Praktische Überlegungen – Transformatoren

Stromkapazität

Wie bereits festgestellt wurde, müssen Transformatoren gut konstruiert sein, um eine akzeptable Leistungskopplung, eine enge Spannungsregelung und eine geringe Erregerstromverzerrung zu erreichen. Außerdem müssen Transformatoren so ausgelegt sein, dass sie die erwarteten Werte des Primär- und Sekundärwicklungsstroms problemlos tragen.

Dies bedeutet, dass die Wicklungsleiter aus Draht mit der richtigen Dicke bestehen müssen, um Erwärmungsprobleme zu vermeiden.

Idealer Transformator

Ein idealer Transformator hätte eine perfekte Kopplung (keine Streuinduktivität), eine perfekte Spannungsregelung, einen perfekt sinusförmigen Erregerstrom, keine Hysterese oder Wirbelstromverluste und einen Draht, der dick genug ist, um jede Strommenge zu bewältigen. Leider müsste der ideale Transformator unendlich groß und schwer sein, um diese Konstruktionsziele zu erreichen.

Also im Geschäft der praktischen Trafodesign müssen Kompromisse gemacht werden.

Darüber hinaus ist die Isolierung von Wicklungsleitern ein Problem, wenn hohe Spannungen auftreten, wie sie häufig in Aufwärts- und Abwärtstransformatoren der Stromverteilung vorkommen.

Die Wicklungen müssen nicht nur gut vom Eisenkern isoliert sein, sondern jede Wicklung muss auch ausreichend voneinander isoliert sein, um die elektrische Isolierung zwischen den Wicklungen aufrechtzuerhalten.

Transformator-Bewertungen

Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen sind Transformatoren für bestimmte Werte der Primär- und Sekundärwicklungsspannung und des Stroms ausgelegt, obwohl der Nennstrom normalerweise von einer dem Transformator zugewiesenen Volt-Amp-Nennleistung (VA) abgeleitet wird.

Nehmen wir zum Beispiel einen Abwärtstransformator mit einer primären Nennspannung von 120 Volt, einer sekundären Nennspannung von 48 Volt und einer VA-Zahl von 1 kVA (1000 VA). Die maximalen Wicklungsströme können als solche ermittelt werden:kVA (1000 VA). Die maximalen Wicklungsströme können wie folgt ermittelt werden:

Manchmal tragen Wicklungen Stromnennwerte in Ampere, dies wird jedoch normalerweise bei kleinen Transformatoren beobachtet. Große Transformatoren werden fast immer in Bezug auf Wicklungsspannung und VA oder kVA bewertet.

Energieverluste

Wenn Transformatoren Leistung übertragen, geschieht dies verlustarm. Wie bereits erwähnt, überschreiten moderne Leistungstransformatoren in der Regel einen Wirkungsgrad von 95 %. Es ist jedoch gut zu wissen, wohin ein Teil dieser verlorenen Energie geht und wodurch sie verloren geht.

Aufgrund des Widerstands der Drahtwicklungen gibt es natürlich Leistungsverluste. Sofern keine supraleitenden Drähte verwendet werden, erfolgt immer eine Verlustleistung in Form von Wärme über den Widerstand stromdurchflossener Leiter. Da Transformatoren so lange Kabel benötigen, kann dieser Verlust ein erheblicher Faktor sein.

Die Erhöhung der Drahtstärke des Wickeldrahts ist eine Möglichkeit, diesen Verlust zu minimieren, jedoch nur mit erheblichen Kosten-, Größen- und Gewichtssteigerungen.

Wirbelstromverlust

Abgesehen von den ohmschen Verlusten ist der Großteil der Transformatorleistungsverluste auf magnetische Effekte im Kern zurückzuführen. Der vielleicht bedeutendste dieser „Kernverluste“ ist ein Wirbelstromverlust , die ohmsche Verlustleistung aufgrund des Durchgangs von induzierten Strömen durch das Eisen des Kerns ist.

Da Eisen sowohl ein elektrischer Leiter als auch ein ausgezeichneter „Leiter“ des magnetischen Flusses ist, werden im Eisen Ströme induziert, genauso wie in den Sekundärwicklungen durch das magnetische Wechselfeld Ströme induziert werden.

