Arten von Transformatoren
Ein Transformator ist ein statisches elektromagnetisches Gerät, das zwei bis mehrere Spulen enthält, die sich in einem gemeinsamen Magnetkreis befinden und somit induktiv miteinander verbunden sind. Er dient als Transformator, um durch elektromagnetische Induktion elektrische Energie aus Wechselstrom umzuwandeln, ohne die Frequenz des Stroms zu verändern. Transformatoren werden sowohl zur Wechselspannungsumwandlung als auch zur Spannungsumwandlung eingesetzt galvanische Isolierung in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik.
Der Fairness halber stellen wir fest, dass der Transformator in einigen Fällen nur eine Wicklung enthalten kann (Spartransformator) und der Kern möglicherweise vollständig fehlt (HF-Transformator), aber die meisten Transformatoren haben einen Kern (Magnetkreis) aus weichmagnetisches ferromagnetisches Materialund zwei oder mehr isolierte Band- oder Drahtspulen, die von einem gemeinsamen magnetischen Fluss bedeckt sind, aber zuerst an erster Stelle. Schauen wir uns an, um welche Arten von Transformatoren es sich handelt, wie sie angeordnet sind und wofür sie verwendet werden.
Leistungstransformator
Diese Art von Niederfrequenztransformatoren (50–60 Hz) wird in elektrischen Netzen sowie in Anlagen zur Aufnahme und Umwandlung elektrischer Energie eingesetzt. Warum heißt es Macht? Denn es handelt sich um einen Transformator dieses Typs, der zur Einspeisung und zum Empfang von Strom aus und über Stromleitungen verwendet wird, wo die Spannung 1150 kV erreichen kann.
In städtischen Stromnetzen erreicht die Spannung 10 kV. Genau durch leistungsstarke Niederfrequenztransformatoren Die Spannung sinkt auch auf die von den Verbrauchern benötigten 0,4 kV, 380/220 Volt.
Strukturell kann ein typischer Leistungstransformator zwei, drei oder mehr Wicklungen enthalten, die auf einem gepanzerten Elektrostahlkern angeordnet sind, wobei einige der Niederspannungswicklungen parallel gespeist werden (Transformator mit geteilter Wicklung).
Dies ist nützlich, um die von mehreren Generatoren gleichzeitig empfangene Spannung zu erhöhen. In der Regel wird der Leistungstransformator in einen Tank mit Transformatoröl gelegt, bei besonders leistungsstarken Exemplaren kommt noch ein aktives Kühlsystem hinzu.
In Umspannwerken und Kraftwerken werden dreiphasige Leistungstransformatoren mit einer Leistung von bis zu 4000 kVA installiert. Dreiphasige sind häufiger anzutreffen, da die Verluste bis zu 15 % geringer sind als bei drei einphasigen.
Netztransformator
In den 1980er und 1990er Jahren waren Netztransformatoren in nahezu jedem Elektrogerät zu finden. Mit Hilfe eines Netztransformators (meist einphasig) wird die Spannung eines 220-Volt-Haushaltsnetzes mit einer Frequenz von 50 Hz auf das für ein Elektrogerät erforderliche Niveau reduziert, beispielsweise 5, 12, 24 oder 48 Volt.
Netztransformatoren werden häufig mit mehreren Sekundärwicklungen hergestellt, sodass mehrere Spannungsquellen zur Versorgung verschiedener Teile des Stromkreises verwendet werden können. Insbesondere TN-Transformatoren (Glühlampentransformatoren) konnten (und sind immer noch) in Stromkreisen zu finden, in denen Radioröhren vorhanden sind.
Moderne Netztransformatoren sind auf W-förmigen, stabförmigen oder ringförmigen Kernen aus einem Satz Elektroblechen aufgebaut, auf denen die Spulen gewickelt sind. Die toroidale Form des Magnetkreises ermöglicht es, einen kompakteren Transformator zu erhalten.
