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Das Wesentliche an Wechselstromtransformatoren für Schüler und Anfänger

Wechselstromtransformatoren

Wechselstromtransformatoren sind einer der Schlüssel dazuwie wir es heute sehen, eine breite Verteilung der elektrischen Energie. Transformatoren wandeln Strom für die Übertragung über große Entfernungen effizient in höhere Spannungen und wieder in niedrige Spannungen um, die für den Kunden geeignet sind.

Das Wesentliche an Wechselstromtransformatoren für Schüler und Anfänger

Das Wesentliche von Wechselstrom-Transformatoren für Studenten und Anfänger (auf dem Foto: Umspannwerk des Umspannwerks Bryce Street in Hamilton, Neuseeland; Kredit: Ryan O "Connor über Flickr)

Der Verteilertransformator dient normalerweise als letzter Übergang zum Kunden und bietet oft eine lokale Erdungsreferenz. Die meisten Verteilerkreise verfügen über Hunderte Verteilertransformatoren.

Verteilerspeisegeräte können auch andere Transformatoren aufweisen: Spannungsregler, Speiseschrittbänke zu Schnittstellenschaltungen mit unterschiedlichen Spannungen und Erdungsbänke.


Was macht eigentlich ein AC-Transformator?

Ein Transformator wandelt effizient elektrische Energie umvon einer Spannungsebene zur anderen. Ein Transformator besteht aus zwei Spulensätzen, die über ein Magnetfeld miteinander verbunden sind. Das Magnetfeld überträgt die gesamte Energie (außer bei einem Spartransformator). In einem idealen Transformator (Abbildung 1) hängen die Spannungen am Eingang und am Ausgang vom Windungsverhältnis des Transformators ab

V1 = V2 × N1 / N2

woher:

  • N1 und N2 sind die Anzahl der Umdrehungen und
  • V1 und V2 ist die Spannung an den Wicklungen 1 und 2

In einem echten Transformator sind nicht alle Flusskreise zwischen den Wicklungen gekoppelt. Dieser Streufluss erzeugt einen Spannungsabfall zwischen den Wicklungen, sodass die Spannung genauer beschrieben wird durch:

V1 = N1 / N2 × V2 - XL X ich1

woher:

  • XL ist die Kriechreaktanz in Ohm von der Wicklung 1 aus gesehen und
  • ich1 ist der Strom außerhalb der Wicklung 1.

Der Strom wandelt sich auch durch das Windungsverhältnis um, entgegengesetzt der Spannung als:

ich1 = Ich2 × N2 / N1

Das Ampere-Turns konstant bleiben bei N1 × I1 = N2 × I2. Diese grundlegende Beziehung gilt für Verteiler- und Leistungstransformatoren.

Ein Transformator hat einen Magnetkern, der große Magnetfelder tragen kann. Die kaltgewalzten kornorientierten Stähle, die in Kernen verwendet werden, haben Permeabilitäten von über 1000 Mal so viel wie Luft. Der Stahl bietet einen sehr niederohmigen Pfad für Magnetfelder, die durch den Strom durch die Wicklungen erzeugt werden.

Ideales Transformator- und Induktionsgesetz

Abbildung 1 - Ideales Transformator- und Induktionsgesetz

Betrachten Sie die an der Primärseite anliegende Spannung(Quellenseite, Hochspannungsseite) ohne Last auf der Sekundärseite (Lastseite, Niederspannungsseite). Die Wicklung zieht einen Erregerstrom aus dem System, das im Kern ein sinusförmiges Magnetfeld aufbaut. Der Fluss erzeugt wiederum eine Gegenkraft in der Spule, die den in den Transformator eingezogenen Strom begrenzt.


… Und wenn wir die Last der Sekundärseite hinzufügen

Ein Transformator ohne Last auf der Sekundärseite zieht sehr wenig Strom auf, nur den Erregerstrom. Dies ist normalerweise weniger als 0,5% des Volllaststroms des Transformators. Auf der unbelasteten Sekundärseite erzeugt der Sinusfluss eine Leerlaufspannung, die der primärseitigen Spannung mal dem Windungsverhältnis entspricht.

Wenn wir der Sekundärseite des Transformators Last hinzufügen, Die Last zieht Strom durch die Sekundärwicklung.

