Hur ökar eller minskar en krafttransformator spänningen?

Transformatorer ökar eller minskar växelspänning genom elektromagnetisk induktion . Deras utgångsspänning bestäms främst av förhållandet mellan antalet lindningar i primärlindningen och antalet lindningar i sekundärlindningen.

Om sekundärlindningen har fler lindningar än primärlindningen höjer transformatorn spänningen. Om sekundärlindningen har färre lindningar sänker den spänningen.

Även om principen är enkel måste en praktisk transformator också dimensioneras för den erforderliga strömmen, effektklassningen, frekvensen, isoleringen, temperaturhöjningen, verkningsgraden och tillämpliga säkerhetsstandarder.

Vad är en Transformator ?

En transformator är en passiv elektrisk komponent som överför energi mellan två eller flera lindningar via ett föränderligt magnetfält.

En konventionell isoleringstransformator innehåller tre huvudsakliga delar:

• Primärlindning: ansluten till källan för ingående el
• Sekundärlindning: levererar spänning till lasten
• Magnetkärna: ger en låg-reluktansväg för det växlande magnetiska flödet

De primära och sekundära lindningarna är normalt elektriskt isolerade men magnetiskt kopplade genom kärnan. Denna isolation kan förbättra elektrisk säkerhet och förhindra en direkt ledande koppling mellan ingång och utgång.

Dock ger inte varje transformator isolation. En autotransformator autotransformator, till exempel, använder en gemensam lindning och ger därför inte samma galvaniska separation.

Hur fungerar en transformator?

Transformatorns funktion grundar sig på Faradays lag om elektromagnetisk induktion en föränderlig magnetisk flödestäthet genom en spole inducerar en elektromotorisk kraft över denna spole.

Processen kan förstås i tre steg.

1. Den primära lindningen producerar magnetiskt flöde

När en växelspänning appliceras på den primära lindningen skapas en växelström. Denna ström etablerar ett föränderligt magnetiskt flöde i transformatorns kärna.

2. Kärnan kopplar det magnetiska flödet

Den magnetiska kärnan dirigerar det mesta av det föränderliga flödet genom båda lindningarna. Kärnmaterial och konstruktionsmetoder väljs för att säkerställa effektiv magnetisk koppling samtidigt som virvelströms- och hysteresförluster begränsas.

3. Den sekundära lindningen utvecklar en spänning

Eftersom det föränderliga kärnflödet passerar genom den sekundära lindningen induceras en spänning över denna lindning. Den inducerade spänningen ökar med antalet sekundärvindingar.

Detta samband följer direkt från Faradays lag och utgör grunden för både upp- och nedtransformatorer. OpenStax University Physics ger en detaljerad härledning av transformatorformlerna.

De Transformator Formel för varvtalsförhållandet

För en ideal transformator:

Vs / Vp = Ns / Np

Där:

• Vp = Primär ingångsspänning
• Vs = Sekundär utgångsspänning
• Np = Antal varv i primärlindningen
• Ns = Antal varv i sekundärlindningen

Spänningsförhållandet är därför lika med förhållandet mellan antalet varv i lindningarna.

Stegtransformator

En transformator höjer spänningen när:

Ns > Np

Alltså:

Vs > Vp

Den sekundära lindningen har fler varv än den primära lindningen, så spänningen på sekundärsidan är högre än spänningen på primärsidan.

Spänningssänkande Transformer

En transformator sänker spänningen när:

Ns < Np

Alltså:

Vs < Vp

Den sekundära lindningen har färre varv än den primära lindningen, så spänningen på sekundärsidan är lägre än spänningen på primärsidan.

Ett-och-ett-isoleringstransformator

När den primära och den sekundära lindningen har ungefär lika många varv:

Ns = Np

Alltså:

Vs ≈ Vp

Utgångsspänningen är ungefär lika med ingångsspänningen.

Praktiskt exempel på en nedtransformator

Antag att en transformator måste omvandla 230 V växelspänning till 24 V växelspänning.

Den nödvändiga varvtalsförhållandet är:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Om primärlindningen har 1 000 varv:

Ns = 1 000 × 0,104

Ns ≈ 104 varv

Därför skulle den ideala sekundärlindningen ha ungefär 104 varv.

I en praktisk transformator kan tillverkaren lägga till sekundärvärdar för att kompensera för lindningsresistansen och spänningsfallet under belastning.

Exempel på en praktisk stegupp-transformator

Anta att en transformator måste öka spänningen från 120 V växelspänning till 240 V växelspänning.

Den nödvändiga varvtalsförhållandet är:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Om primärlindningen har 500 varv:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 varv

Den sekundära lindningen kräver därför ungefär dubbelt så många varv som den primära lindningen.

Vad händer med strömmen?

En transformator ändrar strömmen i motsatt riktning jämfört med spänningen.

För en ideal transformator är inmatad effekt lika med utmatad effekt:

Vp × Ip = Vs × Is

Där:

• Vp = Primärspänning
• Ip = Primärström
• Vs = Sekundärspänning
• Is = Sekundärström

Strömförhållandet är:

Is / Ip = Np / Ns

Alltså:

• Transformator för högre spänning: spänningen ökar och tillgänglig ström minskar.
• Transformator för lägre spänning: spänningen minskar och tillgänglig ström ökar.