Diese induzierten Ströme – wie durch die Rechtwinkligkeitsklausel des Faradayschen Gesetzes beschrieben – neigen dazu, durch den Querschnitt des Kerns senkrecht zu den Windungen der Primärwicklung zu zirkulieren.

Ihre kreisförmige Bewegung gibt ihnen ihren ungewöhnlichen Namen:wie Wirbel in einem Wasserstrahl, die zirkulieren, anstatt sich in geraden Linien zu bewegen.

Eisen ist ein guter Stromleiter, aber nicht so gut wie Kupfer oder Aluminium, aus denen normalerweise Drahtwicklungen hergestellt werden. Folglich müssen diese „Wirbelströme“ einen erheblichen elektrischen Widerstand überwinden, wenn sie durch den Kern zirkulieren.

Indem sie den Widerstand des Bügeleisens überwinden, geben sie Energie in Form von Wärme ab. Daher haben wir eine Ineffizienzquelle im Transformator, die schwer zu beseitigen ist.

Induktionserwärmung

Dieses Phänomen ist so ausgeprägt, dass es oft zum Erhitzen von eisenhaltigen (eisenhaltigen) Materialien genutzt wird. Das Foto unten zeigt eine „Induktionsheizung“-Einheit, die die Temperatur eines großen Rohrabschnitts erhöht.

Drahtschleifen, die mit einer Hochtemperaturisolierung bedeckt sind, umschließen den Umfang des Rohres und induzieren durch elektromagnetische Induktion Wirbelströme innerhalb der Rohrwand. Um den Wirbelstromeffekt zu maximieren, wird anstelle der Netzfrequenz (60 Hz) hochfrequenter Wechselstrom verwendet.

Die Box-Einheiten rechts im Bild erzeugen den Hochfrequenz-Wechselstrom und steuern die Stromstärke in den Drähten, um die Rohrtemperatur auf einem vordefinierten „Sollwert“ zu stabilisieren.

Induktionserwärmung:Primärisolierte Wicklung induziert Strom in das verlustbehaftete Eisenrohr (sekundär).

Abschwächung von Wirbelströmen

Die Hauptstrategie zur Minderung dieser verschwenderischen Wirbelströme in Transformatorkernen besteht darin, den Eisenkern in Blechen zu formen, wobei jedes Blech mit einem isolierenden Lack bedeckt ist, so dass der Kern in dünne Scheiben geteilt wird. Das Ergebnis ist eine sehr geringe Breite im Kern, in der Wirbelströme zirkulieren können:

Die Aufteilung des Eisenkerns in dünne isolierte Lamellen minimiert Wirbelstromverluste.

Laminiert Kerne wie der hier gezeigte sind in fast allen Niederfrequenztransformatoren Standard. Erinnern Sie sich an das Foto des halbierten Transformators, dass der Eisenkern aus vielen dünnen Blechen und nicht aus einem massiven Stück bestand.

Wirbelstromverluste nehmen mit der Frequenz zu, daher müssen Transformatoren, die für den Betrieb mit höherer Frequenz ausgelegt sind (wie 400 Hz, die in vielen Militär- und Flugzeuganwendungen verwendet werden), dünnere Bleche verwenden, um die Verluste auf einem respektablen Minimum zu halten.

Dies hat den unerwünschten Effekt, dass die Herstellungskosten des Transformators erhöht werden.

Eine andere, ähnliche Technik zur Minimierung von Wirbelstromverlusten, die für Hochfrequenzanwendungen besser funktioniert, besteht darin, den Kern aus Eisenpulver statt aus dünnen Eisenblechen herzustellen.

Wie die Laminierungsbleche sind diese Eisenkörner einzeln mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, wodurch der Kern bis auf die Breite jedes Körnchens nicht leitend wird. Pulverförmige Eisenkerne werden häufig in Transformatoren gefunden, die mit Hochfrequenzströmen umgehen.

Magnetische Hysterese

Ein weiterer „Kernverlust“ ist der magnetische Hysterese . Alle ferromagnetischen Materialien neigen dazu, einen gewissen Grad an Magnetisierung beizubehalten, nachdem sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt wurden.

Diese Tendenz, magnetisiert zu bleiben, wird als "Hysterese" bezeichnet, und es erfordert einen gewissen Energieaufwand, um diesen Widerstand zu überwinden, sich jedes Mal zu ändern, wenn das von der Primärwicklung erzeugte Magnetfeld die Polarität ändert (zweimal pro Wechselstromzyklus).