Die magnetische Kopplung des Sekundärstromszieht Strom durch die Primärwicklung und hält die Amperewindungen konstant. Normalerweise erzeugt ein höherer Strom in einem induktiven Kreis einen höheren Fluss, jedoch nicht in einem Transformator (außer dem Streufluss).

Der zunehmenden Stromstärke in einer Wicklung wird durch die abnehmende Stromstärke durch die andere Wicklung entgegengewirkt (siehe Abbildung 2).

Transformator-Grundfunktion

Abbildung 2 - Transformer-Grundfunktion


Der Fluss im Kern eines belasteten Transformators ist derselbe wie bei einem unbelasteten Transformator. obwohl der strom viel höher ist.

Die Spannung an der Primärwicklung bestimmt denFluss im Transformator (der Fluss ist proportional zum Zeitintegral der Spannung). Der Fluss im Kern bestimmt die Spannung an der Ausgangsseite des Transformators (die Spannung ist proportional zur zeitlichen Ableitung des Flusses).

Abbildung 3 zeigt Modelle mit dem signifikantenImpedanzen in einem Transformator. Das detaillierte Modell zeigt die Reihenimpedanzen, die Widerstände und die Reaktanzen. Der Serienwiderstand ist hauptsächlich der Widerstand der Drähte in jeder Wicklung. Die Serienreaktanz ist die Ableitungsimpedanz. Der Nebenschlusszweig ist der magnetisierende Zweig, ein Strom, der zur Magnetisierung des Kerns fließt.

Der meiste Magnetisierungsstrom ist Blindleistung, aber es enthält eine echte Leistungskomponente.
Transformator-Modelle

Abbildung 3 - Transformer-Modelle

Leistungsverluste

Im Allgemeinen geht die Leistung im Transformator im Kern verloren durch die Hysterese und Wirbelströme. Beachten Sie, dass Hysterese und Wirbelströme immer zusammen auftreten.


Hysterese

Wenn sich die magnetischen Dipole ändern, erwärmt sich der Kern durch die Reibung der Moleküle. Weitere Informationen zur Hysterese und zur Verringerung dieser Verluste finden Sie in diesem technischen Artikel.

Magnetisierungs- und Hysteresekurven

Abbildung 4 - Magnetisierungs- und Hysteresekurven

Wirbelströme

Wirbelströme im Kernmaterial verursachen Widerstandsverluste. Der Kernfluss induziert die Wirbelströme, die der Änderung der Flussdichte entgegenwirken. Die magnetisierende Zweigimpedanz beträgt normalerweise über 5.000% auf der Basis eines Transformators, so können wir es in vielen Fällen vernachlässigen.

Die Kernverluste werden oft als bezeichnet Eisenverluste oder Leerlaufverluste. Die Lastverluste werden häufig als Drahtverluste oder Kupferverluste bezeichnet.

Die verschiedenen Parameter von Leistungstransformatoren sind mit der Größe unterschiedlich, wie in Tabelle 1 unten zusammengefasst:

TABELLE 1 - Übliche Skalierungsverhältnisse in Leistungstransformatoren

Menge Relativ zu kVA Relativ zu einer Bezugsgröße, l
Bewertung kVA l4
Gewicht K kVA¾ K l3
Kosten K kVA¾ K (% Gesamtverlust)-3
Länge K kVA¼ K l
Breite K kVA¼ K l
Höhe K kVA¼ K l
Gesamtverluste K kVA¾ K l3
Leerlaufverluste K kVA¾ K l3
Aufregender Strom K kVA¾ K l3
% Gesamtverlust K kVA K l-1
% Leerlaufverlust K kVA K l-1
% Aufregender Verlust K kVA K l-1
% R K kVA K l-1
% X K kVA¼ K l
Volt / Umdrehung K kVA¼ K l2

Das vereinfachte Transformatormodell in Abbildung 3 mit Serienwiderstand und Reaktanz ist für die meisten Berechnungen ausreichend, einschließlich Lastflüsse, Kurzschlussberechnungen, Starten des Motors oder Unwucht.

Kleine Verteilungstransformatoren haben geringe Leckreaktanzen einige weniger als 1% auf der Transformatorleistung und X / R-Verhältnisse von 0,5 bis 5. Größere Leistungstransformatoren, die in Verteilerstationen verwendet werden, haben höhere Impedanzen, üblicherweise in der Größenordnung von 7 bis 10% mit X / R-Verhältnissen zwischen 10 und 40.

