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A Transformator ist eine Vorrichtung, die bringt elektrische Energie von einem Stromkreis zu anderen durch induktiv verbunden elektrische Leiter. Ein Ändern gegenwärtig im ersten Stromkreis ( hauptsächlich) verursacht ein Ändern magnetisch auffangen; der Reihe nach fangen dieses magnetische auf verursacht eine ändernde Spannung im zweiten Stromkreis ( zweitens). Durch das Addieren von a Last zum Sekundärstromkreis kann man gegenwärtigen Fluß in den Transformator bilden und Energie von einem Stromkreis auf den anderen so bringen.
Die verursachte Sekundärspannung VS, von einem idealen Transformator, wird vom Primär eingestuft VP durch einen Faktor gleich dem Verhältnis der Zahl Umdrehungen der Leitung in ihren jeweiligen Wicklungen:
Durch passende Vorwähler der Zahlen Umdrehungen, erlaubt ein Transformator folglich Wechselspannung - durch das Bilden gesteigert werden NS mehr als NP - oder unten getreten, durch es weniger bilden.
Transformatoren sind einige von den die meisten leistungsfähig elektrische „Maschinen“,[1] mit einigen großen Maßeinheiten fähig, 99.75% ihrer zugeführten Energie auf ihren Ausgang zu bringen.[2] Transformatoren kommen in eine Strecke der Größen von einem thumbnail-sortierten verbindentransformator, der innerhalb eines Stadiums versteckt wird Mikrophon zu den sehr großen Maßeinheiten verwendete das Wiegen von Hunderten Tonnen, Teile des Staatsangehörigen zusammenzuschalten Energie Rasterfelder. Alle funktionieren mit den gleichen Grundprinzipien, obwohl eine Vielzahl von Designs besteht, um fachkundige Rollen während des Hauses und der Industrie durchzuführen.
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Eine Schlüsselanwendung der Transformatoren ist, Spannung vorher zu erhöhen übertragende elektrische Energie lange übermäßigabstände durch Leitungen. Die meisten Leitungen haben Widerstand und zerstreuen Sie so elektrische Energie mit einer Rate, die zum Quadrat des Stromes durch die Leitung proportional ist. Durch das Umwandeln elektrische Energie zu einer Hochspannungs- (und folglich low-current) Form für Getriebe und Rückseite wieder danach, ermöglichen Transformatoren ökonomisches Getriebe der Energie lange übermäßigabstände. Infolgedessen haben Transformatoren geformt Elektrizität Versorgungsmaterial-Industrie, ermöglichend Erzeugung von den Punkten von entfernt sich befinden Nachfrage.[3] Alle aber ein Bruch der Welt elektrische Energie hat durch eine Reihe Transformatoren überschritten, bis sie den Verbraucher erreicht.[4] Transformatoren werden weitgehend in den elektronischen Produkten des Verbrauchers step-down die Versorgungsmaterial-Spannung zu einem Niveau benutzt, das für die Niederspannung Stromkreise verwendbar ist, die sie enthalten. In diesen kann Art von Anwendungen der Transformator als ein Schlüsselsicherheit Bestandteil auch dienen, der elektrisch den Endbenutzer vom direkten Kontakt mit der möglicherweise lebensgefährlichen Versorgungsmaterial-Spannung lokalisiert.
Signal und Audiotransformatoren werden, um Stadien der Verstärker zu verbinden benutzt und Vorrichtungen wie Mikrophone und Plattenspielerpatronen zum Eingang Widerstand der Verstärker zusammenzubringen. Audiotransformatoren ließen Fernsprechleitungen ein Zweiweggespräch über einem einzelnen Paar Leitungen weitermachen. Transformatoren werden auch, wenn es notwendig ist, ein Differentialmodus Signal zu einem Boden-bezogenen Signal zu verbinden, und für Lokalisierung zwischen externen Kabeln und internen Stromkreisen benutzt.
Der Transformator basiert auf zwei Grundregeln: erstens daß elektrischer Strom kann a produzieren magnetisch fangen Sie auf (Elektromagnetismus) und zweitens das, die ein Ändern magnetisch innerhalb einer Spule der Leitung auffangen, verursacht eine Spannung über den Enden der Spule (elektromagnetische Induktion). Indem es den Strom in der Primärspule ändert, ändert es die Stärke von seinem magnetischen auffängt; da das Ändern magnetisch verlängert in die Sekundärspule, eine Spannung wird verursacht über dem Sekundär auffangen.
Ein vereinfachtes Transformatordesign wird nach links gezeigt. Ein gegenwärtiges Überschreiten durch die Primärspule verursacht a magnetisch fangen Sie auf. Die Primär- und Sekundärspulen werden um einen Kern von sehr stark aufgewickelt magnetische Permeabilität, wie Eisen; dieses stellt sicher, daß die meisten vom magnetischen die Linien auffangen, die durch den Primärstrom produziert werden, sind innerhalb des Eisens und überschreiten durch die Sekundärspule sowie die Primärspule.
