Einphasen-Transformatoren

Einphasige Transformatoren werden in Netzteilen und anderen Geräten verwendet, um Wechselspannungen und -ströme von einem Wert in einen anderen umzuwandeln. Transformatoren sind entscheidend für die elektrische Isolierung, die für den sicheren Betrieb vieler Laborinstrumente und medizinischer Geräte erforderlich ist. Wenn sich Eingang und Ausgang keinen gemeinsamen Anschluss teilen, kann der Transformator Strom mit vollständiger physischer Trennung übertragen. Dadurch wird verhindert, dass Strom auf der gefährlichen Hochspannungsseite einer Anlage Stromkreise und Personen auf der sicheren Niederspannungsseite erreicht. Das Verständnis der Komponenten in einem Transformator ist wichtig für die Analyse und Konstruktion von Transformatoren. In diesem Video wird gezeigt, wie elektrische Parameter von Transformatorkomponenten durch verschiedene Tests gemessen werden können.

Ein Transformator besteht aus einem Paar Eingangsanschlüssen, die mit einer Primärwicklung oder Spule verbunden sind, und einem Paar Ausgangsanschlüssen, die mit einer Sekundärwicklung verbunden sind. Ein Kern aus Stahl, Ferrit oder auch einfach nur Luft koppelt die beiden Wicklungen. Eine Spannung an einer Wicklung bewirkt, dass Strom durch sie fließt, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Der magnetische Fluss, d. h. die Menge des Magnetfelds, das durch einen Bereich fließt, wird dann durch den Kern an die Sekundärwicklung gekoppelt, wo er eine Spannung induziert. Dieses Prinzip wird als gegenseitige Induktion bezeichnet. Das Faradaysche Gesetz besagt, dass die Änderungsrate des Flusses mal der Anzahl der Wicklungen gleich der induzierten Spannung ist. Auch elektromotorische Kraft oder EMK genannt. Eine Gleichspannung an der Primärwicklung ist konstant, daher ist auch der resultierende magnetische Fluss konstant und die Änderungsrate ist Null. Eine Wechselspannung erzeugt jedoch einen magnetischen Fluss mit einer Änderungsrate ungleich Null und induziert folglich eine Spannung. Mit anderen Worten, für den Betrieb des Transformators ist eine Wechselspannung erforderlich. Das Windungsverhältnis des Transformators ist die Anzahl der Windungen des Drahtes an der Primärwicklung geteilt durch die Anzahl der Windungen an der Sekundärwicklung. Das Verhältnis der Spannung an der Primärseite zur Spannung an der Sekundärseite entspricht dem Windungsverhältnis. Abhängig vom Windungsverhältnis kann ein Transformator die Spannung erhöhen, verringern oder gleich halten. Das Verhältnis von Strom durch die Primärseite zu Strom durch die Sekundärseite ist gleich dem Kehrwert des Windungsverhältnisses. Wenn die Primärspule beispielsweise drei Windungen und die Sekundärspule 30 Windungen hat, beträgt das Windungsverhältnis 0,1. So werden aus 120 Volt an der Primärseite dieses Transformators 1200 Volt an der Sekundärenergie. 10 Ampere über die Primärseite werden zu 1 Ampere über die Sekundärverbindung. Wenn die Sekundärspule schließlich eine Last der Impedanz Z2 hat, hat die Primärspule eine scheinbare oder reflektierende Last, Z2 prime. Der Wert dieser reflektierenden Last ist die Impedanz auf der Sekundärseite multipliziert mit dem Quadrat des Windungsverhältnisses. Ein Transformator kann als ein Paar gekoppelter Induktivitäten betrachtet werden, das im Idealfall Energie verlustfrei von einer Spule zur anderen überträgt. Ein echter Transformator hat jedoch einen undichten magnetischen Fluss oder eine Streuinduktivität, die nicht zur Energieübertragung zwischen den Wicklungen beiträgt. Darüber hinaus erfährt ein echter Transformator Verlustleistung und Erwärmung durch Wicklungswiderstände. Der im Kern induzierte magnetische Fluss ist aufgrund des Kernverlustwiderstands eine zusätzliche Wärmequelle. Um Schäden zu vermeiden, wird eine bestimmte maximale Leistungsaufnahme verwendet, die als VA-Nennleistung oder als Produkt aus Eingangsspannung und Strom bezeichnet wird. Nachdem nun die Grundlagen eines Transformators vorgestellt wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie man die elektrischen Parameter eines Transformators misst.

Der in diesem Versuch verwendete Transformator ist für maximal 115 Volt an der Primärwicklung und maximal 24 Volt an der Sekundärwicklung ausgelegt. Darüber hinaus hat dieser Transformator eine Nennleistung von 100 VA, was bedeutet, dass er eine Leistung von maximal 100 Watt aufnehmen kann. Dieser Gleichstromtest misst den Widerstand jeder Wicklung für die Verwendung im Ersatzschaltungsmodell des Transformators. Stellen Sie zunächst die Ausgangsspannung der Niederspannungs-Gleichstromversorgung auf null Volt und die Strombegrenzung auf 0,8 Ampere ein. Schalten Sie dann die Zufuhr aus. Schließen Sie den Netzteilausgang über die Primärwicklung an. Schließen Sie nichts an die Sekundärwicklung an. Schalten Sie die Gleichstromversorgung ein und erhöhen Sie die Spannung allmählich, bis die Stromgrenze erreicht ist. Zeichnen Sie die Spannungs- und Strommesswerte über das Display des Netzteils auf. Berechnen Sie den Widerstand der Primärwicklung, indem Sie die Spannung durch den Strom dividieren. Stellen Sie die Netzspannung wieder auf null Volt ein und schalten Sie sie aus. Schließen Sie das Netzteil über die Sekundärwicklung an, wobei ein offener Stromkreis an der Primärwicklung verbleibt. Stellen Sie die Strombegrenzung an der Stromversorgung auf vier Ampere ein. Erhöhen Sie dann die Spannung allmählich, bis die Stromgrenze erreicht ist. Zeichnen Sie die Spannungs- und Strommesswerte über das Display des Netzteils auf. Berechnen Sie den Widerstand der Sekundärwicklung. Stellen Sie die Versorgungsspannung wieder auf null Volt ein, schalten Sie sie aus und trennen Sie sie vom Transformator. Verwenden Sie abschließend ein Multimeter, um die berechneten Widerstände über die Primär- und Sekundärwicklungen zu bestätigen.

