Wie funktioniert ein elektrischer Transformator und was ist sein Zweck?

Es scheint, dass Transformatoren in der Lage sind, das Unmögliche zu tun, da sie die Spannung anpassen, ohne bewegliche Komponenten zu haben und ohne einen Störfaktor. Der Prozess, dies zu tun, besteht darin, zu verhindern, dass die beiden Schaltkreise verbunden sind, und gleichzeitig darauf zu bestehen, dass beide Schaltkreise innerhalb des gleichen Magnetfeldes arbeiten.

Diese einfache Konfiguration ist der Schlüssel dazu, dass Stromversorgungssysteme möglich sind und dass Haushalte, die 300 km von einer elektrischen Station entfernt sind, in der Lage sind, 230 V zu haben. Dies ist tatsächlich das, was es dem elektrischen Verteilungssystem ermöglicht, zu funktionieren.

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die um einen gemeinsamen magnetischen Kern gewickelt sind. In der Primärspule führt ein elektrischer Strom zur Erzeugung eines schwankenden Magnetfeldes, das anschließend einen Strom in der Sekundärspule induziert. Das Übersetzungsverhältnis ermöglicht die Definition der Spannungen, die durch beide Spulen fließen, da beispielsweise 100 Windungen durch 1.000 Windungen fließen und dies zu einer Erhöhung der Spannung von 230 V auf 2300 V führt.

Das Prinzip: Gegenseitige Induktion

Bestehend aus zwei Spulen und einem Kern, kommen die beiden Komponenten nicht in irgendeine elektrische Flussinteraktion miteinander. Wenn der primäre Teil der Spulen mit elektrischer Energie versorgt wird, fließt ein elektrischer Strom hindurch und erzeugt ein elektromagnetisches Feld. Der im Schaltkreis verwendete Strom ist ein Wechselstrom, daher ändert sich das erzeugte Feld kontinuierlich, was zu einer Verknüpfung mit der zweiten Spule führt; dies führt dazu, dass eine elektrische Spannung über letzterer erscheint.

Es gibt drei Hauptregeln, die dem Arbeitsprinzip des Transformators zugrunde liegen:

• Das Verhältnis der Wicklungen des Transformators bestimmt die Spannung. Vp/Vs=Np/Ns.
• Doppelt so viele Wicklungen führen zu doppelt so viel Spannung.
• Energie wird erhalten. Es gibt ein Prinzip der Energieerhaltung. Die Energiezufuhr ist gleich der Energieabfuhr minus spezifische Verluste.
• Der Widerstand wird durch das Quadrat des Verhältnisses der Wicklungen bestimmt. Der Transformator mit dem Verhältnis 10:1 erscheint als eine 100 Ohm Last für die Primärspule.

Der Kern ist ein wichtiger Teil. Er besteht aus geschichtetem Elektrostahl, seine Ausrichtung ist so, dass das erzeugte Feld mit Hilfe dieses Materials reist, und das Schichten des Materials macht es unmöglich, geschlossene Schaltungen im Material zu bilden.

Warum es nur bei Wechselstrom funktioniert

Um die Induktion zu initiieren, ist ein Fluss erforderlich, der variiert und sich mit der Zeit ändert. Wenn Sie Gleichstrom verwenden, um Magnetfelder zu erzeugen, ändert sich dieses Magnetfeld nicht mit der Zeit und erzeugt auch keine Spannung in einer Sekundärspule. Dieses Ergebnis ist aufgrund der Eigenschaften des Stroms möglich und nicht aufgrund des Designs des Transformators selbst. Dieses Phänomen kann praktisch auf zwei Arten genutzt werden.

Zuerst arbeitet der Transformator mit Wechselstrom und funktioniert nicht mit Gleichstrom. Daher hat er die Fähigkeit, eine Gleichstromquelle von einem Wechselstromsystem zu trennen. Zweitens erklärt es, warum der Transformator nicht für die DC-zu-DC-Umwandlung verwendet werden kann, da dieser Typ von Wandler elektronische Schaltungen verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt umzuwandeln.