Die Spannung, die über der Sekundärspule verursacht wird, kann von errechnet werden Gesetz Faraday der Induktion, das das angibt:
wo VS ist das blitzschnelle Spannung, NS ist die Zahl Umdrehungen in der Sekundärspule und Φ entspricht magnetischer Fluß durch eine Umdrehung der Spule. Wenn die Umdrehungen der Spule orientiertes Senkrechtes zum magnetischen sind, fangen Sie Linien, der Fluß ist das Produkt von auf magnetisch fangen Sie auf Stärke B und der Bereich A durch, welches es schneidet. Der Bereich ist konstant und ist dem Querschnittsbereich des Transformatorkernes gleich, während die magnetischen schwankt mit Zeit entsprechend der Erregung vom Primär auffangen. Da der gleiche magnetische Fluß durch die Primär- und Sekundärspulen in einem idealen Transformator überschreitet,[1] die blitzschnelle Spannung über den Primärwicklung Gleichgestellten
Nehmen des Verhältnisses der zwei Gleichungen für VS und VP gibt die grundlegende Gleichung[5] für das Steigern oder das Treten hinunter die Spannung
Wenn die Sekundärspule zu einer Last angebracht wird, die Strom fließen läßt, wird elektrische Energie vom Primärstromkreis dem Sekundärstromkreis übermittelt. Ideal ist der Transformator tadellos leistungsfähig; alle ankommende Energie wird vom Primärstromkreis zu umgewandelt magnetisch fangen Sie auf und in den Sekundärstromkreis. Wenn diese Bedingung getroffen wird, das ankommende elektrische Leistung muß der abgehenden Energie entsprechen.
Geben der idealen Transformatorgleichung
Wenn die Spannung erhöht wird (gesteigert) (VS > VP), dann wird der Strom verringert (unten getreten) (IS < IP) durch den gleichen Faktor. Transformatoren sind leistungsfähig, also ist diese Formel ein angemessener Näherungswert.
Der Widerstand in einem Stromkreis wird durch umgewandelt Quadrat vom Umdrehungen Verhältnis.[1] Z.B. wenn ein Widerstand ZS wird über den Anschlüssn der Sekundärspule, es scheint zum Primärstromkreis, einen Widerstand von zu haben angebracht . Dieses Verhältnis ist, damit der Widerstand wechselseitig ZP vom Primärstromkreis scheint zum Sekundär, zu sein .
Die vereinfachte Beschreibung oben vernachlässigt einige erschwerende Faktoren, insbesondere fangen der Primärstrom, der erfordert wird, ein magnetisches herzustellen, im Kern auf, und im Beitrag zu auffangene wegen des Stromes im Sekundärstromkreis.
Modelle eines idealen Transformators nehmen gewöhnlich einen Kern von unwesentlichem an Abneigung mit zwei Wicklungen von null Widerstand.[6] Wenn eine Spannung an der Primärwicklung angewendet wird, die kleinen gegenwärtigen Flüsse, fahrend Fluß um magnetischer Stromkreis vom Kern.[6]. Der Strom, der erfordert wird, um den Fluß zu verursachen, wird benannt magnetisierender Strom; da der ideale Kern angenommen worden ist, um nahe-null Abneigung zu haben, ist der magnetisierende Strom unwesentlich, obgleich noch erfordert, um das magnetische zu verursachen, auffangen.
Das Ändern magnetisch fangen verursacht auf elektromotorische Kraft (EMF) über jeder Wicklung.[7] Da die idealen Wicklungen keinen Widerstand haben, haben sie keinen verbundenen Spannungsabfall und so die Spannungen VP und VS gemessen an den Anschlüssn des Transformators, gleich dem entsprechenden EMFs. Das Primär-EMF, dienend, als es in der Opposition zur Primärspannung tut, wird benannt manchmal „rückseitiges EMF".[8] Dieses liegt an Gesetz Lenzs welche Zustände, daß die Induktion von EMF immer so sein würde, daß sie Entwicklung irgend solcher änderung in magnetischem entgegensetzt, auffangen.
Das ideale Transformatormodell nimmt, daß aller Fluß, der durch die Primärwicklung erzeugt wird, alle Umdrehungen jeder Wicklung verbindet, einschließlich sich an. In der Praxis überquert etwas Fluß Wege, die ihn außerhalb der Wicklungen nehmen.[9] Solcher Fluß wird benannt Durchsickernflußund Resultate innen Self-inductance in Reihe mit den gegenseitig verbundenen Transformatorwicklungen.[8] Durchsickern ergibt die Energie wechselnd innen speichernd und von entladen Magnetfelder mit jedem Zyklus des Spg.Versorgungsteils. Es ist nicht direkt ein Leistungsabfall, aber ergibt Untergebenes Spannung Regelung, die Sekundärspannung veranlassend zum Primär, besonders unter schwerer Last proportional direkt sein nicht zu können.[9] Verteilung Transformatoren sind folglich normalerweise entworfen, um zu haben sehr niedrig Durchsickerninduktanz.
Jedoch in einigen Anwendungen, kann Durchsickern eine wünschenswerte Eigenschaft sein, und lange magnetische Wege, Luftfunkenstrecken oder magnetische überbrückung Shunts können zum Design eines Transformators absichtlich eingeführt werden, um zu begrenzen Kurzschluß Strom, den er liefert.[8] Undichte Transformatoren können benutzt werden, um Lasten zu liefern, die ausstellen negativer Widerstand, wie Lichtbögen, Quecksilberdampflampenund Neonzeichen; oder für Lasten sicher anfassen, die werden, schloß regelmäßig wie kurz Lichtbogenschweißer.[10] Luftfunkenstrecken werden auch verwendet, um einen Transformator vom Sättigen, besonders Audiofrequenztransformatoren in den Stromkreisen zu halten, die einen Gleichstrom haben, die Wicklungen durchzufließen.
