Transformatorkonstruktion

Denna magnetkrets, som vanligen kallas ”transformatorkärnan”, är utformad för att ge magnetfältet en väg att flyta runt, vilket är nödvändigt för att inducera spänningen mellan de två lindningarna.

Den här typen av transformatorkonstruktion, där de två lindningarna lindas på separata lemmar, är dock inte särskilt effektiv, eftersom primär- och sekundärlindningarna är väl separerade från varandra. Detta resulterar i en låg magnetisk koppling mellan de två lindningarna samt stora mängder läckage av magnetiskt flöde från själva transformatorn. Men förutom denna ”O”-formade konstruktion finns det olika typer av ”transformatorkonstruktioner” och konstruktioner tillgängliga som används för att övervinna dessa ineffektiviteter och producera en mindre och kompaktare transformator.

Effektiviteten hos en enkel transformatorkonstruktion kan förbättras genom att föra de två lindningarna i nära kontakt med varandra, vilket förbättrar den magnetiska kopplingen. Att öka och koncentrera den magnetiska kretsen runt spolarna kan förbättra den magnetiska kopplingen mellan de två lindningarna, men det har också till följd att de magnetiska förlusterna i transformatorkärnan ökar.

Samt att ge magnetfältet en väg med låg reluktans är kärnan utformad så att den förhindrar cirkulerande elektriska strömmar i själva järnkärnan. Cirkulerande strömmar, som kallas ”virvelströmmar”, orsakar uppvärmning och energiförluster i kärnan, vilket minskar transformatorns effektivitet.

Dessa förluster beror huvudsakligen på spänningar som induceras i järnkretsen, som ständigt utsätts för de växlande magnetfält som skapas av den externa sinusformade matningsspänningen. Ett sätt att minska dessa oönskade effektförluster är att konstruera transformatorkärnan av tunna stållamineringar.

I alla typer av transformatorkonstruktion är den centrala järnkärnan konstruerad av ett mycket permeabelt material av tunna kiselstållamineringar. Dessa tunna lamineringar sätts samman för att ge den erforderliga magnetiska banan med minsta möjliga magnetiska förluster. Stålplåtens egen resistivitet är hög, vilket minskar eventuella virvelströmsförluster genom att lamineringarna är mycket tunna.

Dessa ståltransformatorlamineringar varierar i tjocklek från 0,25 mm till 0,5 mm, och eftersom stål är en ledare är lamineringarna och eventuella fäststift, nitar eller bultar elektriskt isolerade från varandra genom ett mycket tunt skikt av isolerande lack eller genom användning av ett oxidskikt på ytan.

Transformatorns konstruktion av kärnan

I allmänhet är det namn som förknippas med konstruktionen av en transformator beroende av hur de primära och sekundära lindningarna lindas runt den centrala laminerade stålkärnan. De två vanligaste och mest grundläggande konstruktionerna av transformatorkonstruktion är transformatorn med sluten kärna och transformatorn med skalkärna.

I transformatorn av typen ”sluten kärna” (kärnform) är de primära och sekundära lindningarna lindade utanför och omger kärnringen. I transformatorn av typen ”med sluten kärna” (skalform) passerar de primära och sekundära lindningarna inuti den magnetiska stålkretsen (kärnan) som bildar ett skal runt lindningarna enligt bilden nedan.

Transformatorns kärnkonstruktion

I båda typerna av transformatorns kärnkonstruktion passerar det magnetiska flödet som förbinder de primära och sekundära lindningarna helt och hållet inom kärnan, utan att det magnetiska flödet går förlorat i luften. I transformatorkonstruktionen av kärntypen är ena halvan av varje lindning lindad runt varje ben (eller lem) av transformatorns magnetkrets som visas ovan.

Spolarna är inte anordnade så att den primära lindningen är placerad på det ena benet och den sekundära på det andra, utan i stället är halva primärlindningen och halva sekundärlindningen placerade koncentriskt över varandra på varje ben för att öka den magnetiska kopplingen, vilket gör att praktiskt taget alla magnetiska kraftlinjer går genom både den primära och den sekundära lindningen samtidigt. Med denna typ av transformatorkonstruktion flödar emellertid en liten procentandel av de magnetiska kraftlinjerna utanför kärnan, vilket kallas ”läckageflöde”.

Transformatorkärnor av skal-typ övervinner detta läckageflöde genom att både den primära och den sekundära lindningen lindas på samma centrala ben eller lem, som har dubbelt så stor tvärsnittsarea som de två yttre lemmarna. Fördelen här är att det magnetiska flödet har två slutna magnetiska vägar att flöda runt utanför spolningarna på både vänster och höger sida innan det återvänder tillbaka till de centrala spolningarna.