Der Leerlauftest misst die gegenseitigen Reaktanten bzw. den Widerstand gegen eine Änderung des Stroms aus dem Kernverlustwiderstand. Der Kernverlustwiderstand ist der äquivalente Schaltungsparameter für die Verlustleistung und nähert sich den Leistungsverlusten im Kern des Transformators an. Wenn die dreiphasige Stromquelle ausgeschaltet und der Variac auf null Prozent eingestellt ist, montieren Sie den Stromkreis wie abgebildet. Verwenden Sie dann einen digitalen Leistungsmesser, um den Leerlaufstrom und die Leerlaufspannung auf der Primärseite zu messen. Schalten Sie die dreiphasige Stromquelle ein und stellen Sie den Drehknopf des Variac langsam ein, um die Spannung zu erhöhen, bis der digitale Leistungsmesser 24 Volt anzeigt. Erfassen Sie die Leerlaufspannung, den Leerlaufstrom, die Leerlaufleistung und den Leistungsfaktor. Verwenden Sie diese Werte, um Ersatzschaltungsparameter für den Transformator zu berechnen. Der Kernverlustwiderstand RC wird aus der Leerlaufspannung und der Leerlaufleistung berechnet. Die gegenseitige Reaktanz XM wird auf ähnliche Weise unter Verwendung von Spannung, Leistung und Strom im Leerlauf berechnet.

Bei der Kurzschlussprüfung werden die Leckagereaktanten gemessen und kann auch der Drahtwiderstand beider Wicklungen bestimmt werden. Berechnen Sie zunächst den Nenneingangsstrom des Transformators, indem Sie die VA-Nennleistung durch die Nennspannung für die Eingangsseite dividieren. Wenn die Stromquelle ausgeschaltet ist und Variac einen Ausgangswert von null Prozent hat, montieren Sie die Schaltung wie abgebildet. Verwenden Sie dieses Mal den digitalen Leistungsmesser, um Kurzschlussstrom und -spannung zu messen. Schalten Sie die dreiphasige Stromquelle ein und stellen Sie den Variac langsam so ein, dass die Spannung erhöht wird, bis der Stromwert am digitalen Leistungsmesser den Nenneingangsstrom erreicht. Erfassen Sie die Kurzschlussspannung und den Kurzschlussstrom sowie die Kurzschluss-Wirkleistung und den Leistungsfaktor. Die Leckage-Reaktanten sind die Summe der primären und der reflektierten sekundären Reaktanten, die als gleich angenommen werden. Berechnen Sie die Leckagereaktanten mit den Messungen aus der Kurzschlussprüfung. Berechnen Sie abschließend den Gesamtdrahtwiderstand beider Wicklungen als Summe aus dem Widerstand der Primärwicklung und dem reflektierten Widerstand der sekundärseitigen Wicklung.

Transformatoren sind sehr nützliche elektrische Geräte, die im Bereich der Leistungsumwandlung und der galvanischen Isolierung aus Sicherheitsgründen Anwendung finden. Der Belastungstest misst das Verhältnis der Spannung über die Primärseite zur Spannung der Sekundärseite sowie das Verhältnis von Strom durch die Primärseite zu Strom durch die Sekundärseite. Die Schaltung wurde mit einem 100 Ohm Widerstand bestückt, der an die Sekundärseite angeschlossen war, und der Strom und die Spannung wurden auf beiden Seiten gemessen. Mit der Primärseite bei 115 Volt wurden beidseitig Spannung, Strom, Wirkleistung und Leistungsfaktor gemessen. Das Verhältnis von Primärspannung zu Sekundärspannung sollte idealerweise dem Windungsverhältnis entsprechen. Bei einer Studie über die olfaktorischen sensorischen Neuronen von Mäusen wurde ultraviolettes Licht von einer Xenon-Blitzröhre verwendet, um bestimmte Verbindungen zu dissoziieren. Die Schaltung zur Ansteuerung einer Blitzröhre erforderte hohe Spannungen, die mit einem Aufwärtstransformator erzeugt wurden. Wie bei allen Hochspannungsgeräten werden bei Safe Design Transformatoren zur galvanischen Isolierung verwendet, um versehentliche Kurzschlüsse zwischen Komponenten mit gefährlichen Spannungen und anderer Elektronik im Stromkreis zu verhindern.

Sie haben gerade Joves Einführung in einphasige Transformatoren gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein Transformator funktioniert und wie man seine äquivalenten Schaltungsparameter misst. Danke fürs Zuschauen!