Die Zeitableitung Bezeichnung innen Gesetz Faraday zeigt, daß der Fluß im Kern ist integral von der angewandten Spannung.[11] Hypothetisch würde ein idealer Transformator mit Gleichstromerregung arbeiten, wenn der Kernfluß sich linear mit Zeit erhöht.[12] In der Praxis der Fluß sehr schnell zum Punkt wohin steigen würde magnetische Sättigung vom Kern trat auf und verursachte eine sehr große Zunahme, zu magnetisieren gegenwärtig und den Transformator zu überhitzen. Alle praktischen Transformatoren müssen unter wechselnden (oder pulsiert) gegenwärtigen Bedingungen folglich funktionieren.[12]
Universal-EMF Gleichung des Transformators
Wenn der Fluß im Kern ist sinusförmig, das Verhältnis für jede Wicklung zwischen seinem Effektivwert Spannung der Wicklung Eund die Netzfrequenz f, Zahl von Umdrehungen N, entkernen Sie Querschnittsbereich a und Spitze magnetische Flußdichte B wird durch die Universal-EMF Gleichung gegeben:[6]
Das EMF eines Transformators an einer gegebenen Flußdichte erhöht sich mit Frequenz.[6] Indem sie bei höheren Frequenzen funktionieren, können Transformatoren physikalisch kompakter sein, weil ein gegebener Kern in der Lage ist, mehr Energie ohne erreichende Sättigung zu bringen, und wenige Umdrehungen sind erforderlich, den gleichen Widerstand zu erzielen. Jedoch Eigenschaften wie Kernverlust und -leiter Hauteffekt erhöhen Sie auch sich mit Frequenz. Flugzeug und militärische Ausrüstung setzen 400 Hz Spg.Versorgungsteile ein, die Kern- und Wicklungsgewicht verringern.[13]
Betrieb eines Transformators an seiner entworfenen Spannung aber bei einer höheren Frequenz als beabsichtigt führt zu verringert, Strom zu magnetisieren. An eine Frequenz niedriger als der Designwert, wenn die steuerpflichtige Spannung angewendet ist, erhöht sich der magnetisierende Strom. Betrieb eines Transformators bei anders als seiner Designfrequenz kann Einschätzung von Spannungen, von Verlusten und von Abkühlen erfordern, um herzustellen, wenn sicherer Betrieb praktisch ist. Z.B. können Transformatoren mit „Volt pro Hz“ Übererregung ausgerüstet werden müssen Relais den Transformator vor überspannung bei stark als Nennfrequenz schützen.
Wissen der natürlichen Frequenzen der Transformatorwicklungen ist vom Wert für die Ermittlung der übergangsfunktion der Wicklungen zu den Antrieb- und SchaltungsSpannungsstößen.
Ein idealer Transformator würde keine Energieverluste haben, und würde folglich leistungsfähiges 100% sein. In den praktischen Transformatoren, die Energie in die Wicklungen zerstreut wird, und umgebende Strukturen entkernend Sie. Größere Transformatoren sind im Allgemeinen leistungsfähiger, und die, die für Elektrizität Verteilung führen veranschlagen werden normalerweise, besser als 98% durch.[14]
Experimentelles Transformatorverwenden Superconducting Wicklungen, die Leistungsfähigkeiten von 99.85% erzielen,[15] Während die Zunahme der Leistungsfähigkeit klein ist, wenn sie auf große schwer-geladene Transformatoren zugetroffen werden, ist die jährlichen Sparungen in den Energieverlusten bedeutend.
Ein kleiner Transformator, wie ein Einsteck „Wandwarze„die Art, die für Niederleistungsverbraucherelektronik benutzt wird, kann no more als leistungsfähiges 85% sein; obgleich einzelner Leistungsabfall klein ist, kommt die gesamten Verluste von der sehr großen Zahl solchen Vorrichtungen unter erhöhte Nachforschung.[16]
Die Verluste schwanken mit Last Strom und können als „Leerlauf-“ oder „full-load“ Verlust ausgedrückt werden. Wicklung Widerstand beherrscht Last Verluste, während Hysteresis und Wirbelströme Verluste tragen bis über 99% des Leerlaufverlustes bei. Der Leerlaufverlust kann bedeutend sein und bedeuten, daß sogar ein untätiger Transformator einen Abfluß auf einem elektrischen Versorgungsmaterial festsetzt, das Entwicklung der dämpfungsärmen Transformatoren anregt (sehen Sie auch Energiesparender Transformator).[17]
Transformatorverluste werden in Verluste in den Wicklungen geteilt, benannt kupferner Verlustund die im magnetischen Stromkreis, manchmal benannt Eisenverlust. Verluste im Transformator entstehen aus:
Die körperlichen Beschränkungen des praktischen Transformators können als Ersatzschaltbildmodell zusammengebracht werden (unten gezeigt worden) errichtet um einen idealen lossless Transformator.[19] Leistungsabfall in den Wicklungen ist gegenwärtig-abhängig und wird leicht als in Serien Widerstände dargestellt RP und RS. Schmelzen Sie Durchsickernresultate in einem Bruch der angewandten Spannung, die fallengelassen wird, ohne zum Transformatorkupplungs beizutragen und kann wie folglich, modelliert werden Self-inductances XP und XS in der Reihe mit der vollkommen-verbundenen Region.