Die Leckreaktanz verursacht einen Spannungsabfall an einem Transformator mit Last. Die Spannung stammt von einem Fluss, der nicht koppeltdie Primärwicklung zur Sekundärwicklung. Blume et al. (1951) beschreibt die Leckreaktanz gut. Bei einem echten Transformator sind die Wicklungen um einen Kern gewickelt. Die Hoch- und Niederspannungswicklungen liegen nebeneinander.

Leckreaktanz verursacht einen Spannungsabfall an einem belasteten Transformator

Abbildung 5 - Leckreaktanz verursacht einen Spannungsabfall an einem aufgeladenen Transformator

Abbildung 5 zeigt eine Konfiguration. Jede Wicklung enthält eine Anzahl von Drahtwindungen. Die Summe des Stroms in jedem Draht der Hochspannungswicklung ist gleich der Summe der Ströme in der Niederspannungswicklung (N1ich1 = N2ich2), also entspricht jede Wicklung einer Stromschiene.

Jede Sammelschiene führt den gleichen Strom, jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Die entgegengesetzten Ströme erzeugen einen Fluss in dem Spalt zwischen den Wicklungen (dies wird als Streufluss bezeichnet).

Wenn wir nun die beiden Wicklungen von oben betrachten, sehen wir, dass die Wicklungen dem Strom entsprechen, der in einer Schleife fließt, die einen bestimmten Bereich umfasst. Dieser Bereich bestimmt die Streuinduktivität.

Die Leckreaktanz in Prozent basiert auf den Spulenparametern und Abständen wie folgt:

Leckreaktanz in Prozent

woher

  • f - Systemfrequenz [Hz]
  • N - Anzahl der Windungen an einer Wicklung
  • ich - Volllaststrom an der Wicklung [A]
  • r - Radius zu den Wicklungen [in]
  • w - Breite zwischen den Windungen [in]
  • h - Höhe der Wicklungen [in]
  • SkVA - Transformatorleistung [kVA]

Im Allgemeinen steigt die Leckimpedanz mit:

  1. Höhere Primärspannung (dickere Isolation zwischen den Wicklungen)
  2. kVA-Bewertung
  3. Größerer Kern (größerer Durchmesser führt zu mehr eingeschlossenen Flächen)

Leckagewiderstände werden vom gesteuertDesigner und Unternehmen werden Leistungstransformatoren für Versorgungsunternehmen mit angepassten Impedanzen herstellen. Transformatoren mit großer Verteilerstation benötigen oft eine hohe Ableitungsimpedanz, um Fehlerströme zu steuern. einige von bis zu 30% auf der Basisbewertung.


Mineralöl

Mineralöl füllt die meisten Verteilungs- und Umspannwerke. Das Öl bietet zwei wichtige Funktionen: Wärme und Isolation leiten. Da das Öl ein guter Wärmeleiter ist, hat ein ölgefüllter Transformator eine höhere Tragfähigkeit als ein Trockentransformator.

Da es eine gute elektrische Isolierung bietet, sind Abstände in ein Ölgefüllte Transformatoren sind kleiner als Trockentransformatoren.

Das Öl leitet die Wärme von den Windungen ab in die größere thermische Masse der UmgebungÖl und zum Transformatorbehälter in die Umgebung abgeführt werden. Öl kann kontinuierlich bei hohen Temperaturen mit einer normalen Betriebstemperatur von 105 ° C arbeiten. Es ist brennbar.

Der Flammpunkt ist 150 ° Cund der Feuerpunkt ist 180 ° C. Öl hat eine hohe Spannungsfestigkeit von 220 kV / Zoll. (86,6 kV / cm) und gleicht Spannungsspannungen aus, da die Dielektrizitätskonstante von Öl etwa 2,2 beträgt, was nahe bei der Isolation liegt. Das Öl beschichtet und schützt die Spulen und Kerne sowie andere Metalloberflächen vor Korrosion.


Wie funktioniert ein Transformer?

Dieses Video gibt eine detaillierte animierte Darstellung über die Arbeitsweise von Transformatoren. Hier werden das grundlegende Arbeitsprinzip und der Aufbau von Transformator, Aufwärtstransformator, Abwärtstransformator, Transformatorwicklung und Kernaufbau gut veranschaulicht.

Genießen :)

Referenz // Elektrische Energiesysteme verstehen von Jack Casazza und Frank Delea (von Amazon beziehen)

Bemerkungen: