Transformatorkonstruktion

Dette magnetiske kredsløb, der almindeligvis kaldes “transformatorkernen”, er designet til at skabe en vej, som det magnetiske felt kan flyde rundt om, hvilket er nødvendigt for at inducere spændingen mellem de to viklinger.

Denne type transformatorkonstruktion, hvor de to viklinger er viklet på separate lemmer, er imidlertid ikke særlig effektiv, da de primære og sekundære viklinger er godt adskilt fra hinanden. Dette resulterer i en lav magnetisk kobling mellem de to viklinger samt store mængder af magnetisk fluxlækage fra selve transformeren. Men ud over denne “O”-formede konstruktion findes der forskellige typer af “transformerkonstruktioner” og -designs, som bruges til at overvinde disse ineffektiviteter, hvilket giver en mindre og mere kompakt transformer.

Effektiviteten af en simpel transformerkonstruktion kan forbedres ved at bringe de to viklinger i tæt kontakt med hinanden og derved forbedre den magnetiske kobling. En forøgelse og koncentration af det magnetiske kredsløb omkring spolerne kan forbedre den magnetiske kobling mellem de to viklinger, men det har også den virkning, at transformatorkernens magnetiske tab øges.

Selvom at give en lav reluktansvej for det magnetiske felt er kernen udformet til at forhindre cirkulerende elektriske strømme i selve jernkernen. Cirkulerende strømme, kaldet “hvirvelstrømme”, forårsager opvarmning og energitab i kernen, hvilket mindsker transformatorens effektivitet.

Disse tab skyldes hovedsagelig spændinger, der induceres i jernkredsløbet, som konstant udsættes for de vekslende magnetfelter, der opstilles af den eksterne sinusformede forsyningsspænding. En måde at reducere disse uønskede effekttab på er at konstruere transformatorkernen af tynde stållamineringer.

I alle typer af transformerkonstruktioner er den centrale jernkerne konstrueret af et meget permeabelt materiale af tynde siliciumstållamineringer. Disse tynde lamineringer samles sammen for at give den nødvendige magnetiske bane med et minimum af magnetiske tab. Selve stålpladens resistivitet er høj, hvilket reducerer ethvert hvirvelstrømstab ved at gøre lamineringerne meget tynde.

Disse ståltransformatorlamineringer varierer i tykkelse fra 0,25 mm til 0,5 mm, og da stål er en leder, er lamineringerne og eventuelle fastgørelsesbolte, nitter eller bolte elektrisk isolerede fra hinanden ved hjælp af et meget tyndt lag isolerende lak eller ved brug af et oxidlag på overfladen.

Transformatorkonstruktion af kernen

Generelt afhænger navnet i forbindelse med konstruktionen af en transformer af, hvordan de primære og sekundære viklinger er viklet omkring den centrale laminerede stålkerne. De to mest almindelige og grundlæggende udformninger af transformatorkonstruktionen er transformeren med lukket kerne og skalletransformeren.

I transformeren af typen “lukket kerne” (kerneform) er de primære og sekundære viklinger viklet udenfor og omgiver kerne-ringen. I transformeren af “shell-type” (shell-form) passerer de primære og sekundære viklinger inde i den magnetiske stålkreds (kerne), der danner en skal omkring viklingerne, som vist nedenfor.

Transformerkernekonstruktion

I begge typer af transformerkerner bevæger den magnetiske flux, der forbinder de primære og sekundære viklinger, sig udelukkende inden for kernen uden tab af magnetisk flux gennem luft. I transformerkonstruktionen af kernetypen er den ene halvdel af hver vikling viklet rundt om hvert ben (eller lem) af transformatorens magnetiske kredsløb som vist ovenfor.

Spolerne er ikke anbragt med den primære vikling på det ene ben og den sekundære på det andet, men i stedet er halvdelen af den primære vikling og halvdelen af den sekundære vikling placeret koncentrisk over hinanden på hvert ben for at øge den magnetiske kobling, så praktisk talt alle de magnetiske kraftlinjer går gennem både den primære og den sekundære vikling på samme tid. Med denne type transformatorkonstruktion flyder en lille procentdel af de magnetiske kraftlinjer imidlertid uden for kernen, og dette kaldes “lækageflux”.

Transformerkerner af skal-type overvinder denne lækageflux, da både den primære og den sekundære vikling er viklet på det samme midterste ben eller lem, som har et dobbelt så stort tværsnitsareal som de to ydre lemmer. Fordelen her er, at den magnetiske flux har to lukkede magnetiske baner at flyde rundt uden om spolerne på både venstre og højre side, inden den vender tilbage til de centrale spoler.