Eisenverluste werden meistens durch Hysteresis und Wirbelstromeffekte im Kern verursacht, und neigen, zum Quadrat des Kernflusses für Betrieb bei einer gegebenen Frequenz proportional zu sein.[20] Da der Kernfluß zur angewandten Spannung proportional ist, kann der Eisenverlust durch einen Widerstand dargestellt werden RC parallel zu dem idealen Transformator.
Ein Kern mit begrenztem Permeabilität erfordert einen magnetisierenden Strom IM den gegenseitigen Fluß im Kern beibehalten. Der magnetisierende Strom ist in der Phase mit dem Fluß; Sättigung Effekte veranlassen das Verhältnis zwischen den zwei, nicht linear zu sein, aber für Einfachheit neigt dieser Effekt, in den meisten Stromkreisäquivalenten ignoriert zu werden.[20] Mit a sinusförmig Versorgungsmaterial, die Kernflußsträflinge das verursachte EMF durch 90° und dieser Effekt können als magnetisierende Reaktanz modelliert werden XM in ähnlichkeit mit dem Kernverlustbestandteil. RC und XM werden manchmal zusammen benannt magnetisierende Niederlassung vom Modell. Wenn die Sekundärwicklung Öffnenstromkreis gebildet wird, der Strom I0 genommen durch die magnetisierende Niederlassung stellt den Leerlaufstrom des Transformators dar.[19]
Das Sekundär Widerstand RS und XS wird häufig (verschoben oder „verwiesen“), auf die Primärseite, nachdem man die Bestandteile mit dem WiderstandNormierungsfaktor multipliziert hat .
Das resultierende Modell wird manchmal „fordern Ersatzschaltbild“, obwohl es eine Anzahl von Näherungswerten behält, wie einer Annahme von benannt Linearitäten.[19] Analyse kann vereinfacht werden, indem man die magnetisierende Niederlassung auf der linken Seite des Primärwiderstands, einer impliziten Annahme, daß der magnetisierende Strom niedrig ist, und die Primär- und verwiesenen Sekundärwiderstände dann summieren, mit dem Ergebnis des sogenannten gleichwertigen Widerstands verschiebt.
Die Parameter des Ersatzschaltbildes eines Transformators können von den Resultaten zwei Transformatortests errechnet werden: Öffnenstromkreis Test und Kurzschlußtest.
Eine Vielzahl der fachkundigen Transformatordesigns ist verursacht worden, um bestimmte Technikanwendungen zu erfüllen, obwohl sie einige Allgemeinheiten teilen. Mehrere der wichtigeren Transformatorarten schließen ein:
Auto-Transformator hat nur eine einzelne Wicklung mit zwei Ende Anschlüssn, plus einen Third an einem Zwischenhahnpunkt. Die Primärspannung wird über zwei der Anschlüß angewendet und die Sekundärspannung genommen von einer von diesen und vom dritten Anschluß. Die Primär- und Sekundärstromkreise haben folglich eine Anzahl von Wicklungen Umdrehungen im Common.[21] Da ist die selben in beiden Wicklungen, jedes entwickelt eine Spannung im Verhaeltnis zu seiner Zahl von Umdrehungen sichdrehen Sie. Durch das Herausstellen des Teils der Wicklung Spulen und das Herstellen der Sekundärbeziehung durch ein Schieben Bürste, wird ein Auto-Transformator mit einem nahen-ununterbrochen variablen Umdrehungen Verhältnis erreicht und läßt sehr feine Steuerung der Spannung zu.[22]
Für dreiphasig Versorgungsmaterialien, eine Bank von drei einzelnen einphasigen Transformatoren können benutzt werden, oder alle drei Phasen können als einzelner Dreiphasentransformator enthalten werden. In diesem Fall werden die magnetischen Stromkreise zusammen, der Kern angeschlossen, der folglich einen Dreiphasenfluß des Flusses enthält.[23] Eine Anzahl von Wicklung Konfigurationen sind möglich und verursachen unterschiedliche Attribute und Phasenverschiebungen.[24] Eine bestimmte mehrphasige Konfiguration ist Zickzacktransformator, verwendet für Erdung und im Ausgleich von harmonisch Ströme.[25]
A Resonanz Transformator verwendet die Induktanz seiner Wicklungen im Verbindung mit den externen Kondensatoren, die in der Reihe oder in der ähnlichkeit mit den Wicklungen angeschlossen werden, und/oder die Kapazitanz der Wicklungen selbst, um eines oder mehrer zu verursachen Schwingkreise. Z.B. kann es die Induktanz der Primärwicklung in der Reihe mit einem Kondensator verwenden. Resonanz kann helfen, wenn sie ein sehr Hochspannungs über dem Sekundär erzielt. Resonanztransformatoren wie Tesla Spule kann sehr hohe Spannungen erzeugen, und ist in der Lage, viel höheren Strom als elektrostatische Hochspg.Erzeugung-Maschinen wie zur Verfügung zu stellen Van de Graaff Generator.[26] Eine andere Anwendung des Resonanztransformators ist, zwischen Stadien von a zu verbinden Superheterodyneempfänger, wo die Selektivität des Empfängers von abgestimmten Transformatoren in den Zwischen-frequenz Verstärkern zur Verfügung gestellt wird.[27]
Ein Durchsickerntransformator, auch genannt einen Streu-auffangene Transformator, hat ein erheblich höheres Durchsickerninduktanz als andere Transformatoren, manchmal erhöht durch eine magnetische überbrückung oder einen Shunt in seinem Kern zwischen Primär- und Sekundär, das mit einer Klemmschraube manchmal justierbar ist. Dieses versieht einen Transformator mit einer zugehörigen gegenwärtigen Beschränkung wegen der losen Koppelung zwischen seinem Primär- und den Sekundärwicklungen. Der Ausgang und die eingegebenen Ströme sind niedrig genug, thermische überlastung unter allen Last Zuständen zu verhindern - selbst wenn das Sekundär kurzgeschlossen wird.