Interessanterweise spielt die Frequenz selbst eine sehr wichtige Rolle. Zum Beispiel wird ein für 50 Hz ausgelegter Transformator bei 60 Hz nur dann gesättigt, wenn die Spannung proportional verringert wird. Ein 60 Hz Transformator, der bei 50 Hz Spannung verwendet wird, arbeitet im Sättigungsmodus und erzeugt somit Wärme und Geräusche.

Was es in einem Stromsystem tut

Das Verständnis des Zwecks eines Transformators wird erleichtert, indem man die elektrische Energie vom Erzeugungsort zur Steckdose verfolgt.

Der Generator selbst erzeugt Strom von 11-25 kV, was eine wirtschaftlich tragfähige Isolationskapazität des Generators darstellt. Daher ist eine Hochspannungsübertragung der Energie erforderlich. Der Verlust, dem die Übertragung unterliegt, ist proportional zu I²R, daher wird durch die Erhöhung der Spannung um den Faktor 10 der Strom um denselben Faktor verringert und der Energieverlust um 100 reduziert. Daher macht die Übertragung aufgrund dieser Beziehung Sinn.

Bei der Ankunft am Ziel sinkt die Hochspannung schrittweise: von 400 kV auf 110 kV auf 33 kV auf 11 kV und schließlich auf 400/230 V am Verteilungstransformator (dem Transformator, der die Straße oder das Gebäude versorgt). Jeder Schritt ist ein Transformator und jeder Transformator wird verwendet, damit die Stufe wirtschaftlich aufgebaut werden kann.

Daher kann der Zweck des Transformators in vier Funktionen unterteilt werden, die oft verwechselt werden:

• Spannungsumwandlung für die Übertragung und für die sichere Nutzung
• Stromumwandlung, die automatisch folgt und es ermöglicht, hohe Ströme bei niedriger Spannung zu übertragen
• Galvanische Isolation, sodass keine Seite des Transformator-Elements die gegenüberliegende Seite unter Spannung setzen kann und das Systemdesign unabhängig mit Erdung versorgt werden kann
• Impedanzanpassung und Fehlerbegrenzung, da verfügbare Daten darauf hinweisen, dass die Impedanz des Transformators absichtlich zum Schutz geschaffen wird.

Der Unterschied zwischen den beiden Hauptfamilien in der Verteilung und welche ein Projekt spezifizieren sollte, wird in diesem Vergleich von Leistungs- und Verteilungstransformatoren dargelegt..

Wohin die Energie geht

Transformatoren sind praktisch nie verlustfrei, aber das Wissen um die Punkte, an denen diese Verluste auftreten, gibt einem erheblichen Einblick in ihr Verhalten.

Kernverluste treten in zwei Formen auf. Erstens gibt es Hysterese (die magnetischen Bereiche kippen) und zweitens gibt es Wirbelstromverluste (die Ströme, die im Stahl zirkulieren). Diese Verluste treten auf, unabhängig davon, ob ein Transformator unter Spannung steht oder belastet ist, da sie inherent zu seiner Konstruktion gehören.

Kupferverluste mit dem Widerstand der Wicklungen werden als I²R berechnet. Das bedeutet, dass bei halber Last dieser Verlust ein Viertel des Verlusts bei voller Last beträgt.

Da einer dieser Verluste konstant ist und der andere mit dem Quadrat der Last zunimmt, wird die optimale Effizienz eines Transformators bei der Last beobachtet, bei der die Verluste gleich sind. Wenn also ein Verlust mit der Last zunimmt, tut der andere dies nicht.

Transformationsverluste sind während des gesamten Betriebs konstant; daher ist die Effizienz eines Transformators am besten, wenn sie gleich sind, was so konzipiert ist. Die Methoden werden in diesem Leitfaden beschrieben. zur Prüfung eines Transformators.

Die Haupttypen und wofür jeder ist

Die meisten der Angebote, die den Käufer begleiten, stammen aus vier Familien von Transformatoren.

Die ölgefüllten Verteilungstransformatoren sind diejenigen, die entweder auf Masten oder in Bodenmontagen installiert sind. Das Öl wirkt sowohl als Isolierung als auch als Kühlmittel, wodurch diese Transformatoren kompakt und kostengünstig für ihre Kapazitätsbereiche von 25 kVA bis 2.500 kVA sind.