Det betyder, at den magnetiske flux, der cirkulerer rundt om de ydre lemmer i denne type transformatorkonstruktion, er lig med Φ/2. Da den magnetiske flux har en lukket vej rundt om spolerne, har dette den fordel at mindske kernetab og øge den samlede effektivitet.

Transformerlamineringer

Men du undrer dig måske over, hvordan de primære og sekundære viklinger er viklet rundt om disse laminerede jern- eller stålkerner til disse typer af transformerkonstruktioner. Spolerne vikles først på en formular, som har et cylindrisk, rektangulært eller ovalt tværsnit, der passer til den laminerede kernes konstruktion. I både skal- og kernetypens transformerkonstruktioner er de enkelte lamineringer for at montere spoleviklingerne stemplet eller udstanset fra større stålplader og formet til strimler af tyndt stål, der ligner bogstaverne “E”, “L”, “U” og “I” som vist nedenfor.

Transformerkernetyper

Disse lamineringsstempler danner, når de er forbundet sammen, den ønskede kerneform. F.eks. to “E”-stempler plus to sluttende “I”-stempler for at opnå en E-I kerne, der udgør et element i en standardtransformatorkerne af skal-type. Disse individuelle lamineringer er tæt sammenføjet under konstruktionen af transformatoren for at reducere luftspaltens modstandsstyrke ved samlingerne, hvilket giver en meget mættet magnetisk fluxtæthed.

Transformatorkernelamineringer stables normalt skiftevis på hinanden for at skabe en overlappende samling med flere lamineringspar, der tilføjes for at opnå den korrekte kernetykkelse. Denne vekselvise stabling af lamineringerne giver også transformeren den fordel, at der er mindre fluxlækage og jerntab. E-I kerne lamineret transformatorkonstruktion anvendes mest i isolationstransformere, step-up og step-down transformere samt autotransformere.

Transformer Winding Arrangements

Transformerviklinger udgør en anden vigtig del af en transformatorkonstruktion, fordi de er de vigtigste strømførende ledere, der er viklet rundt om de laminerede sektioner af kernen. I en enfaset transformer med to viklinger vil der være to viklinger som vist. Den ene, der er forbundet med spændingskilden og skaber den magnetiske flux, kaldes primærviklingen, og den anden vikling kaldes sekundærviklingen, hvori der induceres en spænding som følge af gensidig induktion.

Hvis den sekundære udgangsspænding er mindre end den primære indgangsspænding, kaldes transformeren for en “Step-down transformer”. Hvis den sekundære udgangsspænding er større end den primære indgangsspænding, kaldes den en “Step-up Transformer”.

Den type tråd, der anvendes som hovedstrømførende leder i en transformatorvikling, er enten kobber eller aluminium. Mens aluminiumtråd er lettere og generelt billigere end kobbertråd, skal der anvendes et større tværsnitsareal af lederen for at overføre den samme mængde strøm som med kobber, så den anvendes hovedsagelig i større krafttransformatoranvendelser.

Små kVA-kraft- og spændingstransformatorer, der anvendes i elektriske og elektroniske kredsløb med lav spænding, har tendens til at anvende kobberledere, da disse har en højere mekanisk styrke og en mindre lederstørrelse end tilsvarende aluminiumstyper. Ulempen er, at disse transformatorer er meget tungere, når de er komplet med deres kerne.

Transformatorviklinger og spoler kan groft sagt klassificeres i koncentriske spoler og sandwichede spoler. I kernetypetransformatorkonstruktioner er viklingerne normalt anbragt koncentrisk omkring kernebenet som vist ovenfor, idet den primære vikling med højere spænding er viklet over den sekundære vikling med lavere spænding.

Sandwich- eller “pandekage”-spoler består af flade ledere, der er viklet i spiralform og har fået dette navn på grund af ledernes placering i skiver. De skiftende skiver er spiralformet fra ydersiden og ind mod midten i en sammenslynget rækkefølge, hvor de enkelte spoler er stablet sammen og adskilt af isolerende materialer, f.eks. papir eller plastfolie. Sandwichspoler og -viklinger er mere almindelige med en kernekonstruktion af skaltypen.

Helikale viklinger, også kendt som skrueviklinger, er en anden meget almindelig cylindrisk spoleanordning, der anvendes i lavspændingstransformere med højstrøm. Vingerne består af rektangulære ledere med stort tværsnit, der er viklet på siden med de isolerede tråde viklet parallelt kontinuerligt langs cylinderens længde, med passende afstandsstykker indsat mellem tilstødende vindinger eller skiver for at minimere cirkulerende strømme mellem de parallelle tråde. Spolen skrider fremad udad som en spiral, der ligner en proptrækker.

Den isolering, der anvendes til at forhindre, at lederne kortslutter hinanden i en transformer, er normalt et tyndt lag lak eller emalje i luftkølede transformere. Denne tynde lak eller emalje males på ledningen, inden den vikles om kernen.