Diese Art von Verlust kann durch eine gute Auswahl des Kernmaterials (Auswahl einer Kernlegierung mit geringer Hysterese, was durch eine „dünne“ B/H-Hysteresekurve belegt wird) und die Auslegung des Kerns auf minimale Flussdichte (große Querschnittsfläche) verringert werden. .

Hauteffekt bei hohen Frequenzen

Die Energieverluste von Transformatoren nehmen mit zunehmender Frequenz tendenziell zu. Der Skin-Effekt innerhalb von Wicklungsleitern verringert die verfügbare Querschnittsfläche für den elektrischen Ladungsfluss, wodurch der effektive Widerstand bei steigender Frequenz erhöht wird und mehr Leistung durch ohmsche Verlustleistung verloren geht.

Magnetkernverluste werden auch mit höheren Frequenzen, Wirbelströmen und gravierenderen Hystereseeffekten übertrieben. Aus diesem Grund sind Transformatoren von beträchtlicher Größe für einen effizienten Betrieb in einem begrenzten Frequenzbereich ausgelegt.

In den meisten Stromverteilungssystemen, in denen die Netzfrequenz sehr stabil ist, würde man meinen, dass eine übermäßige Frequenz nie ein Problem darstellen würde. Leider tut es das in Form von Oberwellen, die durch nichtlineare Lasten erzeugt werden.

Wie wir in früheren Kapiteln gesehen haben, entsprechen nicht-sinusförmige Wellenformen einer additiven Reihe mehrerer Sinuswellenformen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen. In Stromversorgungssystemen sind diese anderen Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz (Netzfrequenz), was bedeutet, dass sie immer höher und nicht niedriger als die Auslegungsfrequenz des Transformators sind.

Sie können in erheblichem Maße zu einer starken Überhitzung des Transformators führen. Leistungstransformatoren können so konstruiert werden, dass sie bestimmte Oberschwingungen des Netzes handhaben, und diese Fähigkeit wird manchmal mit einem „K-Faktor“ bezeichnet.

Streukapazität und -induktivität

Abgesehen von Nennleistungen und Leistungsverlusten bergen Transformatoren oft andere unerwünschte Einschränkungen, auf die Schaltungsentwickler aufmerksam gemacht werden müssen. Wie ihre einfacheren Gegenstücke – Induktivitäten – weisen Transformatoren eine Kapazität aufgrund des Isolationsdielektrikums zwischen den Leitern auf:von Wicklung zu Wicklung, Windung zu Windung (in einer einzigen Wicklung) und Wicklung bis zum Kern.

Transformator-Resonanzfrequenz

Normalerweise ist diese Kapazität bei einer Leistungsanwendung unbedenklich, aber kleine Signalanwendungen (insbesondere solche mit hoher Frequenz) tolerieren diese Eigenart möglicherweise nicht gut.

Außerdem gibt der Effekt der Kapazität zusammen mit der ausgelegten Induktivität der Wicklungen Transformatoren die Fähigkeit, mitzuschwingen bei einer bestimmten Frequenz, definitiv ein Designproblem bei Signalanwendungen, bei denen die angelegte Frequenz diesen Punkt erreichen kann (normalerweise liegt die Resonanzfrequenz eines Leistungstransformators weit über der Frequenz des Wechselstroms, für den er ausgelegt ist).

Eindämmung des Flusses

Flusseindämmung (sicherstellen, dass der magnetische Fluss eines Transformators nicht entweicht, um ein anderes Gerät zu stören, und sicherstellen, dass der magnetische Fluss anderer Geräte vom Transformatorkern abgeschirmt ist) ist ein weiteres Anliegen, das sowohl von Induktivitäten als auch von Transformatoren geteilt wird.

Leckinduktivität

Eng verbunden mit dem Problem der Flusseindämmung ist die Streuinduktivität. Wir haben bereits zu Beginn dieses Kapitels die nachteiligen Auswirkungen der Streuinduktivität auf die Spannungsregelung mit SPICE-Simulationen gesehen. Da die Streuinduktivität einer in Reihe mit der Wicklung des Transformators geschalteten Induktivität entspricht, manifestiert sie sich als Reihenimpedanz mit der Last.