Durchsickerntransformatoren werden für benutzt Elektroschweißen und Hochspannungsentladungslampen (kalte Kathode Leuchtstofflampen, die in Reihe geschaltete bis 7.5 KV Wechselstrom sind). Es dient dann als Spannung Transformator und als a magnetische Drossel.
Andere Anwendungen sind Kurz-Stromkreisbeweis Extra-niedrige Spannung Transformatoren für Spielwaren oder Türklingel Installationen.
A gegenwärtiger Transformator ist eine Maßvorrichtung, die entworfen ist, um einen Strom in seiner Sekundärspule zur Verfügung zu stellen, die zum gegenwärtigen Fließen in sein Primär proportional ist. Gegenwärtige Transformatoren sind innen allgemein verwendet Messen und schützendes Neu legen, wo sie das sichere Maß der großen Ströme erleichtern. Die Isolate Maß des gegenwärtigen Transformators und Steuerschaltkreis von den hohen Spannungen gewöhnlich vorhanden auf dem Stromkreis, der gemessen wird.[28]
Spannung Transformatoren (VTs)--auch gekennzeichnet als mögliche Transformatoren (PTS)--werden für das Messen und Schutz in den Hochspannungsstromkreisen verwendet. Sie sind, um unwesentliche Last dem Versorgungsmaterial darzustellen entworfen, das gemessen wird und ein exaktes Spannung Verhältnis zu den genau hohen Abwärtsspannungen, damit das Messen und schützende Relaisausrüstung zu haben an einem niedrigeren Potential bearbeitet werden können.[29]
Der viele Gebrauch, zu denen Transformatoren gesetzt werden, führt sie, in eine Anzahl von unterschiedlichen Weisen eingestuft zu werden:
Transformatoren für Gebrauch an der Energie oder Audiofrequenzen haben gewöhnlich die Kerne, die von der Höhe gebildet werden Permeabilität Silikonstahl.[30] Der Stahl hat eine Permeabilität viele Male, denen von freier Raumund der Kern dient folglich, den magnetisierenden Strom groß zu verringern und begrenzt den Fluß auf einem Weg, der nah die Wicklungen verbindet.[31] Frühe Transformatorentwickler stellten bald fest, daß die Kerne, die aus festem Eisen hergestellt wurden, kostspielige eddy-current Verluste ergaben, und ihre Designs schwächten diesen Effekt mit den Kernen ab, die Bündeln aus der Isoliereisenleitungen bestehen.[32] Neuere Designs konstruierten den Kern, indem sie Schichten dünne Stahllaminierungen, eine Grundregel stapelten, die gebräuchlich geblieben ist. Jede Laminierung wird von seinen Nachbarn durch eine dünne nichtleitende Schicht Isolierung isoliert.[23] Universaltransformatorgleichung zeigt einen minimalen Querschnittsbereich an, damit der Kern Sättigung vermeidet.
Der Effekt der Laminierungen ist, Wirbelströme auf in hohem Grade elliptischen Wegen zu begrenzen, die wenig Fluß umgeben, und also verringern Sie ihre Größe. Dünnere Laminierungen verringern Verluste,[30] aber seien Sie mühsamer und kostspielig zu konstruieren.[33] Dünne Laminierungen werden im Allgemeinen auf Hochfrequenztransformatoren, mit etwas Arten sehr dünne Stahllaminierungen benutzt, die fähig sind, bis 10 kHz zu benützen.
Ein allgemeines Design des lamellierten Kernes wird von durchgeschobenen Stapeln von gebildet E-geformt Stahlbleche mit einer Kappe bedeckt mit Ich-geformt Stücke, führend zu seinen Namen „des E-Itransformators“.[33] Solch ein Design neigt, mehr Verluste auszustellen, aber ist sehr ökonomisch herzustellen. Der Schneidenkern oder die C-Kern Art wird gebildet, indem man zusammen einen Stahlstreifen um eine rechteckige Form wickelt und dann die Schichten abbindet. Es wird dann innen zwei geschnitten und bildet zwei C Formen und den Kern, der indem man die zwei C Hälften zusammen mit einem Stahlbügel zusammengebaut wird, bindet.[33] Sie haben den Vorteil, daß der Fluß immer zu den Metallkörnern orientiertes paralleles ist und Abneigung verringert.