En transformator skapar inte extra energi. I en verklig transformator är utmatad effekt något lägre än inmatad effekt på grund av kopparförluster, kärnförluster och andra förluster.

Varför använder lågspänningslindningen tjockare tråd?

En transformators för lägre spänning sekundärlindning bär normalt mer ström än dess primärlindning. Den kräver därför oftast tjockare tråd.

Ledarstorleken måste väljas enligt:

• RMS-ström
• Tillåten strömtäthet
• Lindningstemperatur
• Omgivningstemperatur
• Arbetscykel
• Kylförhållanden
• Isolerings tjocklek
• Tillgängligt lindningsutrymme

Användning av för tunn tråd ökar resistansen, spänningsfallet, kopparförlusterna och lindningens temperatur. För hög temperatur kan förkorta isoleringens livslängd och skapa en säkerhetsrisk.

I en upptransformator använder lindningen med högre spänning vanligtvis fler varv av tunnare ledare eftersom den förmedlar mindre ström. Den exakta ledarstorleken kräver fortfarande en teknisk beräkning.

Varför används transformatorer för kraftöverföring?

För en given överförd effekt minskar ökad spänning strömmen:

I = P / V

Där:

• I = Ström
• P = Effekt
• V = Spänning

När spänningen ökar minskar den ström som krävs för att överföra samma effekt.

Eftersom strömmen är kvadrerad i denna ekvation kan minskning av strömmen kraftigt minska uppvärmning av ledaren och överföringsförluster.

Kraftsystem använder därför upptransformatorer för att öka generatorspänningen vid långdistansöverföring. I närheten av användningspunkten minskar nedtransformatorer spänningen till lämpliga distributions- och användningsnivåer. USA:s energidepartement förklarar på liknande sätt att högspänningsöverföring minskar den krävda strömmen och minskar ledningsförluster. U.S. Department of Energy

Kan en transformator fungera på likström?

En konventionell transformator kräver en föränderlig magnetisk flöde och kan därför inte kontinuerligt omvandla stabil likspänning.

Om stabil likström appliceras direkt på en standardtransformators lindning:

• Det sker ingen kontinuerlig transformatorverkan efter den initiala transienten.
• Lindningsströmmen kan bli farligt hög.
• Kärnan kan mättnas.
• Lindningen kan överhettas eller gå sönder.

Elektroniska strömförsörjningar kan omvandla likspänning genom att först växla den vid en reglerad frekvens. Den resulterande växelströmsformen kan sedan driva en högfrekvens-transformator eller en kopplad induktor. På detta sätt fungerar många flyback-, forward-, push-pull-, half-bridge- och full-bridge-omvandlare.

Den viktiga skillnaden är att en konventionell transformator inte omvandlar stabil likström direkt; likströmmen måste först växlas elektroniskt.

Ideala ekvationer jämfört med verklig transformatorprestanda

Ekvationen för spänningsförhållandet beskriver en ideal transformator. Verkliga transformatorer har förluster och spänningsfall.

Kopparförlust

Den resistiva effektförlusten i en ledare är:

Effektförlust = I² × R

För maximal kompatibilitet med WordPress kan detta också skrivas som:

Effektförlust = I × I × R

Där:

• I = Strömmen som flyter genom ledaren
• R = Ledarresistansen

Eftersom strömmen kvadreras i denna beräkning kan en minskning av strömmen avsevärt minska förlusterna i transmissionsledningen.

Kärnförluster

Ett växlande magnetfält orsakar hysteres- och virvelströmsförluster i kärnan. Kärnförlusten påverkas av:

• Kärnmaterial
• Användningsfrekvens
• Tillämpad spänning
• Antal primärvindingar
• Kärnans tvärsnittsarea
• Magnetisk flödestäthet
• Lamineringstjocklek

Läckflöde

Inte allt magnetiskt flöde kopplar båda lindningarna. Läckflödet påverkar spänningsreglering och kan ge upphov till elektromagnetisk störning.

Ström utan belastning

Även utan belastning på sekundärsidan drar primärsidan ström för att magnetisera kärnan och kompensera kärnförlusterna.

Temperaturökning

Koppar- och kärnförluster genererar värme. En transformator måste hålla sig inom temperaturgränserna för sitt isoleringssystem under angiven last och omgivande temperaturförhållanden.

Spänningsreglering

Utgångsspänningen minskar normalt mellan tomgång och full last på grund av intern impedans.

Spänningsreglering kan uttryckas som:

Spänningsreglering (%) = [(Vtomgång − Vfull last) / Vfull last] × 100

Av detta skäl kan tillverkare dimensionera sekundärspänningen vid tomgång något högre än den angivna utgångsspänningen.

Påverkar frekvensen transformatorns konstruktion?

Ja. Frekvensen är en kritisk konstruktionsparameter.