Je mehr Strom die Last verbraucht, desto weniger Spannung steht an den Sekundärwicklungsanschlüssen zur Verfügung. Normalerweise wird beim Transformatordesign eine gute Spannungsregelung gewünscht, aber es gibt außergewöhnliche Anwendungen.

Wie bereits erwähnt, benötigen Entladungsbeleuchtungsstromkreise einen Aufwärtstransformator mit „loser“ (schlechter) Spannungsregelung, um eine reduzierte Spannung nach der Bildung eines Lichtbogens durch die Lampe zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, dieses Konstruktionskriterium zu erfüllen, besteht darin, den Transformator mit Streuflusspfaden zu konstruieren, damit der magnetische Fluss die Sekundärwicklung(en) umgeht.

Der resultierende Streufluss erzeugt Streuinduktivität, die wiederum die schlechte Regulierung erzeugt, die für die Entladungsbeleuchtung erforderlich ist.

Kernsättigung

Transformatoren sind auch in ihrer Leistung durch die Beschränkungen des magnetischen Flusses des Kerns eingeschränkt. Bei Transformatoren mit ferromagnetischem Kern müssen wir die Sättigungsgrenzen des Kerns beachten.

Denken Sie daran, dass ferromagnetische Materialien keine unendlichen magnetischen Flussdichten vertragen können:Sie neigen dazu, sich auf einem bestimmten Niveau zu „sättigen“ (vorgegeben durch die Material- und Kernabmessungen), was bedeutet, dass eine weitere Erhöhung der magnetischen Feldstärke (mmf) nicht zu einer proportionalen Erhöhung der magnetischen . führt Feldfluss (Φ).

Wenn die Primärwicklung eines Transformators durch eine zu hohe angelegte Spannung überlastet wird, kann der Kernfluss während der Spitzenmomente des AC-Sinuswellenzyklus Sättigungsniveaus erreichen. In diesem Fall entspricht die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung nicht mehr der Wellenform der Spannung, die die Primärspule versorgt.

Mit anderen Worten, der überlastete Transformator wird verzerren die Wellenform von der Primär- zur Sekundärwicklung, wodurch Oberwellen im Ausgang der Sekundärwicklung erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, verursacht der Oberwellengehalt in Wechselstromnetzen normalerweise Probleme.

Spitzentransformatoren

Spezielle Transformatoren, bekannt als Peaking-Transformatoren nutzen dieses Prinzip, um kurze Spannungsimpulse in der Nähe der Spitzen der Wellenform der Quellenspannung zu erzeugen. Der Kern ist für eine schnelle und starke Sättigung bei Spannungspegeln weit unter dem Spitzenwert ausgelegt.

Dies führt zu einer stark beschnittenen Sinuswellen-Flusswellenform und sekundären Spannungsimpulsen nur, wenn sich der Fluss ändert (unterhalb des Sättigungspegels):

Spannungs- und Flusswellenformen für einen Peaking-Transformator.

Betrieb bei niedrigeren Frequenzen als normal

Eine weitere Ursache für eine abnormale Sättigung des Transformatorkerns ist der Betrieb bei niedrigeren Frequenzen als normal. Wenn beispielsweise ein Leistungstransformator, der für den Betrieb mit 60 Hz ausgelegt ist, stattdessen gezwungen wird, mit 50 Hz zu arbeiten, muss der Fluss höhere Spitzenwerte als zuvor erreichen, um die gleiche Gegenspannung zu erzeugen, die zum Ausgleich gegen die Quellenspannung erforderlich ist.

Dies gilt selbst dann, wenn die Quellenspannung dieselbe ist wie zuvor.

Magnetischer Fluss ist in einem Transformatorkern, der mit 50 Hz betrieben wird, höher als bei 60 Hz bei gleicher Spannung.

Da die momentane Wicklungsspannung proportional zur Änderungsrate des momentanen magnetischen Flusses ist In einem Transformator erfordert eine Spannungswellenform, die denselben Spitzenwert erreicht, aber eine längere Zeit benötigt, um jede Halbwelle abzuschließen, dass der Fluss die gleiche Änderungsrate wie zuvor beibehält, jedoch für längere Zeiträume.

Wenn der Fluss also mit der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor, jedoch über längere Zeiträume, ansteigen muss, steigt er auf einen größeren Spitzenwert.