I større kraft- og distributionstransformere er lederne isoleret fra hinanden ved hjælp af olieimprægneret papir eller stof. Hele kernen og viklingerne er nedsænket og forseglet i en beskyttende tank med transformerolie. Transformerolien fungerer som isolator og også som kølemiddel.

Transformer Dot Orientation

Vi kan ikke bare tage en lamineret kerne og vikle en af spolekonfigurationerne rundt om den. Det kunne vi godt, men vi kan finde ud af, at den sekundære spænding og strøm kan være ude af fase i forhold til den primære spænding og strøm. De to spoleviklinger har en tydelig orientering af den ene i forhold til den anden. Hver spole kan være viklet rundt om kernen med eller mod uret, så for at holde styr på deres relative orientering anvendes “prikker” til at identificere en given ende af hver vikling.

Denne metode til at identificere orienteringen eller retningen af en transformers viklinger kaldes “prikkonventionen”. Derefter vikles en transformers viklinger således, at der er de korrekte faseforhold mellem viklingsspændingerne, idet transformatorens polaritet defineres som den relative polaritet af den sekundære spænding i forhold til den primære spænding som vist nedenfor.

Transformerkonstruktion ved hjælp af punktorientering

Den første transformer viser sine to “prikker” side om side på de to viklinger. Den strøm, der forlader den sekundære prik, er “i fase” med den strøm, der kommer ind i primærsidens prik. Således er polariteterne af spændingerne i de prikkede ender også i fase, så når spændingen er positiv i den prikkede ende af primærspolen, er spændingen over sekundærspolen også positiv i den prikkede ende.

Den anden transformer viser de to prikker i modsatte ender af viklingerne, hvilket betyder, at transformatorens primær- og sekundærspoleviklinger er viklet i modsat retning. Resultatet af dette er, at den strøm, der forlader den sekundære prik, er 180o “ude af fase” med den strøm, der kommer ind i den primære prik. Så polariteterne af spændingerne ved de prikkede ender er også ude af fase, så når spændingen er positiv ved den prikkede ende af primærspolen, vil spændingen over den tilsvarende sekundære spole være negativ.

Så kan konstruktionen af en transformer være sådan, at den sekundære spænding enten kan være “i fase” eller “ude af fase” i forhold til den primære spænding. I transformere, der har et antal forskellige sekundære viklinger, som hver især er elektrisk isoleret fra hinanden, er det vigtigt at kende de sekundære viklingers punktpolaritet, således at de kan forbindes sammen i seriestøttende (sekundærspændingen summeres) eller seriemæssigt modsatrettede (sekundærspændingen er forskellen) konfigurationer.

Muligheden til at justere en transformators omdrejningsforhold er ofte ønskelig for at kompensere for virkningerne af variationer i den primære forsyningsspænding, regulering af transformeren eller varierende belastningsforhold. Spændingsregulering af transformeren udføres generelt ved at ændre viklingsforholdet og dermed dens spændingsforhold, hvorved en del af primærviklingen på højspændingssiden aftappes, hvilket giver mulighed for nem justering. Aftapningen foretrækkes på højspændingssiden, da volt pr. omdrejning er lavere end på sekundærsiden med lav spænding.

Transformatorens primære tapændringer

I dette enkle eksempel er de primære tapændringer beregnet for en forsyningsspændingsændring på ±5%, men enhver værdi kan vælges. Nogle transformere kan have to eller flere primære eller to eller flere sekundære viklinger til brug i forskellige applikationer, der leverer forskellige spændinger fra en enkelt kerne.

Transformerkernetab

Egenskaben hos jern eller stål til at bære magnetisk flux er meget større end i luft, og denne evne til at lade magnetisk flux strømme kaldes permeabilitet. De fleste transformatorkerner er konstrueret af stål med lavt kulstofindhold, som kan have permeabiliteter i størrelsesordenen 1500 sammenlignet med blot 1,0 for luft.

Det betyder, at en lamineret kerne af stål kan bære en magnetisk flux 1500 gange bedre end i luft. Når en magnetisk flux flyder i en transformatorers stålkerne, opstår der imidlertid to typer tab i stålet. Den ene betegnes “hvirvelstrømstab” og den anden betegnes “hysteresetab”.

Hysteresetab

Transformer Hysteresetab opstår på grund af molekylernes friktion mod strømmen af de magnetiske kraftlinjer, der er nødvendige for at magnetisere kernen, og som konstant ændrer værdi og retning først i den ene retning og derefter i den anden på grund af påvirkningen fra den sinusformede forsyningsspænding.

