt isolasjonssystem under angitte belastnings- og omgivelsestemperaturforhold.

Spenningsregulering

Utgangsspenningen avtar vanligvis mellom tomgang og full belastning på grunn av intern impedans.

Spenningsregulering kan uttrykkes som:

Spenningsregulering (%) = [(Vtomgang − Vfullbelastning) / Vfullbelastning] × 100

Av denne grunnen kan produsenter utforme sekundærspenningen ved tomgang litt over den nominelle utgangsspenningen.

Påvirker frekvens transformatorutformingen?

Ja. Frekvens er en kritisk utformingsparameter.

For en sinusformet bølgeform er den omtrentlige RMS-spenningen per vikling knyttet til frekvens, antall viklinger, kjerneareal og maksimal magnetisk flukstetthet ved:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Hvor:

• V = RMS-viklingsspenning
• f = Driftsfrekvens i hertz
• N = Antall viklingsvindinger
• A = Effektiv tverrsnittsareal i kjernen
• Bmax = Maksimal magnetisk flukstetthet

En transformator på 60 Hz bør ikke automatisk drives ved 50 Hz ved samme spenning. Lavere frekvens kan øke magnetisk flukstetthet, noe som kan føre til kjerneoverspennelse, overdreven strøm, støy og overoppheting.

Produsenten må kjenne den faktiske inngangsfrekvensen og spenningsområdet før designet ferdigstilles.

Hvordan angi en opptransformerende eller nedtransformerende transformator

En profesjonell transformatorspesifikasjon bør inneholde mer enn bare inngangs- og utgangsspenning.

Oppgi følgende informasjon når du ber om et design eller et tilbud:

• Nominell inngangsspenning
• Minste og største inngangsspenning
• Inputfrekvens
• Ønsket utgangsspenning eller utgangsspenninger
• Kontinuerlig utgangsstrøm
• Maksimal strøm og varighet
• Lasttype
• Ønsket VA-verdi
• Tjenestecykel
• Største dimensjoner
• Monteringsmetode
• Krav til ledninger eller terminaler
• Omgivelsestemperatur
• Kjølings- og innkapslingsforhold
• Maksimal tillatt temperaturstigning
• Isolasjonsklasse
• Krav til dielektrisk styrke
• Krav til elektrostatisk eller magnetisk skjerming
• Krav til termisk sikring eller termisk beskytter
• Mål Land eller marked
• Gyldige sikkerhets- og miljøkrav
• Estimert produksjonsmengde

Å oppgi fullstendige driftsforhold hjelper med å unngå feil dimensjonering og forbedrer spenningsregulering, pålitelighet og levetid.

Ofte stilte spørsmål

Øker en opptransformator effekten?

Nei. En opptransformator øker spenningen, men reduserer tilgjengelig strøm. Utgangseffekten er alltid litt lavere enn inngangseffekten, fordi en virkelig transformator har kobber-, kjerne- og andre tap.

Gir en nedtransformator alltid mer strøm?

Den kan gi en høyere nominell sekundærstrøm ved omtrent samme effektnivå, men den faktiske strømmen bestemmes av den tilkoblede belastningen og transformatorens nominelle kapasitet. En transformator tvinger ikke maksimal strøm inn i belastningen.

Er primær- og sekundærviklingene koblet sammen?

I en isolasjonstransformator er de elektrisk adskilte og koblet sammen gjennom den magnetiske kjernen. I en autotransformator deles deler av viklingen, så det finnes ingen ekvivalent galvanisk isolasjon.

Kan én transformator gi flere utgangsspenninger?

Ja. En transformator kan bruke flere sekundærviklinger, sentertappede viklinger eller viklingstapninger for å gi ulike utgangsspenninger.

Hvordan regner jeg ut transformatorens VA?

For en enkel AC-transformator med én sekundærvikling:

VA = Vs × Is

Hvor:

• VA = Transformatorens skjermete effektkapasitet
• Vs = Nominell sekundærspenning
• Is = Nominell sekundærstrøm

Døme:

Sekundærspenning = 24 V vekselspenning
Sekundærstrøm = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Ved flere sekundærviklinger beregnes den nødvendige totale VA-verdien fra de samlede viklingslastene, med passende hensyn til lasttype, driftssyklus, virkningsgrad, spenningsregulering, likestrømretting og temperaturstigning.

Tilpassede transformatorer for spenningsøkning og spenningsredusering fra Dingxin

Dingxin produserer tilpassede transformatorer, inkludert transformatorløsninger for kunder og utstyr som er beregnet på den europeiske markedet.

Transformatorer kan utvikles i henhold til angitte elektriske, mekaniske, termiske og anvendelsesmessige krav, inkludert:

• Tilpassede inngangs- og utgangsspenninger
• Opp- og nedtransformerende design
• Flere sekundære viklinger
• EI- og toroidale konstruksjoner
• anvendelser for 50 Hz og 60 Hz
• Tilpassede VA-verdier
• Ledninger, terminaler, festeklamper og monteringsalternativer
• Elektrostatiske skjermer
• Termiske sikringer og termiske beskyttere
• Isolasjonssystemer tilpasset spesifikke anvendelser
• Design basert på kundens krav til målmarkedet

Endelige krav til overholdelse og sertifisering bør bekreftes under ingeniørarbeidet, basert på transformatorutformingen, den tenkte utstyrsbruken og markedet der transformatorer skal brukes.

Be om en tilpasset transformatorutforming

Trenger du en transformator med et spesifikt spenningsforhold, effektkapasitet, størrelse, temperaturgrense eller monteringsmetode?

Send følgende informasjon til Dingxin:

1. Inngangsspenning og frekvens
2. Krevd utgangsspenning og -strøm
3. Kontinuerlige og maksimale belastningsforhold
4. Største dimensjoner
5. Monterings- og tilkoblingskrav
6. Driftstemperatur
7. Måls marked og overholdelseskrav
8. Estimert ordremengde

Kontakt Dingxin i dag for å be om en teknisk vurdering, tilpasset transformatorutforming, prøve eller tilbud.