Mathematisch ist dies ein weiteres Beispiel für Infinitesimalrechnung in Aktion. Da die Spannung proportional zur Änderungsrate des Flusses ist, sagen wir, dass die Spannungswellenform die Ableitung . ist der Flusswellenform, wobei "Ableitung" die Berechnungsoperation ist, die eine mathematische Funktion (Wellenform) in Bezug auf die Änderungsrate einer anderen definiert.

Wenn wir jedoch die entgegengesetzte Perspektive einnehmen und die ursprüngliche Wellenform mit ihrer Ableitung in Beziehung setzen, können wir die ursprüngliche Wellenform das Integral nennen der abgeleiteten Wellenform. In diesem Fall ist die Spannungswellenform die Ableitung der Flusswellenform und die Flusswellenform ist das Integral der Spannungswellenform.

Das Integral jeder mathematischen Funktion ist proportional zur akkumulierten Fläche unter der Kurve dieser Funktion. Da jede Halbwelle der 50-Hz-Wellenform mehr Fläche zwischen sich und der Nulllinie des Diagramms ansammelt als die 60-Hz-Wellenform – und wir wissen, dass der magnetische Fluss das Integral der Spannung ist – erreicht der Fluss höhere Werte in die Abbildung unten.

Der Fluss, der sich mit der gleichen Rate ändert, steigt bei 50 Hz auf ein höheres Niveau als bei 60 Hz.

Eine weitere Ursache für die Sättigung des Transformators ist das Vorhandensein von Gleichstrom in der Primärwicklung. Jede Menge an Gleichspannung, die über die Primärwicklung eines Transformators abfällt, verursacht einen zusätzlichen magnetischen Fluss im Kern. Dieser zusätzliche Fluss-„Bias“ oder „Offset“ bringt die Wellenform des Wechselflusses in einer Halbwelle näher an die Sättigung als in der anderen.

DC im Primärmodus verschiebt die Wellenformspitzen in Richtung der oberen Sättigungsgrenze.

Bei den meisten Transformatoren ist die Kernsättigung ein sehr unerwünschter Effekt, der durch gutes Design vermieden wird:Wicklungen und Kern so konstruieren, dass die magnetischen Flussdichten deutlich unter den Sättigungswerten bleiben.

Dadurch wird sichergestellt, dass die Beziehung zwischen mmf und während des gesamten Flusszyklus linearer ist, was gut ist, da es zu weniger Verzerrungen in der Magnetisierungsstromwellenform führt.

Außerdem bietet die Konstruktion des Kerns für niedrige Flussdichten einen sicheren Spielraum zwischen den normalen Flussspitzen und den Kernsättigungsgrenzen, um gelegentliche, anormale Bedingungen wie Frequenzschwankungen und DC-Offset zu berücksichtigen.

Einschaltstrom

Wenn ein Transformator zum ersten Mal an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, kann es zu einem erheblichen Stromstoß durch die Primärwicklung kommen, der als Einschaltstrom bezeichnet wird . Dies entspricht dem Einschaltstrom eines Elektromotors, der durch plötzliches Anschließen an eine Stromquelle gestartet wird, obwohl der Einschaltstrom des Transformators durch ein anderes Phänomen verursacht wird.

Wir wissen, dass die Änderungsrate des momentanen Flusses in einem Transformatorkern proportional zum momentanen Spannungsabfall an der Primärwicklung ist. Oder, wie bereits erwähnt, die Spannungswellenform ist die Ableitung der Flusswellenform und die Flusswellenform ist das Integral der Spannungswellenform.

Bei einem kontinuierlich arbeitenden Transformator sind diese beiden Wellenformen um 90° phasenverschoben. Da der Fluss (Φ) proportional zur magnetomotorischen Kraft (mmf) im Kern ist und mmf proportional zum Wicklungsstrom ist, ist die Stromwellenform mit der Flusswellenform gleichphasig und beide eilen der Spannungswellenform um 90 . nach °:

Kontinuierlicher stationärer Betrieb:Der magnetische Fluss eilt wie der Strom der angelegten Spannung um 90° nach.

Nehmen wir an, die Primärwicklung eines Transformators wird genau in dem Moment, in dem die Momentanspannung ihren positiven Scheitelwert erreicht hat, plötzlich an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen.

