Praktische overwegingen - Transformers

Vermogen

Zoals al is opgemerkt, moeten transformatoren goed zijn ontworpen om een ​​acceptabele stroomkoppeling, strakke spanningsregeling en lage opwindende stroomvervorming te bereiken. Transformatoren moeten ook worden ontworpen om de verwachte waarden van primaire en secundaire wikkelstroom probleemloos te dragen.

Dit betekent dat de wikkelgeleiders gemaakt moeten zijn van de juiste diktedraad om verwarmingsproblemen te voorkomen.

Ideale transformator

Een ideale transformator zou een perfecte koppeling hebben (geen lekinductantie), perfecte spanningsregeling, perfect sinusvormige opwindende stroom, geen hysterese of wervelstroomverliezen en een draad die dik genoeg is om elke hoeveelheid stroom aan te kunnen. Helaas zou de ideale transformator oneindig groot en zwaar moeten zijn om aan deze ontwerpdoelen te voldoen.

Dus in de zaken van praktische transformatorontwerp, er moeten compromissen worden gesloten.

Bovendien is isolatie van wikkelingsgeleiders een punt van zorg waar hoge spanningen worden aangetroffen, zoals vaak in step-up en step-down stroomdistributietransformatoren.

Niet alleen moeten de wikkelingen goed geïsoleerd zijn van de ijzeren kern, maar elke wikkeling moet voldoende geïsoleerd zijn van de andere om de elektrische isolatie tussen de wikkelingen te behouden.

Transformatorbeoordelingen

Met inachtneming van deze beperkingen, zijn transformatoren geschikt voor bepaalde niveaus van primaire en secundaire wikkelspanning en stroom, hoewel de stroomclassificatie meestal wordt afgeleid van een volt-amp (VA) classificatie die aan de transformator is toegewezen.

Neem bijvoorbeeld een step-down transformator met een primaire spanning van 120 volt, een secundaire spanning van 48 volt en een VA-classificatie van 1 kVA (1000 VA). De maximale wikkelstromen kunnen als zodanig worden bepaald:kVA (1000 VA). De maximale wikkelstromen kunnen als zodanig worden bepaald:

Soms hebben wikkelingen de huidige classificaties in ampère, maar dit wordt meestal gezien bij kleine transformatoren. Grote transformatoren worden bijna altijd beoordeeld in termen van wikkelspanning en VA of kVA.

Energieverlies

Wanneer transformatoren vermogen overdragen, doen ze dat met een minimum aan verlies. Zoals eerder vermeld, is het rendement van moderne stroomtransformatoren doorgaans hoger dan 95%. Het is echter goed om te weten waar een deel van dit verloren vermogen naartoe gaat en waardoor het verloren gaat.

Er is natuurlijk vermogensverlies door de weerstand van de draadwikkelingen. Tenzij er supergeleidende draden worden gebruikt, zal er altijd stroom in de vorm van warmte worden gedissipeerd door de weerstand van stroomvoerende geleiders. Omdat transformatoren zulke lange draadlengtes nodig hebben, kan dit verlies een belangrijke factor zijn.

Het vergroten van de dikte van de wikkeldraad is een manier om dit verlies te minimaliseren, maar alleen met aanzienlijke stijgingen in kosten, afmetingen en gewicht.

Wervelstroomverlies

Afgezien van weerstandsverliezen, is het grootste deel van het vermogensverlies van de transformator te wijten aan magnetische effecten in de kern. Misschien wel de belangrijkste van deze "kernverliezen" is een wervelstroomverlies , wat een resistieve vermogensdissipatie is als gevolg van de passage van geïnduceerde stromen door het ijzer van de kern.

Omdat ijzer zowel een elektrische geleider is als een uitstekende "geleider" van magnetische flux, zullen er stromen in het ijzer worden geïnduceerd, net zoals er stromen in de secundaire wikkelingen worden geïnduceerd door het wisselende magnetische veld.

Deze geïnduceerde stromen - zoals beschreven door de loodrechtheidsclausule van de wet van Faraday - hebben de neiging om door de doorsnede van de kern loodrecht op de primaire windingen te circuleren.

Hun cirkelvormige beweging geeft ze hun ongebruikelijke naam:als wervelingen in een waterstroom die circuleren in plaats van in rechte lijnen te bewegen.

IJzer is een goede geleider van elektriciteit, maar niet zo goed als het koper of aluminium waaruit draadwikkelingen meestal worden gemaakt. Bijgevolg moeten deze "wervelstromen" een aanzienlijke elektrische weerstand overwinnen terwijl ze door de kern circuleren.

Bij het overwinnen van de weerstand die het strijkijzer biedt, dissiperen ze kracht in de vorm van warmte. Daarom hebben we een bron van inefficiëntie in de transformator die moeilijk te elimineren is.

Inductieverwarming

Dit fenomeen is zo uitgesproken dat het vaak wordt gebruikt als middel om ferro (ijzerhoudende) materialen te verwarmen. De onderstaande foto toont een "inductieverwarming" -eenheid die de temperatuur van een groot leidinggedeelte verhoogt.

