Transformatorer er det mest gjenkjennelige utstyret i kraftsystemer. De er store, karakteristiske, enkle i prinsippet, men krever mye vedlikehold, noe som gjør at de virker mye mer omfattende enn "kabler". På strømnettdiagrammet er transformatorer som ryggradsnodene, mens annet utstyr fungerer som deres forbindelser.

Denne artikkelen vil introdusere komponentene, prinsippene, funksjonene, klassifiseringen og bruksscenariene til transformatorer.

1. Sammensetning av en transformator

En transformator består hovedsakelig av en kjerne og viklinger.

Kjernen fungerer som den magnetiske kretsbanen til transformatoren, mens viklingene er den elektriske kretsdelen, laget ved å vikle et visst antall omdreininger med emaljebelagt-tråd.

Den som er koblet til strømkilden kalles primærviklingen, også kjent som primærspolen. Den som er koblet til lasten kalles sekundærviklingen, også kjent som sekundærspolen, eller sekundærsideviklingen.

De grunnleggende formene for kjernestrukturer er den hjerteformede-kjernetypen og skalltypen.

• Hjerteformet-kjernetransformator

Kolonnene til en transformator av kjerne-type er omgitt av viklinger. Enkelt sagt omkranser viklingene kjernen, noe som gjør strukturen relativt enkel og enklere å montere og isolere, og derfor bruker transformatorer ofte en kjernestruktur.

• Shell-transformator

I en transformator av typen shell-omgir kjernen viklingen. Transformatorer av type-skall har høy mekanisk styrke og utstående hjørner, men deres produksjonsprosess er kompleks og krever flere materialer. De brukes vanligvis bare i transformatorer med lav-spenning, høy-strøm eller krafttransformatorer med liten-kapasitet.

2. Grunnleggende arbeidsprinsipp for en transformator

En transformator fungerer basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon.

Når en passende AC-strømforsyning er koblet til begge ender av primærviklingen, under påvirkning av forsyningsspenningen u₁, en vekselstrøm i₀ strømmer gjennom primærviklingen og genererer en magnetomotorisk kraft i primærviklingen. Dette eksiterer en vekslende magnetisk fluks ϕ i kjernen. Denne vekslende fluksen ϕ forbinder både primær- og sekundærviklingene. I henhold til loven om elektromagnetisk induksjon, induserte elektromotoriske krefter f₁og e₂genereres i henholdsvis primær- og sekundærviklingene. Under påvirkning av den induserte elektromotoriske kraften e₂, kan sekundærviklingen levere strøm til lasten, og oppnå energioverføring.

Forholdet mellom de induserte elektromotoriske kreftene i primær- og sekundærviklingene er lik forholdet mellom antall omdreininger i primær- og sekundærviklingene. Størrelsen på den induserte elektromotoriske kraften e₁på primærsiden er nær den påtrykte spenningen u₁på primærsiden, mens størrelsen på den induserte elektromotoriske kraften e₂på sekundærsiden er nær utgangsspenningen u₂på sekundærsiden.

Derfor, ved ganske enkelt å endre antall omdreininger i primær- eller sekundærviklingen en eller to ganger, vil utgangsspenningen u₂kan justeres. Dette er det grunnleggende arbeidsprinsippet til en transformator, som bruker prinsippet om elektromagnetisk induksjon for å konvertere en vekselstrømkilde med ett spenningsnivå til en vekselstrømkilde med samme frekvens, men et annet spenningsnivå.

2. Grunnleggende funksjoner til en transformator

De grunnleggende funksjonene til en transformator inkluderer spenningskonvertering, strømkonvertering, impedanskonvertering, isolasjon og spenningsregulering.

Spenningstransformasjon: Transformatorer kan øke eller redusere spenningen til vekselstrøm for å møte ulike strømbehov. For eksempel brukes en trinn-opptransformator for å øke spenningen fra et kraftverk for å redusere energitapet under overføring, mens en trinn-nedtransformator brukes til å senke høyspenning til en sikker bruksspenning.

Strømtransformasjon: Ved å endre spenningen endrer en transformator også strømmen tilsvarende. I henhold til loven om bevaring av kraft, når spenningen øker, synker strømmen, og omvendt. Denne egenskapen gjør transformatorer svært viktige i kraftoverføring, da de effektivt kan håndtere strømbelastninger.

Impedanstransformasjon: Transformatorer kan endre impedansen til en krets, noe som gjør den mer egnet for forskjellige belastningsforhold. Dette er spesielt viktig i lydutstyr og andre elektroniske enheter, da det kan forbedre signaloverføringseffektiviteten.

Isolasjon: Transformatorer kan gi elektrisk isolasjon, og beskytter sikkerheten til utstyr og brukere. Denne isolasjonen kan forhindre at høyspenning skader lavspentutstyr, noe som sikrer sikker drift av utstyret.

Spenningsregulering: Visse typer transformatorer (for eksempel mettbare reaktorer) kan brukes til spenningsregulering, som bidrar til å opprettholde spenningsstabilitet og sikrer påliteligheten og stabiliteten til kraftsystemet.

4. Klassifisering av transformatorer

4.1 Klassifisert etter kapasitet

• Liten transformator: spenning under 10KV, kapasitet mellom 1 og 500KVA.

• Små og mellomstore-transformatorer: spenning på 35 kV og lavere, kapasitet fra 630 til 6300 kVA.

• Store transformatorer: spenning på 110 kV og under, kapasitet mellom 8000 og 63000 kVA.