Die Trockentransformatoren verwenden Luft und feste Isolierung anstelle von Öl, das normalerweise aus gegossenem Epoxidharz besteht. Sie werden in Innenräumen, in verschiedenen Konstruktionen, Tunneln, Krankenhäusern und Rechenzentren eingesetzt, wo die Brandgefahr von Öl nicht toleriert werden kann. Obwohl Trockentransformatoren mehr kosten können als ölgefüllte bei gleicher Nennleistung, beseitigen sie eine Risikokategorie.

Die Leistungstransformatoren sind die großen, die in den Übertragungsstationen verwendet werden, die für hohe Spannungen und Durchsatz sowie eine lange Lebensdauer ausgelegt sind und mit Lastabgriffen und Kühlsystemen ausgestattet sind.

Die verbleibenden spezialisierten Einheiten umfassen Instrumententransformatoren, die Strom und Spannung für Mess- oder Schutzzwecke transformieren, Isolationstransformatoren zur galvanischen Trennung, Autotransformatoren für die leichte Spannungsänderung und K-bewertete oder harmonische Transformatoren für den Betrieb mit nichtlinearen Lasten.

Der Innenbereich ist der, in dem die Wahl am häufigsten umstritten ist, und die Klassen, Kühlcodes und Grenzen, die darüber entscheiden, werden in dieser Übersicht behandelt. Trockenverteiltransformatoren.

Was es nicht tun kann

Es gibt drei Missverständnisse, die zu echten Spezifikationsfehlern führen.

• Es erzeugt keine Energie. Ein Transformator erhöht die Spannung von 230 V auf 2300 V, indem er den Strom in denselben Proportionen verringert. Jede Behauptung über die Fähigkeit eines Transformators, die Ausgangsleistung zu erhöhen, ist ein Hinweis auf einen Messfehler oder Betrug.
• Es ändert nicht die Frequenz. Der Eingang von 50 Hz ergibt einen Ausgang von 50 Hz. Um die Frequenz zu ändern, benötigt man eine rotierende Maschine oder einen Leistungselektronik-Konverter.
• Es bietet keine Leistungsfaktorkorrektur. Was der Transformator tut, ist, dass er seine eigene reaktive Nachfrage ausübt, ohne die anderer zu korrigieren; die Leistungsfaktorkorrektur ist die Aufgabe eines Kondensators oder eines aktiven Filters.

Es schützt auch nicht vor allem. Der Transformator begrenzt den Fehlerstrom durch seine Impedanz und ist in der Lage, die Erdungen zu trennen, aber er trennt nicht den Fehler, begrenzt nicht den Überschuss und regelt die Spannung nicht, es sei denn, er hat einen Abgriffschalter oder einen elektronischen Regler.

Wo Transformatoren in einer Umspannstation sitzen

Es könnte als Umspannwerk bezeichnet werden, da alle Geräte dem alleinigen Zweck dienen, die Verbindung, den Schutz und die Messung des Transformators herzustellen, und das einlinige Diagramm der beste und schnellste Weg ist, um Einblick in die Installation zu erhalten.

Der Stromkreis gelangt zu einem Trennschalter, dann durch einen Leistungsschalter und Stromwandler, bevor er in den Transformator eintritt. Das Gleiche gilt für den Ausgangsweg, der Spannungstransformatoren für die Messung, Schaltanlagen zum Schutz vor Impulsen und Erdungsschalter zur Erleichterung der Wartung anpasst. Jedes Bauteil existiert, weil der Transformator das nicht tun kann.

Diese Anordnung und die dazugehörigen Nennwerte sind das, was ein elektrische Umspannwerkskomponenten Die Spezifikation beschreibt tatsächlich, und es ist wert, sie zu lesen, bevor man einen Transformator allein kauft, da der Transformator selten das Element ist, das ein Projekt verzögert.

Was wir bauen

Das Unternehmen produziert ölgetauchte und trockene Transformatoren ab 25 kVA, einschließlich Transformatoren mit Spannungsnennwerten von 11, 20 und 33 kV für die Märkte in Asien, Afrika und dem Nahen Osten.