Damit der Transformator einen gegen diese angelegte Quellenspannung ausgleichenden Spannungsabfall erzeugt, muss ein Magnetfluss mit schnell ansteigendem Wert erzeugt werden. Das Ergebnis ist, dass der Wicklungsstrom schnell ansteigt, aber eigentlich nicht schneller als unter normalen Bedingungen:

Anschließen des Transformators an die Leitung bei AC-Spannungsspitze:Der Fluss steigt schnell von Null an, genau wie im stationären Betrieb.

Sowohl der Kernfluss als auch der Spulenstrom beginnen bei Null und bauen sich zu den gleichen Spitzenwerten auf, die während des Dauerbetriebs erfahren werden. Daher gibt es in diesem Szenario keinen „Surge“ oder „Inrush“ oder Strom.

Betrachten wir alternativ, was passiert, wenn der Anschluss des Transformators an die Wechselspannungsquelle genau zu dem Zeitpunkt erfolgt, an dem die Momentanspannung Null ist.

Im Dauerbetrieb (wenn der Transformator längere Zeit mit Strom versorgt wurde) ist dies der Zeitpunkt, an dem sowohl der Fluss als auch der Wicklungsstrom ihre negativen Spitzenwerte aufweisen und keine Änderungsgeschwindigkeit aufweisen (dΦ/dt =0 und di/ dt =0).

Wenn die Spannung ihre positive Spitze erreicht, bauen sich die Fluss- und Stromwellenformen auf ihre maximalen positiven Änderungsraten auf und aufwärts zu ihren positiven Spitzen, wenn die Spannung auf ein Niveau von Null absinkt:

Der Start bei e=0 V ist nicht dasselbe wie der kontinuierliche Betrieb in der obigen Abbildung. Diese erwarteten Wellenformen sind falsch – Φ und ich sollte bei Null beginnen.

Es besteht jedoch ein signifikanter Unterschied zwischen dem Dauerbetrieb und dem in diesem Szenario angenommenen plötzlichen Startzustand:Während des Dauerbetriebs waren die Fluss- und Stromwerte auf ihren negativen Spitzen, wenn die Spannung ihre Nullpunkte hatte; in einem Transformator, der im Leerlauf gestanden hat, sollten jedoch sowohl der magnetische Fluss als auch der Wicklungsstrom bei Null beginnen .

Wenn der magnetische Fluss als Reaktion auf eine ansteigende Spannung ansteigt, steigt er von Null nach oben an, nicht von einem zuvor negativen (magnetisierten) Zustand, wie wir es normalerweise bei einem Transformator haben würden, der eine Weile mit Strom versorgt wurde.

In einem Transformator, der gerade „anläuft“, erreicht der Fluss also ungefähr das Doppelte seiner normalen Spitzengröße, wenn er den Bereich unter der ersten Halbwelle der Spannungswellenform „integriert“:

Beginnend bei e=0 V beginnt Φ bei der Anfangsbedingung Φ=0 und steigt auf das Doppelte des Normalwertes an, vorausgesetzt, es sättigt den Kern nicht.

In einem idealen Transformator würde der Magnetisierungsstrom ebenfalls auf ungefähr das Doppelte seines normalen Spitzenwerts ansteigen, wodurch die erforderliche mmf erzeugt wird, um diesen über dem normalen Fluss liegenden Fluss zu erzeugen.

Die meisten Transformatoren sind jedoch nicht mit einem ausreichenden Spielraum zwischen normalen Flussspitzen und den Sättigungsgrenzen ausgelegt, um eine Sättigung in einem solchen Zustand zu vermeiden, und so wird der Kern während dieser ersten Spannungshalbwelle mit ziemlicher Sicherheit gesättigt.

Während der Sättigung werden überproportionale Mengen von mmf benötigt, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen. Dies bedeutet, dass der Wicklungsstrom, der die mmf erzeugt, um einen Fluss im Kern zu verursachen, überproportional auf einen Wert ansteigt, der leicht über liegt doppelt so hoch wie normal:

Ab e=0 V steigt der Strom auch auf das Doppelte des Normalwertes für einen ungesättigten Kern oder erheblich höher im (für) Sättigungsfall.

Dies ist der Mechanismus, der einen Einschaltstrom in der Primärwicklung eines Transformators verursacht, wenn er an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. Wie Sie sehen, hängt die Höhe des Einschaltstroms stark von der genauen Zeit ab, zu der die elektrische Verbindung zur Quelle hergestellt wird.