4.2 Klassifisert etter bruk

• Krafttransformator: Brukes for opptrapping, nedtrapping, distribusjon og sammenkobling i kraftoverførings- og distribusjonssystemer, eller spesifikt brukt som transformatorer for kraftverk og transformatorstasjoner.

• Instrumenttransformatorer: som spenningstransformatorer og strømtransformatorer, brukt til måleinstrumenter og relébeskyttelsesenheter.

• Krafttransformator: brukes til å kontrollere strømforsyning, belysning og indikatorer for generelt mekanisk utstyr.

• Elektronisk transformator: brukes i elektroniske kretser som bryter-modusstrømforsyninger, lyd-, puls- og impedanstilpasning.

• Testtransformator: i stand til å generere høyspenning for å utføre høyspenttester på elektrisk utstyr.-

• Spesielle transformatorer: for eksempel elektriske ovnstransformatorer, likerettertransformatorer, spenningsregulerende transformatorer, etc.

4.3Klassifisert etter antall faser av transformatorviklinger

• Enfaset-transformator: brukes for enfaselaster og tre-transformatorbanker.

• Tre-transformator: Brukes til å øke eller redusere spenningen i trefasesystemer.

4.4 Klassifisert etter transformatorkjølemetode

• Tørr-transformator: Avkjølt ved luftkonveksjon, vanligvis brukt for transformatorer med liten-kapasitet som lokal belysning og elektroniske kretser.

• Olje-nedsenket transformator: En transformator som bruker transformatorolje som isolasjons- og kjølemedium, med kjernen og viklingene helt nedsenket i den isolerende oljen.

4.5 Klassifisert etter transformatorviklingstilkoblingstype

• Dobbel-viklingstransformator: Brukes til å koble to spenningsnivåer i strømsystemet.

• Tre-viklingstransformator: Brukes vanligvis i regionale understasjoner i kraftsystemet for å koble sammen tre spenningsnivåer.

• Autotransformator: Primær- og sekundærviklingene er kombinert til én, brukt til å koble sammen kraftsystemer med forskjellige spenninger. Den kan også brukes som en vanlig transformator-opp eller ned-.

4.6 Klassifisert etter transformatordriftsfrekvens

• Strømfrekvenstransformator: driftsfrekvensen er 50Hz eller 60Hz.
• Mellomfrekvenstransformator: driftsfrekvensen er 400–1000Hz.
• Lydfrekvenstransformator: driftsfrekvensen er 20Hz–20kHz.

• Supersonisk frekvenstransformator: Driftsfrekvensen er over 20 kHz, vanligvis ikke over 100 kHz.

• Høyfrekvent transformator: En transformator med en driftsfrekvens fra 20 Hz til over 100 kHz.

5. Application Scenarios of Transformers

5.1 Strømsystem

• Kraftverk: Transformatorer brukes til å øke spenningen som genereres av generatorer for overføring til strømnettet, noe som muliggjør langdistanseoverføring av elektrisitet.

• Transformatorstasjoner: I transformatorstasjoner konverterer transformatorer høy-elektrisitet til lav-elektrisitet for å møte behovene til forskjellig elektrisk utstyr. Samtidig kan transformatorer også utføre funksjoner som reaktiv effektkompensasjon og spenningsjustering, noe som sikrer stabil drift av kraftsystemet.

• Transmisjonslinjer: I transmisjonslinjer brukes transformatorer til å øke spenningen for å redusere energitapet, og oppnå effektiv elektrisitetsoverføring over lang avstand.

5.2 Sivil sektor

• Husholdningselektrisitet: Krafttransformatorer konverterer høy-elektrisitet til lav-elektrisitet som er egnet for hjemmebruk, og sikrer normalt strømforbruk for beboerne.

• Lading av batterier: Enten det er en bærbar datamaskin, telefon eller elektrisk kjøretøy, krever disse enhetene batterier for å fungere, og lading av batteriene krever en transformator. Hovedfunksjonen til en transformator er å regulere spenning og forhindre at lekkasjestrømmer eller overspenningsstrømmer går gjennom enhetene.

5.3 Kommunikasjonsfelt

Kommunikasjonstransformatorer brukes i telefonterminalkretser og stamlinjeprodukter for å regulere kvaliteten og tilstanden til kommunikasjonskretser. I tillegg er kommunikasjonstransformatorer mye brukt i kabelmodemer, nettverkskort, huber, xDSL bredbåndskommunikasjonsutstyr, switcher, fiberoptiske sendere, rutere, innebygde systemer og VoIP-nettverkskommunikasjonsenheter.

5.4 Andre spesielle applikasjoner

• Lydutstyr: Lydtransformatorer brukes ofte for å gi isolasjon for signaler som strømmer gjennom en krets og hjelper til med å matche impedansverdiene til kilden og lasten. De kan også eliminere uønskede eller støyende signaler og filtrere inngangssignalet. Disse typene transformatorer er spesielt utviklet for å håndtere signaler innenfor det hørbare området, det vil si signaler med frekvenser mellom 20Hz og 20kHz.

• Måleinstrumenter: Strømmålere, spenningsmålere og forskjellige andre måleverktøy og -enheter bruker vanligvis transformatorer for generell drift. For eksempel gir målestrømtransformatorer nødvendig sikkerhet for kretsen ved å isolere måleenheten fra resten av kretsen og undertrykke eller trappe ned store strømmer til optimale verdier før de mates til amperemeteret.

• Retting: Likerettertransformatorer kan konvertere AC til DC, med applikasjoner som motorstyring, gruvedrift, elektriske ovner, FoU-laboratorier,-høyspent DC-overføring og mer.