Eines Stahlkernes remanence bedeutet, daß es ein statisches magnetisches auffängt behält, wann Energie entfernt wird. Wenn Energie dann wieder angewendet wird, fangen der Rückstand verursacht eine Höhe auf Einströmenstrom bis den Effekt des remanenten Magnetismus wird, normalerweise nach einigen Zyklen des angewandten Wechselstroms verringert.[34] Überstromschutz Vorrichtungen wie Sicherungen muß vorgewählt werden, um dieses harmlose Einströmen überschreiten zu lassen. Auf den Transformatoren angeschlossen worden, um sich zu sehnen, obenliegende Kraftübertragunglinien, geverursachte Ströme passend zu geomagnetic Störungen während Solarstürme kann Sättigung des Kernes und Betrieb der Transformatorschutzvorrichtungen verursachen.[35]
Verteilung Transformatoren können niedrige Leerlaufverluste erzielen, indem sie die Kerne verwenden, die mit dämpfungsärmer Hochpermeabilität gebildet werden Silikonstahl oder formlose (nichtkristalline) Metalllegierung. Die höheren Ausgangskosten des Kernmaterials werden über dem Leben des Transformators durch seine niedrigeren Verluste an der hellen Last versetzt.[36]
Pulverisiert Eisen Kerne werden in den Stromkreisen verwendet (wie Schaltermodus Spg.Versorgungsteilen) die über Hauptfrequenzen und bis zu einigen 10 kHz funktionieren. Diese Materialien kombinieren hohes magnetisches Permeabilität mit hohem Massenelektrischem Widerstandskraft. Für die Frequenzen, die über hinaus verlängern VHF Band, Kerne gebildet von nicht leitfähigem magnetischem keramisch Materialien benannten Ferrit seien Sie allgemein.[33] Einige Hochfrequenztransformatoren haben auch die beweglichen Kerne (manchmal genannt „Metallklumpen“) die Justage des Koppelung Koeffizienten erlauben (und Bandbreite) von abgestimmten Hochfrequenzstromkreisen.
Toroidal Transformatoren werden um einen ring-shaped Kern errichtet, der, abhängig von Arbeitsfrequenz, von einem langen Streifen des Silikons gebildet wird Stahl oder Permalloy verwunden Sie in eine Spule, pulverisiertes Eisen oder Ferrit.[37] Ein Streifenaufbau stellt den sicher Kristallgrenzen werden optimal übereingestimmt und verbessern die Leistungsfähigkeit des Transformators, indem man des Kernes verringert Abneigung. Die geschlossene Ringform beseitigt die Luftfunkenstrecken, die im Aufbau eines E-Ikernes zugehörig sind.[38] Der Querschnitt des Ringes ist normalerweise quadratisch oder rechteckig, aber kostspieligere Kerne mit kreisförmigen Querschnitten sind auch vorhanden. Die Primär- und Sekundärspulen werden häufig konzentrisch verwundet, um die gesamte Oberfläche des Kernes zu umfassen. Dieses setzt die Länge der Leitung benötigt herab, und liefert auch Siebung, um des magnetischen Kernes herabzusetzen auffangen vom Erzeugen elektromagnetische Störung.
Toroidal Transformatoren sind leistungsfähiger als die preiswerteren lamellierten E-Iarten für ein ähnliches Energie Niveau. Andere Vorteile, die mit E-Iarten verglichen werden, schließen kleinere Größe (ungefähr beinahe), untereres Gewicht (ungefähr beinahe), weniger mechanisches Summen (sie überlegen bildend in den Audioverstärkern), niedrigeres außenmagnetisches auffangen (ungefähr ein zehntes), ausladen niedrig die Verluste (sie leistungsfähiger bildend in den Bereitschaftsstromkreisen), Einzelnschraubbolzen Montage und grössere Wahl von Formen ein. Die Hauptnachteile sind höhere Kosten und begrenzte Bewertung.
Toroidal Kerne des Ferrits werden bei höheren Frequenzen, gewöhnlich zwischen einigen 10 kHz zu einem MHZ verwendet, um Verluste, körperliche Größe und Gewicht von zu verringern Schaltermodus Spg.Versorgungsteile. Eine Beeinträchtigung des toroidal Transformatoraufbaus ist die höheren Kosten von Wicklungen. Als Folge sind toroidal Transformatoren über Bewertungen einiger KVA selten. Kleine Verteilung Transformatoren können einigen des Nutzens eines toroidal Kernes erzielen, indem sie ihn aufspalten und ihn zwingen sich zu öffnen und dann eine Spule einsetzen, welche die Primär- und Sekundärwicklungen enthält.
Ein körperlicher Kern ist nicht ein absolutes Erfordernis und ein arbeitender Transformator kann einfach produziert werden, indem man miteinander die Wicklungen in nahe Nähe, eine Anordnung legt, die einen „Luftkern“ Transformator benannt wird. Die Luft, die den magnetischen Stromkreis ist im Wesentlichen lossless enthält und also ein Luftkern Transformator beseitigt den Verlust, der zu passend ist Hysteresis im Kernmaterial.[8] Die Durchsickerninduktanz ist, mit dem Ergebnis der sehr schlechten Regelung unvermeidlich hoch und also sind solche Designs für Gebrauch in der Netzverteilung unpassend.[8] Sie haben jedoch sehr stark Bandbreiteund werden häufig in den Hochfrequenzanwendungen beschäftigt,[39] für, welches ein zufriedenstellender Koppelung Koeffizient beibehalten wird, indem man sich sorgfältig mit den Primär- und Sekundärwicklungen deckt.