Denne molekylære friktion medfører en varmeudvikling, som udgør et energitab for transformeren. Et for stort varmetab kan med tiden forkorte levetiden for de isoleringsmaterialer, der er anvendt til fremstilling af viklinger og strukturer. Derfor er det vigtigt at køle en transformer.

Transformere er desuden konstrueret til at fungere ved en bestemt forsyningsfrekvens. En lavere frekvens af forsyningen vil resultere i øget hysterese og højere temperatur i jernkernen. Så en reduktion af forsyningsfrekvensen fra 60 Hertz til 50 Hertz vil øge den tilstedeværende hysterese og mindske transformatorens VA-kapacitet.

Vridstrømstab

Transformatorens hvirvelstrømstab skyldes på den anden side strømmen af cirkulerende strømme, der induceres i stålet som følge af strømmen af den magnetiske flux omkring kernen. Disse cirkulerende strømme opstår, fordi kernen i forhold til den magnetiske strøm opfører sig som en enkelt trådsløjfe. Da jernkernen er en god leder, vil de hvirvelstrømme, der induceres af en massiv jernkerne, være store.

Virvelstrømme bidrager ikke noget til transformatorens anvendelighed, men modvirker i stedet strømmen af den inducerede strøm ved at virke som en negativ kraft, der genererer modstandsopvarmning og effekttab i kernen.

Laminering af jernkernen

Eddystrømstab i en transformatorkerne kan ikke helt elimineres, men de kan i høj grad reduceres og kontrolleres ved at reducere tykkelsen af stålkernen. I stedet for at have én stor massiv jernkerne som det magnetiske kernemateriale i transformeren eller spolen, opdeles den magnetiske bane i mange tynde pressede stålformer kaldet “lamineringer”.

De lamineringer, der anvendes i en transformerkonstruktion, er meget tynde strimler af isoleret metal, der er sat sammen til en massiv, men lamineret kerne, som vi så ovenfor. Disse lamineringer er isoleret fra hinanden med et lag lak eller papir for at øge kernens effektive resistivitet og dermed øge den samlede modstand for at begrænse hvirvelstrømmenes strømning.

Resultatet af al denne isolering er, at det uønskede inducerede hvirvelstrøms-effekttab i kernen reduceres kraftigt, og det er af denne grund, at det magnetiske jernkredsløb i enhver transformer og andre elektromagnetiske maskiner alle er lamineret. Ved at anvende lamineringer i en transformerkonstruktion reduceres hvirvelstrømstabet.

Det energitab, der optræder som varme på grund af både hysterese og hvirvelstrømme i den magnetiske bane, kaldes almindeligvis for “tab i transformatorkernen”. Da disse tab forekommer i alle magnetiske materialer som følge af vekslende magnetfelter. Transformatorkernetab er altid til stede i en transformer, når den primære er spændt, selv om der ikke er nogen belastning tilknyttet den sekundære vikling. Også disse hysteresetab og hvirvelstrømstabene omtales undertiden som “transformatorjerntab”, da den magnetiske flux, der forårsager disse tab, er konstant ved alle belastninger.

Kobbertab

Men der er også en anden type energitab forbundet med transformatorer, som kaldes “kobbertab”. Transformatorens kobbertab skyldes hovedsagelig den elektriske modstand i de primære og sekundære viklinger. De fleste transformatorspoler er fremstillet af kobbertråd, som har en modstand i Ohms, ( Ω ). Denne modstand modsætter sig de magnetiserende strømme, der strømmer gennem dem.

Når en belastning er tilsluttet transformatorens sekundærvikling, strømmer der store elektriske strømme i både primær- og sekundærviklingen, elektrisk energi og effekt ( eller I2 R ) tab opstår i form af varme. Generelt varierer kobbertabene med belastningsstrømmen, idet de er næsten nul ved tomgang og maksimalt ved fuld belastning, når strømgennemstrømningen er størst.

En transformers VA-værdi kan øges ved bedre design og transformerkonstruktion for at reducere disse kerne- og kobbertab. Transformere med høje spændings- og strømværdier kræver ledere med stort tværsnit for at hjælpe med at minimere deres kobbertab. Øget varmeafledning (bedre køling) ved hjælp af luft eller olie eller ved at forbedre transformatorens isolering, så den kan modstå højere temperaturer, kan også øge en transformers VA-værdi.

Så kan vi definere en ideel transformer som havende:

• Ingen hysteresesløjfer eller hysteresetab → 0
• Uendelig resistivitet af kernematerialet giver nul hvirvelstrømstab → 0
• Nul viklingsmodstand giver nul I2*R kobbertab → 0

I den næste vejledning om transformere vil vi se på transformerbelastning af den sekundære vikling i forhold til en elektrisk belastning og se effekten af en “NO-belastning” og en “ON-load”-tilsluttet transformer har på strømmen i den primære vikling.