Wenn der Transformator im Moment des Anschlusses an die Quelle einen Restmagnetismus in seinem Kern hat, könnte der Einschaltstrom noch schwerwiegender sein. Aus diesem Grund handelt es sich bei Transformator-Überstromschutzvorrichtungen in der Regel um „träge“, um Stromstöße wie diese zu tolerieren, ohne den Stromkreis zu öffnen.

Hitze und Lärm

Neben unerwünschten elektrischen Effekten können Transformatoren auch unerwünschte physikalische Effekte aufweisen, wobei die bemerkenswerteste Wärme- und Geräuschentwicklung ist. Rauschen ist in erster Linie ein störender Effekt, aber Hitze ist ein potenziell ernstes Problem, da die Wicklungsisolierung beschädigt wird, wenn sie überhitzt.

Die Erwärmung kann durch ein gutes Design minimiert werden, indem sichergestellt wird, dass der Kern nicht in die Sättigung gelangt, Wirbelströme minimiert werden und die Wicklungen nicht überlastet oder zu nahe an der maximalen Strombelastbarkeit betrieben werden.

Bei großen Leistungstransformatoren werden der Kern und die Wicklungen in ein Ölbad getaucht, um Wärme und Geräusche zu dämpfen und auch Feuchtigkeit zu verdrängen, die andernfalls die Integrität der Wicklungsisolierung beeinträchtigen würde.

Wärmeableitende „Heizkörper“-Rohre an der Außenseite des Transformatorgehäuses bieten einen konvektiven Ölströmungspfad, um Wärme vom Transformatorkern an die Umgebungsluft zu übertragen:

Große Leistungstransformatoren werden in wärmeableitendes Isolieröl getaucht.

Öllose oder „trockene“ Transformatoren werden oft im Hinblick auf den maximalen „Anstieg“ der Betriebstemperatur (Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur hinaus) nach einem Buchstabenklassensystem bewertet:A, B, F oder H. Diese Buchstabencodes sind angeordnet in der Reihenfolge von der niedrigsten bis zur höchsten Hitzetoleranz:

• Klasse A: Nicht mehr als 55° Celsius Wicklungstemperaturanstieg bei 40° Celsius (maximal) Umgebungslufttemperatur.
• Klasse B: Nicht mehr als 80° Celsius Wicklungstemperaturanstieg bei 40° Celsius (maximal) Umgebungstemperatur.
• Klasse F: Nicht mehr als 115° Celsius Wicklungstemperaturanstieg bei 40° Celsius (maximal) Umgebungstemperatur.
• Klasse H: Nicht mehr als 150° Celsius Wicklungstemperaturanstieg bei 40° Celsius (maximal) Umgebungstemperatur.

Hörbares Rauschen ist ein Effekt, der hauptsächlich auf das Phänomen der Magnetostriktion zurückgeht :die leichte Längenänderung, die ein ferromagnetisches Objekt bei Magnetisierung zeigt.

Das bekannte "Brummen", das bei großen Leistungstransformatoren zu hören ist, ist das Geräusch des sich ausdehnenden und zusammenziehenden Eisenkerns bei 120 Hz (zweimal die Systemfrequenz, die in den Vereinigten Staaten 60 Hz beträgt) - ein Zyklus der Kernkontraktion und -expansion für jede Spitze von die Wellenform des magnetischen Flusses – plus Rauschen, das durch mechanische Kräfte zwischen Primär- und Sekundärwicklung erzeugt wird.

Auch hier ist die Aufrechterhaltung eines niedrigen magnetischen Flussniveaus im Kern der Schlüssel zur Minimierung dieses Effekts, was erklärt, warum ferroresonante Transformatoren – die für einen großen Teil der Stromwellenform in Sättigung arbeiten müssen – sowohl heiß als auch geräuschvoll arbeiten.

Verluste aufgrund magnetischer Wicklungskräfte

Ein weiteres geräuscherzeugendes Phänomen bei Leistungstransformatoren ist die physikalische Reaktionskraft zwischen Primär- und Sekundärwicklung bei starker Belastung.