Leitmaterial verwendet für die Wicklungen hängt nach der Anwendung ab, aber in allen Fällen müssen die Einzelperson Umdrehungen von einander elektrisch isoliert werden, um sicherzugehen, daß der Strom während jeder Umdrehung reist.[11] Für kleine Energie und Signaltransformatoren in denen Ströme niedrig sind und der mögliche Unterschied zwischen angrenzenden Umdrehungen klein ist, werden die Spulen häufig von verwundet emaillierte Magnetleitung, wie Formvar Leitung. Die größeren Leistungstranformatoren, die an den hohen Spannungen funktionieren, können mit den kupfernen rechteckigen Streifenleitern verwundet werden, die durch ölimprägniertes Papier und Blöcke von isoliert werden Pressboard.[40]
Die Hochfrequenztransformatoren, die in den 10 zu den Hunderten kHz haben funktionieren häufig, die Wicklungen, die von umsponnenem gebildet werden litz Leitung den Hauteffekt herabsetzen und Näheeffekt Verluste.[11] Großer Leistungstranformatorgebrauch mehrfach-schwemmte Leiter außerdem an, da sogar bei Niederleistungsfrequenzen nichtgleichförmiqe Verteilung des Stromes anders in den high-current Wicklungen bestehen würde.[40] Jede Faser wird einzeln isoliert, und die Fasern werden geordnet, damit an bestimmten Punkten in der Wicklung oder während der vollständigen Wicklung, jeder Teil unterschiedliche relative Positionen im kompletten Leiter besetzt. Die Umstellung gleicht das gegenwärtige Fließen in jede Faser des Leiters aus und verringert Wirbelstromverluste in der Wicklung selbst. Der angeschwemmte Leiter ist auch flexibler als ein fester Leiter der ähnlichen Größe und unterstützt Herstellung.[40]
Für Signaltransformatoren können die Wicklungen in einer Weise geordnet werden, Durchsickerninduktanz und Streukapazitanz herabzusetzen, um Hochfrequenzantwort zu verbessern. Dieses kann durch das Aufspalten jeder Spule in Abschnitte getan werden und jene Abschnitte, die in Schichten zwischen die Abschnitte der anderen Wicklung gelegt werden. Dieses bekannt als Staplungsart oder durchgeschobene Wicklung.
können die Primär- und Sekundärwicklungen auf Leistungstranformatoren die Außenanschlüsse haben, benannt Hähne, zu den Zwischenpunkten auf der Wicklung, zum der Vorwähler des Spannung Verhältnisses zu erlauben. Die Hähne können an eine automatische Auflast angeschlossen werden klopfen Sie Wechsler für Spannung Regelung der Verteilung Stromkreise. Die Audiofrequenztransformatoren, benutzt für die Verteilung von Audio zu den Ansprachelautsprechern, haben die Hähne, zum von Justage des Widerstands zu jedem Lautsprecher zu erlauben. A Mitte-geklopfter Transformator ist im Ausgang Stadium einer Audioenergie häufig benutzt Verstärker in a Gegentaktstromkreis. Modulation Transformatoren innen Morgens übermittler sind sehr ähnlich.
Bestimmte Transformatoren haben die Wicklungen, die durch Epoxidharz geschützt werden. Durch Imprägnieren der Transformator mit Epoxid unter a Vakuum, kann man Lufträume innerhalb der Wicklungen mit Epoxid ersetzen, die Wicklungen so versiegeln und helfen, die mögliche Anordnung der Corona und Absorption des Schmutzes oder des Wassers zu verhindern. Dieses produziert die Transformatoren, die entsprochen werden, um oder die schmutzigen Klimas, aber an erhöhten herstellenkosten Dämpfung.[41]
Ausgedehnter Betrieb an den Hochtemperaturen ist zur Transformatorisolierung besonders zerstörend.[42] Differentielle Transformatoren erzeugen nicht bedeutende Hitze und benötigen wenig Betrachtung, die zu ihrem gegeben wird thermisches Management. Die Leistungstranformatoren, die bis zu einiger KVA veranschlagen werden, können durch natürliches ausreichend abgekühlt werden übertragend Luft-Abkühlen, manchmal unterstützt durch Ventilatoren.[43] Spezifische Vorkehrungen müssen getroffen werden für das Abkühlen der starken Transformatoren, die größere körperliche Größe, die vorsichtiges Design erfordert, Hitze vom Inneren zu transportieren. Einige Leistungstranformatoren werden untergetaucht, in spezialisiert Transformatoröl dieses dient beide als ein abkühlendes Mittel, dadurch esverlängert esverlängert die Lebenszeit der Isolierung, und hilft sich zu verringern Sprügentladung.[44] Das öl ist in hohem Grade verfeinert Mineralöl dieser Stall des Remains an den Hochtemperaturen, damit intern Funkenüberschlag verursacht nicht Zusammenbruch oder Feuer; die zuhause verwendet zu werden Transformatoren, müssen eine nicht brennbare Flüssigkeit benutzen.[2]
Der oil-filled Behälter hat häufig Heizkörper, durch die das öl durch natürliche Konvektion verteilt; große Transformatoren setzen Zwangsumlauf des öls durch elektrische Pumpen ein, geholfen durch externe Ventilatoren oder wassergekühlt Wärmeaustauscher.[44] Oil-filled Transformatoren machen verlängerte trocknende Prozesse durch, um sicherzugehen, daß der Transformator von vollständig frei ist Wasserdampf vor dem abkühlenden öl wird eingeführt. Dieses hilft, elektrischen Zusammenbruch unter Last zu verhindern. Oil-filled Transformatoren können mit ausgerüstet werden Buchholz Relais, die das Gas ermitteln, das während des internen Funkenüberschlages entwickelt wird und schnell, den Transformator, um verhängnisvollen Ausfall abzuwenden abfallen Sie.[34]