Wenn wir Transformatoren mit der gleichen Gesamtleistung von Ringkernen und W-förmigen Kernen vergleichen, nimmt der Ringkern weniger Platz ein, außerdem ist die Oberfläche des Ringkernmagnetkreises vollständig von den Wicklungen bedeckt, es gibt kein leeres Joch, wie es ist Dies ist bei gepanzerten W-förmigen oder stabförmigen Kernen der Fall. Zum Stromnetz gehören insbesondere Schweißtransformatoren mit einer Leistung bis 6 kW. Netztransformatoren gehören natürlich zu den Niederfrequenztransformatoren.
Spartransformator
Eine Art Niederfrequenztransformator ist ein Spartransformator, bei dem die Sekundärwicklung Teil der Primärwicklung oder die Primärwicklung Teil der Sekundärwicklung ist. Das heißt, im Spartransformator sind die Wicklungen nicht nur magnetisch, sondern auch elektrisch verbunden. Mehrere Leitungen bestehen aus einer Spule und ermöglichen es Ihnen, mit nur einer Spule unterschiedliche Spannungen zu erhalten.
Der Hauptvorteil des Spartransformators sind seine geringeren Kosten, da weniger Draht für die Wicklungen und weniger Stahl für den Kern verwendet werden und das Gewicht dadurch geringer ist als das eines herkömmlichen Transformators.Der Nachteil ist die fehlende galvanische Trennung der Spulen.
Spartransformatoren werden in automatischen Steuergeräten eingesetzt und sind auch in Hochspannungsnetzen weit verbreitet. Dreiphasige Spartransformatoren mit Dreieck- oder Sternschaltung in elektrischen Netzen sind heute sehr gefragt.
Leistungsspartransformatoren sind mit Leistungen bis zu Hunderten von Megawatt erhältlich. Spartransformatoren werden auch zum Starten leistungsstarker Wechselstrommotoren verwendet. Spartransformatoren eignen sich besonders für niedrige Übersetzungsverhältnisse.
Laborspartransformator
Ein Sonderfall eines Spartransformators ist ein Laborspartransformator (LATR). Damit können Sie die dem Benutzer zugeführte Spannung stufenlos anpassen. Das LATR-Design ist Ringkerntransformator mit einer einzelnen Wicklung, die von Windung zu Windung eine nicht isolierte „Strecke“ hat, d. h. es ist möglich, jede Windung der Wicklung anzuschließen. Für den Gleiskontakt sorgt eine verschiebbare Kohlebürste, die über einen Drehknopf gesteuert wird.
So kann man die effektive Spannung mit unterschiedlichen Größen an der Last erhalten. Mit typischen einphasigen Antrieben können Sie Spannungen von 0 bis 250 Volt und dreiphasigen Antrieben von 0 bis 450 Volt aufnehmen. LATRs mit einer Leistung von 0,5 bis 10 kW erfreuen sich in Laboren großer Beliebtheit zur Abstimmung elektrischer Geräte.
Stromwandler
Stromwandler Als Transformator bezeichnet man einen Transformator, dessen Primärwicklung an eine Stromquelle und dessen Sekundärwicklung an Schutz- oder Messgeräte mit geringem Innenwiderstand angeschlossen ist. Der gebräuchlichste Stromwandlertyp ist ein Instrumentenstromwandler.
Die Primärwicklung des Stromwandlers (normalerweise nur eine Windung, ein Draht) wird in Reihe in den Stromkreis geschaltet, in dem Sie den Wechselstrom messen möchten. Es stellt sich heraus, dass der Strom der Sekundärwicklung proportional zum Strom der Primärwicklung ist, während die Sekundärwicklung unbedingt belastet werden muss, da sonst die Spannung der Sekundärwicklung hoch genug sein kann, um die Isolierung zu zerstören. Wenn außerdem die Sekundärwicklung des Stromwandlers öffnet, brennt der Magnetkreis aufgrund der induzierten unkompensierten Ströme einfach durch.
Die Konstruktion des Stromwandlers besteht aus einem Kern aus laminiertem, kaltgewalztem Silizium-Elektrostahl, auf den eine oder mehrere isolierte Sekundärwicklungen gewickelt sind. Die Primärwicklung ist oft einfach eine Sammelschiene oder ein Draht mit einem gemessenen Strom, der durch das Fenster des Magnetkreises fließt (dieses Prinzip wird übrigens von verwendet). Strommesszange).Das Hauptmerkmal eines Stromwandlers ist das Übersetzungsverhältnis, zum Beispiel 100/5 A.