För en sinusformad växelström är den ungefärliga effektivvärdesspänningen per lindning relaterad till frekvensen, antalet lindningsvarv, kärnans tvärsnittsarea och den maximala magnetiska flödestätheten enligt:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Där:

• V = Effektivvärdesspänning över lindningen
• f = Driftfrekvens i hertz
• N = Antal lindningsvarv
• A = Effektiv tvärsnittsarea för kärnan
• Bmax = Maximal magnetisk flödestäthet

En transformator för 60 Hz bör inte automatiskt drivas vid 50 Hz med samma spänning. Den lägre frekvensen kan öka den magnetiska flödestätheten, vilket kan leda till kärnsättning, för hög ström, brus och överhettning.

Tillverkaren måste känna till den faktiska ingående frekvensen och spänningsområdet innan designen slutförs.

Hur man anger en höj- eller sänktransformator

En professionell transformatorspecifikation bör innehålla mer än ingående och utgående spänning.

Ange följande information när du begär en design eller offert:

• Nominell ingångspänning
• Minsta och högsta ingående spänning
• Indatfrekvens
• Krävd utgående spänning eller spänningar
• Kontinuerlig utgångsström
• Topppulsström och varaktighet
• Lasttyp
• Krävd VA-beteckning
• Arbetscykel
• Största mått
• Monteringsmetod
• Krav på ledningstrådar eller anslutningspunkter
• Omgivningstemperatur
• Kyl- och inkapslingsförhållanden
• Maximalt tillåten temperaturhöjning
• Isoleringsklass
• Krav på dielektrisk hållfasthet
• Krav på elektrostatisk eller magnetisk skärmning
• Krav på termisk säkring eller termisk skyddsanordning
• Målland eller marknad
• Tillämpliga säkerhets- och miljökrav
• Uppskattad produktionskvantitet

Att ange fullständiga driftförhållanden hjälper till att förhindra felaktig dimensionering och förbättrar spänningsreglering, tillförlitlighet och livslängd.

Vanliga frågor

Ökar en höjtransformator effekten?

Nej. En höjtransformator ökar spänningen men minskar den tillgängliga strömmen. Dess ut-effekt är alltid något lägre än dess in-effekt eftersom en verklig transformator har koppar-, kärn- och andra förluster.

Ger en sänktransformator alltid mer ström?

Den kan tillhandahålla en högre märksekundärström för samma ungefärliga effektnivå, men den faktiska strömmen bestäms av ansluten last och transformatorns märkeffekt. En transformator tvingar inte sin maximala ström in i lasten.

Är primär- och sekundärvindningarna anslutna?

I en isoleringstransformator är de elektriskt åtskilda och kopplade via den magnetiska kärnan. I en autotransformator delas en del av vindingen, så det finns ingen motsvarande galvanisk isolation.

Kan en transformator tillhandahålla flera utspänningsnivåer?

Ja. En transformator kan använda flera sekundärvindningar, centrerade vindingar eller vindingstappningar för att tillhandahålla olika utspänningsnivåer.

Hur beräknar jag transformatorns VA-värde?

För en enkel enfasig AC-transformator med en sekundärvinding:

VA = Vs × Is

Där:

• VA = Transformatorns skenbara effekt
• Vs = Märksekundärspänning
• Is = Angiven sekundärström

Exempel:

Sekundärspänning = 24 V växelspänning
Sekundärström = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

För flera sekundärvindingar beräknas den totala erforderliga effekten i VA från de kombinerade lindningslasterna, med lämplig hänsyn till lasttyp, driftcykel, verkningsgrad, spänningsreglering, likriktning och temperaturhöjning.

Anpassade höj- och sänktransformatorer från Dingxin

Dingxin tillverkar anpassade transformatorer, inklusive transformatorlösningar för kunder och utrustning avsedd för den europeiska marknaden.

Transformatorer kan utvecklas enligt angivna elektriska, mekaniska, termiska och applikationsrelaterade krav, inklusive:

• Anpassade ingående och utgående spänningar
• Uppstegande och nedstegande konstruktioner
• Flera sekundärvindingar
• EI- och toroidala konstruktioner
• 50 Hz- och 60 Hz-användningar
• Anpassade VA-betyg
• Ledningstrådar, terminaler, fästen och monteringsalternativ
• Elektrostatisk skärmning
• Termiska säkringar och termiska skyddsanordningar
• Applikationsspecifika isoleringssystem
• Konstruktioner baserade på kundens krav för målmarknaden

Slutgiltiga efterlevnads- och certifieringskrav bör bekräftas under konstruktionsprocessen enligt transformatorns design, avsedd utrustning och destinationsmarknad.

Begär en anpassad transformatordesign

Behöver du en transformator med ett specifikt spänningsförhållande, effektklassning, storlek, temperaturgräns eller installationsmetod?

Skicka följande information till Dingxin:

1. Ingående spänning och frekvens
2. Krävd utgångsspänning och utgångsström
3. Kontinuerliga och toppbelastningsförhållanden
4. Största mått
5. Monterings- och anslutningskrav
6. Driftstemperatur
7. Målnation och efterlevnadskrav
8. Uppskattad beställningsmängd

Kontakta Dingxin idag för att begära en teknisk granskning, anpassad transformatordesign, provexemplar eller offert.