Transformatorer är den mest kända utrustningen i kraftsystem. De är stora, distinkta, enkla i princip men kräver mycket underhåll, vilket gör att de verkar mycket mer omfattande än "kablar". På elnätsdiagrammet är transformatorer som stamnoderna, medan annan utrustning fungerar som deras anslutningar.

Denna artikel kommer att introducera komponenter, principer, funktioner, klassificering och tillämpningsscenarier för transformatorer.

1. Sammansättning av en transformator

En transformator består huvudsakligen av en kärna och lindningar.

Kärnan fungerar som transformatorns magnetiska kretsbana, medan lindningarna är den elektriska kretsdelen, gjord genom att linda ett visst antal varv av emalj-belagd tråd.

Den som är ansluten till strömkällan kallas primärlindningen, även känd som primärspolen. Den som är ansluten till lasten kallas sekundärlindningen, även känd som sekundärspolen, eller sekundärsidolindningen.

De grundläggande formerna av kärnstrukturer är den hjärtformade-kärntypen och skaltypen.

• Hjärtformad-kärntransformator

Kolumnerna i en transformator av -kärntyp är omgivna av lindningar. Enkelt uttryckt omsluter lindningarna kärnan, vilket gör strukturen relativt enkel och lättare att montera och isolera, varför transformatorer ofta använder en struktur av kärna-typ.

• Skal-typ transformator

I en transformator av skal-typ omger kärnan lindningen. Transformatorer av skal-typ har hög mekanisk hållfasthet och utskjutande hörn, men deras tillverkningsprocess är komplex och kräver mer material. De används vanligtvis bara i transformatorer med låg-spänning, hög-ström eller krafttransformatorer med liten-kapacitet.

2. Grundläggande arbetsprincip för en transformator

En transformator fungerar baserat på principen om elektromagnetisk induktion.

När en lämplig växelströmskälla är ansluten till båda ändarna av primärlindningen, under inverkan av matningsspänningen u₁, en växelström i₀ strömmar genom primärlindningen och genererar en magnetomotorisk kraft i primärlindningen. Detta exciterar ett alternerande magnetiskt flöde ϕ i kärnan. Detta alternerande flöde ϕ länkar både primär- och sekundärlindningarna. Enligt lagen om elektromagnetisk induktion, inducerade elektromotoriska krafter t.ex₁och e₂genereras i primär- respektive sekundärlindningarna. Under påverkan av den inducerade elektromotoriska kraften t.ex₂, kan sekundärlindningen leverera ström till lasten, vilket uppnår energiöverföring.

Förhållandet mellan de inducerade elektromotoriska krafterna i primär- och sekundärlindningarna är lika med förhållandet mellan antalet varv i primär- och sekundärlindningarna. Storleken på den inducerade elektromotoriska kraften e₁på primärsidan är nära den applicerade spänningen u₁på primärsidan, medan storleken på den inducerade elektromotoriska kraften e₂på sekundärsidan är nära utgångsspänningen u₂på sekundärsidan.

Därför, genom att helt enkelt ändra antalet varv i primär- eller sekundärlindningen en eller två gånger, kommer utspänningen u₂kan justeras. Detta är den grundläggande arbetsprincipen för en transformator, som använder principen om elektromagnetisk induktion för att omvandla en växelströmskälla med en spänningsnivå till en växelströmkälla med samma frekvens men en annan spänningsnivå.

2. Grundläggande funktioner för en transformator

De grundläggande funktionerna hos en transformator inkluderar spänningsomvandling, strömomvandling, impedansomvandling, isolering och spänningsreglering.

Spänningstransformation: Transformatorer kan öka eller minska spänningen på växelström för att möta olika elbehov. Till exempel används en steg-upptransformator för att öka spänningen från ett kraftverk för att minska energiförlusten under överföring, medan en steg-nedtransformator används för att sänka högspänningen till en säker användningsspänning.

Strömomvandling: Genom att ändra spänningen ändrar en transformator också strömmen på motsvarande sätt. Enligt lagen om energibevarande, när spänningen ökar, minskar strömmen och vice versa. Denna egenskap gör transformatorer mycket viktiga vid kraftöverföring, eftersom de effektivt kan hantera strömbelastningar.

Impedanstransformation: Transformatorer kan ändra impedansen för en krets, vilket gör den mer lämplig för olika belastningsförhållanden. Detta är särskilt viktigt i ljudutrustning och andra elektroniska enheter, eftersom det kan förbättra signalöverföringseffektiviteten.

Isolering: Transformatorer kan ge elektrisk isolering, vilket skyddar utrustningens och användarnas säkerhet. Denna isolering kan förhindra att högspänning skadar lågspänningsutrustning, vilket säkerställer säker drift av utrustningen.

Spänningsreglering: Vissa typer av transformatorer (såsom mättbara reaktorer) kan användas för spänningsreglering, vilket hjälper till att upprätthålla spänningsstabilitet och säkerställa kraftsystemets tillförlitlighet och stabilitet.

4. Klassificering av transformatorer

4.1Klassificerad efter kapacitet

• Liten transformator: spänning under 10KV, kapacitet mellan 1 och 500KVA.

• Små och medelstora-transformatorer: spänning på 35 kV och lägre, kapacitet från 630 till 6300 kVA.

• Stora transformatorer: spänning 110 kV och lägre, kapacitet mellan 8000 och 63000 kVA.