Detta innebär att det magnetiska flödet som cirkulerar runt de yttre lemmarna i denna typ av transformatorkonstruktion är lika med Φ/2. Eftersom det magnetiska flödet har en sluten väg runt spolarna har detta fördelen att minska kärnförlusterna och öka den totala verkningsgraden.

Transformatorlamineringar

Men du kanske undrar hur de primära och sekundära lindningarna lindas runt dessa laminerade järn- eller stålkärnor för dessa typer av transformatorkonstruktioner. Spolningarna lindas först på en formare som har ett cylindriskt, rektangulärt eller ovalt tvärsnitt för att passa den laminerade kärnans konstruktion. I både transformatorkonstruktioner av skal- och kärntyp, för att montera spolningslindningarna, stämplas eller stansas de enskilda lamineringarna ut ur större stålplåtar och formas till remsor av tunt stål som liknar bokstäverna ”E”, ”L”, ”U” och ”I”, såsom visas nedan.

Transformatorkärntyper

Dessa lamineringsstämplingar bildar, när de är sammankopplade med varandra, den önskade kärnformen. Exempelvis två ”E”-stämplar plus två slutande ”I”-stämplar för att ge en E-I-kärna som bildar en del av en standardtransformatorkärna av skaltyp. Dessa individuella lamineringar är tätt sammanfogade under konstruktionen av transformatorn för att minska motståndet i luftspalten vid skarvarna, vilket ger en mycket mättad magnetisk flödestäthet.

Lamineringar av transformatorkärnor staplas vanligen växelvis på varandra för att åstadkomma en överlappande skarv, varvid fler lamineringspar läggs till för att åstadkomma den korrekta kärnans tjocklek. Denna alternerande stapling av lamineringarna ger också transformatorn fördelen av minskat flussläckage och järnförluster. E-I-kärnans laminerade transformatorkonstruktion används främst i isoleringstransformatorer, upp- och nedtrappningstransformatorer samt biltransformatorer.

Transformatorns lindningsarrangemang

Transformatorns lindningar utgör en annan viktig del av en transformatorkonstruktion, eftersom de är de huvudsakliga strömförande ledarna som lindas runt de laminerade sektionerna av kärnan. I en enfasig transformator med två lindningar finns det två lindningar enligt bilden. Den som är ansluten till spänningskällan och skapar det magnetiska flödet kallas primärlindning, och den andra lindningen kallas sekundärlindning i vilken en spänning induceras som ett resultat av ömsesidig induktion.

Om den sekundära utgångsspänningen är mindre än den primära ingångsspänningen kallas transformatorn för en ”Step-down Transformer”. Om den sekundära utgångsspänningen är större än den primära ingångsspänningen kallas den för en ”Step-up Transformator”.

Den typ av tråd som används som huvudströmsförande ledare i en transformatorlindning är antingen koppar eller aluminium. Även om aluminiumtråd är lättare och i allmänhet billigare än koppartråd måste en större tvärsnittsarea av ledaren användas för att transportera samma mängd ström som med koppar, så den används främst i större krafttransformatortillämpningar.

Små kVA-kraft- och spänningsomvandlare som används i elektriska och elektroniska kretsar med låg spänning tenderar att använda kopparledare, eftersom dessa har högre mekanisk hållfasthet och mindre ledarstorlek än motsvarande aluminiumtyper. Nackdelen är att dessa transformatorer är mycket tyngre när de är kompletta med sin kärna.

Transformatorers lindningar och spolar kan i stort sett klassificeras i koncentriska spolar och sandwichade spolar. I transformatorkonstruktioner av kärntyp är lindningarna vanligen anordnade koncentriskt runt kärnans lem som visas ovan med den högre spänningens primärlindning lindad över den lägre spänningens sekundärlindning.

Sandwiched eller ”pancake”-lindningar består av platta ledare lindade i spiralform och har fått detta namn på grund av att ledarna är anordnade i skivor. Alternativa skivor är gjorda så att de spiralformas från utsidan mot mitten i ett interleaved arrangemang med enskilda spolar staplade på varandra och separerade av isolerande material, t.ex. papper eller plastfolie. Sandwichspolar och -lindningar är vanligare med en kärnkonstruktion av skal-typ.

Helixlindningar, även kända som skruvlindningar, är ett annat mycket vanligt cylindriskt spolarrangemang som används i transformatortillämpningar för lågspänning och högström. Lindningarna består av rektangulära ledare med stort tvärsnitt som är lindade på sin sida med de isolerade strängarna lindade parallellt kontinuerligt längs cylinderns längd, med lämpliga distanser insatta mellan intilliggande varv eller skivor för att minimera cirkulerande strömmar mellan de parallella strängarna. Spolen fortskrider utåt som en spiral som liknar en korkskruv.

Den isolering som används för att förhindra att ledarna kortsluter varandra i en transformator är vanligen ett tunt lager lack eller emalj i luftkylda transformatorer. Detta tunna lack eller emaljfärg målas på tråden innan den lindas runt kärnan.