Stromwandler werden häufig zur Strommessung und in Relaisschutzschaltungen eingesetzt. Sie sind sicher, da Mess- und Sekundärkreis galvanisch voneinander getrennt sind. Typischerweise werden industrielle Stromwandler mit zwei oder mehr Gruppen von Sekundärwicklungen hergestellt, von denen eine mit Schutzgeräten und die andere mit einem Messgerät, beispielsweise Messgeräten, verbunden ist.
Impulstransformator
In fast allen modernen Netzstromversorgungen, in diversen Wechselrichtern, in Schweißgeräten und in anderen elektrischen Leistungs- und Kleinleistungswandlern werden Impulstransformatoren eingesetzt.Heutzutage haben Impulsschaltungen schwere Niederfrequenztransformatoren mit laminierten Stahlkernen fast vollständig ersetzt.
Ein typischer Impulstransformator ist ein Ferritkerntransformator. Die Form des Kerns (Magnetkreis) kann völlig unterschiedlich sein: Ring, Stab, Tasse, W-förmig, U-förmig. Der Vorteil von Ferriten gegenüber Transformatorstahl liegt auf der Hand: Transformatoren auf Ferritbasis können bei Frequenzen von bis zu 500 kHz oder mehr betrieben werden.
Da es sich beim Impulstransformator um einen Hochfrequenztransformator handelt, verkleinern sich seine Abmessungen mit zunehmender Frequenz deutlich. Für die Wicklungen ist weniger Draht erforderlich und der Feldstrom reicht aus, um einen Hochfrequenzstrom in der Primärschleife zu erhalten. IGBT oder ein Bipolartransistor, manchmal mehrere, abhängig von der Topologie des gepulsten Stromversorgungskreises (Vorwärts – 1, Gegentakt – 2, Halbbrücke – 2, Brücke – 4).
Der Fairness halber müssen wir darauf hinweisen, dass bei Verwendung eines Rückstromkreises der Transformator im Wesentlichen eine Doppeldrossel ist, da die Prozesse der Stromakkumulation und -abgabe im Sekundärkreis zeitlich getrennt sind, also nicht ablaufen Gleichzeitig ist es also mit der Flyback-Steuerschaltung immer noch eine Drossel, aber kein Transformator.
Impulsschaltungen mit Transformatoren und Ferritdrosseln sind heute überall zu finden, von Vorschaltgeräten für Energiesparlampen und Ladegeräten verschiedener Geräte bis hin zu Schweißgeräten und leistungsstarken Wechselrichtern.
Impulsstromwandler
Um die Größe und (oder) Richtung des Stroms in Impulsstromkreisen zu messen, werden häufig Impulsstromtransformatoren verwendet, bei denen es sich um einen Ferritkern, oft ringförmig (Ringkern), mit einer Wicklung handelt.Durch den Ring des Kerns wird ein Draht geführt, dessen Strom untersucht werden soll, und die Spule selbst wird auf einen Widerstand belastet.
Zum Beispiel enthält der Ring 1000 Drahtwindungen, dann beträgt das Verhältnis der Ströme der Primärwicklung (Gewindedraht) und der Sekundärwicklung 1000 zu 1. Wenn die Wicklung des Rings auf einen Widerstand mit bekanntem Wert geladen wird, dann ist die darüber gemessene Spannung proportional zum Strom der Spule, was bedeutet, dass der gemessene Strom das 1000-fache des Stroms durch diesen Widerstand beträgt.
Die Industrie produziert Stoßstromtransformatoren mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen. An einen solchen Transformator muss der Konstrukteur lediglich einen Widerstand und einen Messkreis anschließen. Will man die Richtung des Stroms wissen, nicht seine Stärke, dann wird die Wicklung des Stromwandlers einfach durch zwei gegenüberliegende Zenerdioden aufgeladen.