Polychlorierte Biphenyle haben Sie Eigenschaften, die einmal ihren Gebrauch als Kühlmittel bevorzugten, betrifft zwar über ihrer Giftigkeit und Klimaausdauer geführt zu ein weitverbreitetes Verbot auf ihrem Gebrauch.[45] Heute ungiftig, beständig Silikon- gegründete öle oder fluorierte Kohlenwasserstoffe kann verwendet werden, wo die Unkosten einer feuerbeständigen Flüssigkeit zusätzliche Gebäudekosten für eine Transformatorwölbung versetzen.[42][2] Vor 1977 enthielten gleichmäßige Transformatoren, die nominal nur mit Mineralölen allgemein auch gefüllt wurden, polychlorierte Biphenyle als verunreiniger bei 10-20 PPMs.[46]
Einige „trockene“ Transformatoren werden in unter Druck gesetzten Behältern umgeben und abgekühlt vorbei Stickstoff oder Schwefel Hexafluoride Gas.[42] Um sicherzugehen daß das Gas nicht ausläuft und seine isolierende Fähigkeit verschlechtern, wird das Transformatorgehäuse vollständig versiegelt. Experimentelle Leistungstranformatoren in der 2 MVA Strecke sind mit errichtet worden Superconducting Wicklungen, das die kupfernen Verluste beseitigt, aber nicht der Kernstahlverlust. Diese werden vorbei abgekühlt flüssiger Stickstoff oder Helium.[47]
Sehr kleine Transformatoren haben die Leitungen, die direkt an die Enden der Spulen angeschlossen werden und heraus zur Unterseite der Maßeinheit für Stromkreisanschlüsse geholt sind. Größere Transformatoren können die schwere verriegelte isolierte Anschlüß, die Hauptleitungsträger oder Hochspannungs haben Buchsen gebildet von den Polymer-Plastiken oder vom Porzellan. Eine große Buchse kann eine komplizierte Struktur sein, da sie vorsichtige Steuerung von zur Verfügung stellen muß elektrisch fangen Sie Steigung auf ohne das Transformatorleckstelle öl zu lassen.[48]
Die Transformatorgrundregel wurde 1831 vorbei demonstriert Michael Faraday, obgleich er es, um verwendete die Grundregel von nur zu demonstrieren elektromagnetische Induktion und sah nicht seinen praktischen Gebrauch voraus. Der erste am meisten benutzte Transformator war Induktion Spule, erfunden durch irisches Geistliches Nicholas Callan 1836.[49] Er war einer vom ersten, zum der Grundregel zu verstehen, der mehr eine Transformatorwicklung hat dreht, das größere EMF, das, produziert es. Induktion Spulen entwickelten von den Wissenschaftlerbemühungen, höhere Spannungen von den Batterien zu erhalten. Sie wurden nicht vorbei angetrieben Wechselstrom, aber DC von den Batterien, das durch eine vibrierende „Unterbrecher“ Einheit unterbrochen wurde. Zwischen dem 1830s und den Bemühungen 1870s, bessere Induktion Spulen, meistens durch Versuch und Störung deckte zu errichten, langsam die Grundprinzipien des Transformatorbetriebes auf. Leistungsfähige Designs würden nicht bis das 1880s erscheinen,[50] aber innerhalb kleiner als eine Dekade, war der Transformator instrumentell während „Krieg der Ströme„beim Sehen Wechselstrom Systeme Triumph über ihrem Gleichstrom Gegenstücke, eine Position, in der sie dominierend geblieben sind.[50]
Russischer Ingenieur Pavel Yablochkov in 1876 erfand ein Beleuchtungssystem, das auf einem Satz von basierte Induktion Spulen, wo Primärwicklungen an eine Quelle des Wechselstroms und der Sekundärwicklungen angeschlossen wurden, konnten an mehrere angeschlossen werden „elektrische Kerzen“. Das Patent behauptete das System konnte „unterschiedliches Versorgungsmaterial zu einigen Beleuchtungbefestigungen mit unterschiedlichen leuchtenden Intensität von einer einzelnen Quelle der elektrischer Leistung versehen“. Offenbar die Induktion Spule in diesem System bearbeitet als Transformator.
Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs, der zuerst eine Vorrichtung mit einem geöffneten Eisenkern ausstellte, der einen „Sekundärgenerator“ in London 1882 genannt wurde und dann, die Idee an amerikanische Firma verkaufte Westinghouse.[32] Sie stellten auch die Erfindung in Turin 1884 aus, wo es für ein elektrisches Beleuchtungssystem angenommen wurde.
Ungarisch Ingenieure Zipernowsky, Bláthy und Déri von Ganz Firma in Budapest, das dem leistungsfähigen „ZBD“ Geschlossenkern hergestellt wird, modellieren Sie in 1885 basiert auf dem Design von Gaulard und von Gibbs.[51] Ihre Patentanfrage bildete den ersten Gebrauch vom Wort „Transformator“.[32] Russischer Ingenieur Mikhail Dolivo-Dobrovolsky entwickelte das erste dreiphasig Transformator 1889. 1891 Nikola Tesla erfand Tesla Spule, ein Luft-entkernter, Doppel-abgestimmter Resonanztransformator für sehr erzeugen hohe Spannungen an der Hochfrequenz. Tonfrequenz Transformatoren (zu der Zeit benannt Wiederholen der Spulen) wurden von den frühesten Experimentatoren in der Entwicklung von verwendet Telefon.
Während neue Technologien Transformatoren in einigen Elektronikanwendungen überholt gebildet haben, werden Transformatoren noch in vielen elektronischen Vorrichtungen gefunden. Transformatoren sind für Hochspannung wesentlich Kraftübertragung, das Langstreckengetriebe ökonomisch praktisch bildet.
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