I större kraft- och distributionstransformatorer isoleras ledarna från varandra med hjälp av oljeimpregnerat papper eller tyg. Hela kärnan och lindningarna är nedsänkta och förseglade i en skyddande tank som innehåller transformatorolja. Transformatoroljan fungerar som isolator och även som kylmedel.

Transformer Dot Orientation

Vi kan inte bara helt enkelt ta en laminerad kärna och linda en av spolkonfigurationerna runt den. Vi skulle kunna göra det, men vi kan upptäcka att den sekundära spänningen och strömmen kan vara ofasad med den primära spänningen och strömmen. De två spollindningarna har en tydlig orientering av den ena i förhållande till den andra. Varje spole kan vara lindad runt kärnan med eller moturs, så för att hålla reda på deras relativa orientering används ”punkter” för att identifiera en viss ände av varje lindning.

Denna metod för att identifiera orienteringen eller riktningen av en transformatorlindning kallas ”punktkonvention”. Därefter lindas en transformators lindningar så att de korrekta fasförhållandena finns mellan lindningsspänningarna där transformatorns polaritet definieras som den relativa polariteten hos den sekundära spänningen i förhållande till den primära spänningen enligt nedan.

Transformatorkonstruktion med hjälp av punktorientering

Den första transformatorn visar sina två ”punkter” sida vid sida på de två lindningarna. Strömmen som lämnar den sekundära pricken är ”i fas” med strömmen som går in i primärsidans prick. Därmed är polariteterna för spänningarna vid de prickade ändarna också i fas, så när spänningen är positiv vid den prickade ändan av primärspolen är spänningen över sekundärspolen också positiv vid den prickade ändan.

Den andra transformatorn visar de två prickarna vid motsatta ändar av lindningarna, vilket innebär att transformatorns primära och sekundära spolvindningar är lindade i motsatt riktning. Resultatet av detta är att den ström som lämnar den sekundära punkten är 180o ”ofasad” med den ström som går in i den primära punkten. Så polariteterna för spänningarna vid de prickade ändarna är också ofasade, så när spänningen är positiv vid den prickade ändan av primärspolen kommer spänningen över motsvarande sekundärspole att vara negativ.

Då kan konstruktionen av en transformator vara sådan att den sekundära spänningen kan vara antingen ”in-fasad” eller ”ofasad” med avseende på den primära spänningen. I transformatorer som har ett antal olika sekundärlindningar, varav var och en är elektriskt isolerad från varandra, är det viktigt att känna till sekundärlindningarnas prickpolaritet så att de kan kopplas samman i seriestödjande (sekundärspänningen summeras) eller seriemotverkande (sekundärspänningen är skillnaden) konfigurationer.

Förmågan att justera en transformators vändningsförhållande är ofta önskvärd för att kompensera effekterna av variationer i den primära matningsspänningen, regleringen av transformatorn eller varierande belastningsförhållanden. Spänningsreglering av transformatorn utförs i allmänhet genom att ändra vändningsförhållandet och därmed dess spänningsförhållande, varvid en del av primärlindningen på högspänningssidan tappas ut vilket möjliggör en enkel justering. Uttagningen föredras på högspänningssidan eftersom volterna per varv är lägre än på lågspänningssidan på sekundärsidan.

Transformatorns primärtappningsförändringar

I detta enkla exempel är primärtappningsförändringarna beräknade för en matningsspänningsändring på ±5 %, men vilket värde som helst kan väljas. Vissa transformatorer kan ha två eller fler primära eller två eller fler sekundära lindningar för användning i olika tillämpningar som ger olika spänningar från en enda kärna.

Transformatorns kärnförluster

Förmågan hos järn eller stål att transportera magnetiskt flöde är mycket större än i luft, och denna förmåga att tillåta magnetiskt flöde att flöda kallas permeabilitet. De flesta transformatorkärnor är konstruerade av stål med lågt kolinnehåll som kan ha permeabiliteter i storleksordningen 1500 jämfört med endast 1,0 för luft.

Detta innebär att en laminerad stålkärna kan bära ett magnetiskt flöde 1500 gånger bättre än luft. När ett magnetiskt flöde flödar i en transformatorstålkärna uppstår dock två typer av förluster i stålet. Den ena benämns ”virvelströmsförluster” och den andra benämns ”hysteresförluster”.

Hysteresförluster

Transformatorns hysteresförluster orsakas av molekylernas friktion mot flödet av de magnetiska kraftlinjerna som krävs för att magnetisera kärnan och som hela tiden ändrar värde och riktning, först i den ena riktningen och sedan i den andra på grund av påverkan av den sinusformade matningsspänningen.