Kommunikation zwischen elektrischen Maschinen und Transformatoren
Elektrische Transformatoren sind immer Bestandteil der Elektromaschinenkurse, die in allen elektrotechnischen Fachgebieten von Bildungseinrichtungen studiert werden. Im Wesentlichen ist ein elektrischer Transformator keine elektrische Maschine, sondern ein elektrisches Gerät, da es keine beweglichen Teile gibt, deren Vorhandensein ein charakteristisches Merkmal jeder Maschine als eine Art Mechanismus ist. Aus diesem Grund sind die genannten Kurse, in Um Missverständnissen vorzubeugen, sollten sie „Kurse zu elektrischen Maschinen und elektrischen Transformatoren“ heißen.
Die Einbeziehung von Transformatoren in alle Kurse für elektrische Maschinen hat zwei Gründe.Einer davon ist historischen Ursprungs: Dieselben Fabriken, die elektrische Wechselstrommaschinen herstellten, bauten auch Transformatoren, da die bloße Anwesenheit von Transformatoren Wechselstrommaschinen einen Vorteil gegenüber Gleichstrommaschinen verschaffte, was letztendlich zu ihrer Vorherrschaft in der Branche führte. Und mittlerweile ist eine große Wechselstromanlage ohne Transformatoren nicht mehr vorstellbar.
Mit der Entwicklung der Produktion von Wechselstrommaschinen und Transformatoren wurde es jedoch notwendig, die Produktion von Transformatoren in speziellen Transformatorenfabriken zu konzentrieren. Tatsache ist, dass aufgrund der Möglichkeit, Wechselstrom mit Transformatoren über große Entfernungen zu übertragen, der Anstieg der höheren Spannung von Transformatoren viel schneller erfolgte als der Spannungsanstieg von elektrischen Wechselstrommaschinen.
Im aktuellen Entwicklungsstadium elektrischer Wechselstrommaschinen liegt die höchste sinnvolle Spannung für sie bei 36 kV. Gleichzeitig erreichte die höchste Spannung in tatsächlich eingesetzten elektrischen Transformatoren 1150 kV. Solche hohen Transformatorspannungen und ihr Betrieb auf blitzgefährdeten Freileitungen haben zu ganz spezifischen Transformatorproblemen geführt, die für elektrische Maschinen fremd sind.
Dies führte zur Entstehung technologischer Probleme, die sich von den technologischen Problemen der Elektrotechnik so sehr unterschieden, dass die Trennung der Transformatoren in unabhängige Produktionen unumgänglich wurde. Damit verschwand der erste Grund – die industrielle Verbindung, die Transformatoren in die Nähe elektrischer Maschinen brachte.
Der zweite Grund ist grundsätzlicher Natur und besteht darin, dass die in der Praxis verwendeten elektrischen Transformatoren sowie die elektrischen Maschinen darauf basieren das Prinzip der elektromagnetischen Induktion (Faradaysches Gesetz), – bleibt eine unerschütterliche Verbindung zwischen ihnen. Gleichzeitig ist zum Verständnis vieler Phänomene in Wechselstrommaschinen die Kenntnis der in Transformatoren ablaufenden physikalischen Vorgänge unbedingt erforderlich, und darüber hinaus lässt sich die Theorie einer großen Klasse von Wechselstrommaschinen auf die Theorie von reduzieren Transformatoren und erleichtert so deren theoretische Betrachtung.
Daher nimmt in der Theorie der Wechselstrommaschinen die Theorie der Transformatoren einen starken Platz ein, woraus jedoch nicht folgt, dass Transformatoren als elektrische Maschinen bezeichnet werden können. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass Transformatoren eine andere Zielsetzung und einen anderen Energieumwandlungsprozess haben als elektrische Maschinen.
Der Zweck einer elektrischen Maschine besteht darin, mechanische Energie in elektrische Energie (Generator) oder umgekehrt elektrische Energie in mechanische Energie (Motor) umzuwandeln, während es sich bei einem Transformator um die Umwandlung einer Art Wechselstrom in elektrische Energie in Wechselstrom handelt aktuelle elektrische Energie. Strom der anderen Art.