4.2 Klassificeras efter användning

• Krafttransformator: Används för upptrappning, nedtrappning, distribution och sammankoppling i kraftöverförings- och distributionssystem, eller används specifikt som transformatorer för kraftverk och transformatorstationer.

• Instrumenttransformatorer: såsom spänningstransformatorer och strömtransformatorer, som används för mätinstrument och reläskyddsanordningar.

• Krafttransformator: används för styrning av strömförsörjning, belysning och indikatorer för allmän mekanisk utrustning.

• Elektronisk transformator: används i elektroniska kretsar som strömförsörjning i switch-läge, ljud-, puls- och impedansmatchning.

• Testtransformator: kan generera högspänning för att utföra hög-spänningstester på elektrisk utrustning.

• Specialtransformatorer: såsom elektriska ugnstransformatorer, likriktartransformatorer, spänningsreglerande transformatorer, etc.

4.3Klassificerad efter antalet faser av transformatorlindningar

• Enfas-transformator: används för enfas-laster och trefasiga transformatorbanker.

• Tre-fastransformator: Används för att öka eller sänka spänningen i trefassystem.

4.4 Klassificerad enligt transformatorkylningsmetod

• Transformator av torr-typ: Kyld med luftkonvektion, används vanligtvis för transformatorer med liten-kapacitet som lokal belysning och elektroniska kretsar.

• Olje-nedsänkt transformator: En transformator som använder transformatorolja som isolerings- och kylmedium, med kärnan och lindningarna helt nedsänkta i den isolerande oljan.

4.5 Klassificerad efter transformatorlindningsanslutningstyp

• Dubbel-lindningstransformator: Används för att ansluta två spänningsnivåer i elsystemet.

• Tre-lindningstransformator: Används vanligtvis i regionala transformatorstationer i kraftsystemet för att ansluta tre spänningsnivåer.

• Autotransformator: De primära och sekundära lindningarna är kombinerade till en, som används för att ansluta kraftsystem med olika spänningar. Den kan också användas som en vanlig transformator för steg-upp eller ned-.

4.6 Klassificerad efter transformatordriftsfrekvens

• Strömfrekvenstransformator: dess arbetsfrekvens är 50Hz eller 60Hz.
• Mellanfrekvenstransformator: dess arbetsfrekvens är 400–1000Hz.
• Ljudfrekvenstransformator: dess arbetsfrekvens är 20Hz–20kHz.

• Supersonic Frequency Transformator: Dess arbetsfrekvens är över 20 kHz, vanligtvis inte över 100 kHz.

• Hög-frekvent transformator: En transformator med en arbetsfrekvens som sträcker sig från 20 Hz till över 100 kHz.

5. Tillämpningsscenarier för transformatorer

5.1 Kraftsystem

• Kraftverk: Transformatorer används för att öka spänningen som genereras av generatorer för överföring till elnätet, vilket möjliggör långa-elektricitetsöverföring.

• Transformatorstationer: I transformatorstationer omvandlar transformatorer hög-elspänning till låg-elektricitet för att möta behoven hos olika elektrisk utrustning. Samtidigt kan transformatorer också utföra funktioner som reaktiv effektkompensation och spänningsjustering, vilket säkerställer en stabil drift av kraftsystemet.

• Transmissionsledningar: I transmissionsledningar används transformatorer för att öka spänningen för att minska energiförlusten och uppnå effektiv långdistansöverföring av el.

5.2 Den civila sektorn

• Hushållsel: Krafttransformatorer omvandlar hög-elektricitet till låg-el som är lämplig för hemmabruk, vilket säkerställer normal elförbrukning för invånarna.

• Ladda batterier: Oavsett om det är en bärbar dator, telefon eller elfordon, kräver dessa enheter batterier för att fungera, och laddning av batterierna kräver en transformator. Huvudfunktionen hos en transformator är att reglera spänningen och förhindra att läckströmmar eller överspänningsströmmar passerar genom enheterna.

5.3 Kommunikationsfält

Kommunikationstransformatorer används i telefonterminalkretsar och trunklineprodukter för att reglera kommunikationskretsarnas kvalitet och tillstånd. Dessutom används kommunikationstransformatorer i stor utsträckning i kabelmodem, nätverkskort, hubbar, xDSL-bredbandskommunikationsutrustning, switchar, fiberoptiska transceivrar, routrar, inbyggda system och VoIP-nätverkskommunikationsenheter.

5.4Andra specialtillämpningar

• Ljudutrustning: Ljudtransformatorer används vanligtvis för att ge isolering för signaler som strömmar genom en krets och hjälpa till att matcha impedansvärdena för källan och belastningen. De kan också eliminera oönskade eller brusiga signaler och filtrera insignalen. Dessa typer av transformatorer är speciellt utformade för att hantera signaler inom det hörbara området, det vill säga signaler med frekvenser mellan 20Hz och 20kHz.

• Mätinstrument: Strömmätare, spänningsmätare och olika andra mätverktyg och enheter använder vanligtvis transformatorer för allmän drift. Till exempel ger mätströmtransformatorer nödvändig säkerhet för kretsen genom att isolera mätanordningen från resten av kretsen och undertrycka eller trappa ner stora strömmar till optimala värden innan de matas till amperemetern.

• Likriktare: Likriktartransformatorer kan omvandla AC till DC, med tillämpningar som motorstyrning, gruvdrift, elektriska ugnar, FoU-laboratorier, hög-likspänningsöverföring med mera.