Denna molekylära friktion orsakar värmeutveckling som utgör en energiförlust för transformatorn. Överdriven värmeförlust kan på övertid förkorta livslängden på de isoleringsmaterial som används vid tillverkningen av lindningarna och strukturerna. Därför är det viktigt att kyla en transformator.

Transformatorer är också konstruerade för att fungera vid en viss matningsfrekvens. En lägre matningsfrekvens leder till ökad hysteresis och högre temperatur i järnkärnan. Så en minskning av matningsfrekvensen från 60 Hertz till 50 Hertz kommer att öka mängden närvarande hysterese, vilket minskar transformatorns VA-kapacitet.

Vridströmsförluster

Transformatorns virvelströmsförluster å andra sidan orsakas av flödet av cirkulerande strömmar som induceras i stålet och som orsakas av flödet av det magnetiska flödet runt kärnan. Dessa cirkulerande strömmar genereras på grund av att kärnan i förhållande till det magnetiska flödet fungerar som en enda trådslinga. Eftersom järnkärnan är en god ledare kommer de virvelströmmar som induceras av en solid järnkärna att vara stora.

Virvelströmmarna bidrar inte till transformatorns användbarhet utan motsätter sig i stället flödet av den inducerade strömmen genom att fungera som en negativ kraft som genererar resistiv uppvärmning och effektförlust i kärnan.

Laminering av järnkärnan

Eddyströmsförluster inom en transformatorkärna kan inte elimineras helt, men de kan minskas kraftigt och kontrolleras genom att minska tjockleken på stålkärnan. Istället för att ha en stor fast järnkärna som det magnetiska kärnmaterialet i transformatorn eller spolen delas den magnetiska banan upp i många tunna pressade stålformer som kallas ”lamineringar”.

Lamineringarna som används i en transformatorkonstruktion är mycket tunna remsor av isolerad metall som sätts samman för att skapa en fast men laminerad kärna som vi såg ovan. Dessa lamineringar är isolerade från varandra med en beläggning av lack eller papper för att öka kärnans effektiva resistivitet och därmed öka det totala motståndet för att begränsa flödet av virvelströmmar.

Resultatet av all denna isolering är att den oönskade inducerade virvelströmsförlusten av effekt i kärnan reduceras kraftigt, och det är av denna anledning som den magnetiska järnkretsen i varje transformator och andra elektromagnetiska maskiner alla är laminerade. Genom att använda lamineringar i en transformatorkonstruktion minskas virvelströmsförlusterna.

Energiförlusterna, som uppträder som värme på grund av både hysteres och virvelströmmar i den magnetiska banan, kallas allmänt för ”transformatorkärnförluster”. Eftersom dessa förluster uppstår i alla magnetiska material till följd av växlande magnetfält. Transformatorkärnförluster finns alltid i en transformator när den primära strömförsörjs, även om ingen belastning är ansluten till den sekundära lindningen. Även dessa hysteresförluster och virvelströmsförlusterna kallas ibland för ”transformatorns järnförluster”, eftersom det magnetiska flödet som orsakar dessa förluster är konstant vid alla belastningar.

Kopparförluster

Men det finns också en annan typ av energiförlust som är förknippad med transformatorer och som kallas ”kopparförluster”. Transformatorns kopparförluster beror huvudsakligen på det elektriska motståndet i de primära och sekundära lindningarna. De flesta transformatorspolningar är tillverkade av koppartråd som har ett motstånd i Ohms, ( Ω ). Detta motstånd motsätter sig de magnetiserande strömmar som flödar genom dem.

När en belastning ansluts till transformatorns sekundärlindning flödar stora elektriska strömmar i både primär- och sekundärlindningarna, elektriska energi- och effektförluster ( eller I2 R ) uppstår som värme. Generellt sett varierar kopparförlusterna med belastningsströmmen, och är nästan noll vid nollbelastning och maximalt vid full belastning när strömflödet är maximalt.

En transformators VA-värde kan ökas genom bättre konstruktion och transformatorkonstruktion för att minska dessa kärn- och kopparförluster. Transformatorer med höga spännings- och strömvärden kräver ledare med stort tvärsnitt för att bidra till att minimera kopparförlusterna. Ökad värmeavledning (bättre kylning) med hjälp av tvångsluft eller olja, eller genom att förbättra transformatorns isolering så att den klarar högre temperaturer, kan också öka transformatorns VA-värde.

Då kan vi definiera en idealisk transformator som har:

• Ingen hystereseslingor eller hysteresförluster → 0
• Oändlig resistivitet hos kärnmaterialet vilket ger noll virvelströmsförluster → 0
• Noll lindningsmotstånd vilket ger noll I2*R kopparförluster → 0

I nästa handledning om transformatorer kommer vi att titta på transformatorbelastning av sekundärlindningen med avseende på en elektrisk belastning och se vilken effekt en ”NO-load” och en ”ON-load” ansluten transformator har på primärlindningsströmmen.