Spezifikationen sind langweilig. Tatsächlich enthalten sie Daten wie die Art des Kerns, die Art des Drahts und der Verbindung, den Spannungsbereich und das Ausmaß der Verluste, jedoch keine Garantien dafür. All das wird in das Angebot geschrieben, anstatt angenommen zu werden, was unser ölgetauchtes Verteilungsangebot darauf basiert.

In Fällen, in denen spezifische Verlustwerte für ein Projekt erforderlich sind, um bestimmte Effizienzvorschriften zu erfüllen, muss das Wicklungsdesign und die Kernqualität so ausgewählt werden, dass diese Werte um einen komfortablen Spielraum überschritten werden, da ein Transformator, der sein Ziel erreicht, einen Verlust von 0,5% auf dem Prüfstand zu erzielen, keine Garantie dafür gibt, dass er innerhalb dieses Spielraums über dreißig Jahre bleibt.

FAQ

Können Sie erklären, wie ein Transformator einfach funktioniert?

Es gibt zwei Drahtwicklungen, die einen Stahlkern haben, aber voneinander getrennt sind. Die erste Wicklung hat Wechselstrom, der durch sie fließt und ein variables Magnetfeld erzeugt, während die zweite Wicklung dieses variable Feld wieder in Strom umwandelt. Eine größere Anzahl von Windungen an der zweiten Wicklung erhöht die Menge des erzeugten Stroms, während eine kleinere Anzahl von Windungen den gegenteiligen Effekt hat.

Braucht jedes Haus einen Transformator?

Kein einzelner Transformator für jedes Haus, sozusagen. Der Transformator, der ein Zuhause versorgt, versorgt in der Regel eine Straße oder ein ganzes Gebäude. Es handelt sich um einen mastmontierten oder bodenmontierten Transformator, der 11 kV oder 33 kV in 400/230 V umwandelt. Das Zuhause benötigt einen Transformator, der nur für Fälle vorgesehen ist, in denen die eingehende Stromleitung eine andere Spannung liefert, wenn es eine erhebliche Last gibt, die einen separaten Transformator erfordert, oder wenn Sicherheits- und Lärmbedenken eine Isolation erfordern.

Was könnte einen Transformator durchbrennen?

Häufige Belastung, ein Kurzschluss auf der Sekundärseite, Verlust der Kühlung, niedriger Ölstand im Gerät, Feuchtigkeit in der Isolierung und ein Blitzüberschlag, der die Wicklung erreicht. In der Praxis ist die Reihenfolge in der Regel die gleiche: Überlastung oder Kühlproblem, das zuerst auftritt, gefolgt von einem Isolationsdurchbruch. Dies umfasst die Maßnahmen, die von den Schutzvorrichtungen ergriffen werden, um den Durchbruch zu verhindern.

Was ist die 80%-Regel für Transformatoren?

Es ist die Praxis des Designs, nicht die Anforderung des Codes: einen Transformator bei 80% seiner Nennleistung zu betreiben, ermöglicht Spielraum für die Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, Harmonischen, temporären Überlastungen und zukünftigen Entwicklungen, die genau im besten Effizienzbereich landen. Die entsprechenden Regelungen des Codes sind ganz anders: das Überstromschutzgerät im Primärkreis ist typischerweise auf 125% des Nennstroms des Primärkreises eingestellt; es geht um den Schutz des Transformators und nicht um seine Belastung.

Referenzen

• Ormazabal — Wie ein elektrischer Transformator funktioniert
• ABB — Transformatorentechnologie und Anwendungen
• Siemens Energy — Energie- und Verteilungstransformatoren
• Hitachi Energy — Grundlagen von Transformatoren und Netz Anwendungen
• Nynas — Transformatorenöl und Isolationsleistung

Fazit

Zwei Spulen zusammen mit einem Kern bilden einen magnetischen Kreis, und dort beginnt der Transformator. Alle anderen Geräte und ingenieurtechnischen Herausforderungen helfen, diese Technologie am Laufen zu halten.

Informieren Sie uns über das Spannungsverhältnis, das Sie suchen, die Nennleistung zusammen mit der Anwendung und dem Verlustniveau, damit unsere Spezialisten das notwendige Transformator-Design mit Kühlung und Impedanz auswählen können, um Ihren Anforderungen gerecht zu werden.