Wenn die Sekundärwicklung offen ist, fließt kein Strom durch sie und folglich wird keine magnetomotorische Kraft (mmf) von ihr erzeugt. Wenn die Sekundärwicklung jedoch „belastet“ ist (derzeit einer Last zugeführt), erzeugt die Wicklung ein mmf, dem ein „reflektiertes“ mmf in der Primärwicklung entgegenwirkt, um eine Änderung des Kernflussniveaus zu verhindern.

Diese entgegengesetzten mmfs, die zwischen Primär- und Sekundärwicklung als Ergebnis des Sekundär-(Last-)Stroms erzeugt werden, erzeugen eine abstoßende, physikalische Kraft zwischen den Wicklungen, die dazu neigen, sie in Schwingung zu versetzen.

Transformatorenkonstrukteure müssen diese physikalischen Kräfte bei der Konstruktion der Wickelspulen berücksichtigen, um eine ausreichende mechanische Unterstützung für die Belastungen zu gewährleisten. Unter schweren Lastbedingungen (hoher Strom) können diese Belastungen jedoch groß genug sein, um hörbare Geräusche vom Transformator zu verursachen.

RÜCKBLICK:

• Leistungstransformatoren sind in der Leistung begrenzt, die sie von der Primär- zur Sekundärwicklung(en) übertragen können. Große Einheiten werden normalerweise in VA (Voltampere) oder kVA (Kilovoltampere) bewertet.
• Widerstand in Transformatorwicklungen trägt zur Ineffizienz bei, da Strom Wärme ableitet und Energie verschwendet.
• Magnetische Effekte im Eisenkern eines Transformators tragen ebenfalls zur Ineffizienz bei. Zu den Effekten gehören Wirbelströme (zirkulierende Induktionsströme im Eisenkern) und Hysterese (Leistungsverlust aufgrund der Überwindung der Tendenz von Eisen, in eine bestimmte Richtung zu magnetisieren).
• Erhöhte Frequenz führt zu erhöhten Leistungsverlusten innerhalb eines Leistungstransformators. Das Vorhandensein von Oberwellen in einem Stromsystem ist eine Quelle für Frequenzen, die erheblich höher als normal sind, was bei großen Transformatoren zu Überhitzung führen kann.
• Sowohl Transformatoren als auch Induktoren weisen aufgrund der Drahtisolierung (Dielektrikum) bestimmte unvermeidbare Kapazitäten auf, die die Wicklungswindungen vom Eisenkern und voneinander trennt. Diese Kapazität kann groß genug sein, um dem Transformator eine natürliche Resonanzfrequenz zu verleihen , was bei Signalanwendungen problematisch sein kann.
• Streuinduktivität wird dadurch verursacht, dass der magnetische Fluss nicht zu 100 % zwischen den Wicklungen in einem Transformator gekoppelt ist. Alle Flussmittel, die nicht an der Übertragung beteiligt sind Energie von einer Wicklung zur anderen speichert und gibt Energie ab, so funktioniert (Selbst-)Induktivität. Die Streuinduktivität verschlechtert tendenziell die Spannungsregelung eines Transformators (die Sekundärspannung „hängt“ bei einem bestimmten Laststrom stärker ab).
• Magnetische Sättigung eines Transformatorkerns kann durch eine zu hohe Primärspannung, einen Betrieb mit einer zu niedrigen Frequenz und/oder durch das Vorhandensein eines Gleichstroms in einer der Wicklungen verursacht werden. Die Sättigung kann durch ein konservatives Design minimiert oder vermieden werden, das einen angemessenen Sicherheitsspielraum zwischen den Spitzenwerten der magnetischen Flussdichte und den Sättigungsgrenzen des Kerns bietet.
• Transformatoren unterliegen oft erheblichen Einschaltströmen beim erstmaligen Anschluss an eine Wechselspannungsquelle. Der Einschaltstrom ist am stärksten, wenn die Verbindung zur AC-Quelle in dem Moment hergestellt wird, in dem die momentane Quellenspannung Null ist.
• Rauschen ist ein häufiges Phänomen bei Transformatoren – insbesondere bei Leistungstransformatoren – und wird hauptsächlich durch Magnetostriktion verursacht des Kerns. Physikalische Kräfte, die Wicklungsvibrationen verursachen, können auch unter Bedingungen hoher (Hochstrom-) Sekundärwicklungslast Geräusche erzeugen.