Lussen van draad bedekt met isolatie voor hoge temperaturen omringen de omtrek van de buis en induceren wervelstromen in de buiswand door elektromagnetische inductie. Om het wervelstroomeffect te maximaliseren, wordt hoogfrequente wisselstroom gebruikt in plaats van de netfrequentie (60 Hz).

De boxen aan de rechterkant van de afbeelding produceren de hoogfrequente wisselstroom en regelen de hoeveelheid stroom in de draden om de leidingtemperatuur te stabiliseren op een vooraf bepaald "instelpunt".

Inductieverwarming:primaire geïsoleerde wikkeling induceert stroom in de verliesgevende ijzeren buis (secundair).

Wervelstromen verzachten

De belangrijkste strategie om deze verspillende wervelstromen in transformatorkernen te verminderen, is om de ijzeren kern in platen te vormen, waarbij elke plaat is bedekt met een isolerende vernis zodat de kern in dunne plakjes wordt verdeeld. Het resultaat is een zeer kleine breedte in de kern waarin wervelstromen kunnen circuleren:

Het verdelen van de ijzeren kern in dunne geïsoleerde lamellen minimaliseert wervelstroomverlies.

Gelamineerd kernen zoals hier getoond zijn standaard in bijna alle laagfrequente transformatoren. Herinner je van de foto van de doormidden gesneden transformator dat de ijzeren kern uit veel dunne platen bestond in plaats van uit één massief stuk.

Wervelstroomverliezen nemen toe met de frequentie, dus transformatoren die zijn ontworpen om te werken op hoogfrequent vermogen (zoals 400 Hz, gebruikt in veel militaire en vliegtuigtoepassingen) moeten dunnere lamellen gebruiken om de verliezen tot een respectabel minimum te beperken.

Dit heeft het ongewenste effect dat de fabricagekosten van de transformator stijgen.

Een andere, vergelijkbare techniek voor het minimaliseren van wervelstroomverliezen die beter werkt voor hoogfrequente toepassingen, is om de kern te maken van ijzerpoeder in plaats van dunne ijzeren platen.

Net als de lamineervellen zijn deze ijzerkorrels afzonderlijk gecoat in een elektrisch isolerend materiaal, waardoor de kern niet-geleidend is, behalve binnen de breedte van elke korrel. IJzeren kernen in poedervorm worden vaak aangetroffen in transformatoren die radiofrequente stromen verwerken.

Magnetische hysterese

Een ander "kernverlies" is dat van magnetische hysterese . Alle ferromagnetische materialen hebben de neiging om enige mate van magnetisatie te behouden na blootstelling aan een extern magnetisch veld.

Deze neiging om gemagnetiseerd te blijven, wordt "hysterese" genoemd en het kost een zekere investering in energie om deze weerstand te overwinnen om te veranderen telkens wanneer het magnetische veld dat door de primaire wikkeling wordt geproduceerd van polariteit verandert (tweemaal per AC-cyclus).

Dit type verlies kan worden beperkt door een goede selectie van kernmateriaal (kiezen voor een kernlegering met lage hysterese, zoals blijkt uit een "dunne" B/H-hysteresecurve), en het ontwerpen van de kern voor minimale fluxdichtheid (groot dwarsdoorsnede-oppervlak) .

Huideffect bij hoge frequenties

Transformator energieverliezen hebben de neiging om te verslechteren met toenemende frequentie. Het skin-effect in wikkelgeleiders verkleint het beschikbare dwarsdoorsnede-oppervlak voor elektrische ladingsstroom, waardoor de effectieve weerstand toeneemt naarmate de frequentie stijgt en er meer vermogen verloren gaat door resistieve dissipatie.

Magnetische kernverliezen worden ook overdreven met hogere frequenties, wervelstromen en hysterese-effecten die ernstiger worden. Om deze reden zijn transformatoren van aanzienlijke omvang ontworpen om efficiënt te werken in een beperkt frequentiebereik.

In de meeste stroomdistributiesystemen waar de lijnfrequentie zeer stabiel is, zou men denken dat een te hoge frequentie nooit een probleem zou vormen. Helaas wel, in de vorm van harmonischen gecreëerd door niet-lineaire belastingen.

Zoals we in eerdere hoofdstukken hebben gezien, zijn niet-sinusvormige golfvormen gelijk aan additieve reeksen van meerdere sinusvormige golfvormen met verschillende amplitudes en frequenties. In voedingssystemen zijn deze andere frequenties gehele veelvouden van de fundamentele (lijn)frequentie, wat betekent dat ze altijd hoger, niet lager, zullen zijn dan de ontwerpfrequentie van de transformator.

In aanzienlijke mate kunnen ze ernstige oververhitting van de transformator veroorzaken. Vermogenstransformatoren kunnen worden ontworpen om bepaalde niveaus van harmonischen van het voedingssysteem aan te kunnen, en dit vermogen wordt soms aangeduid met een "K-factor"-classificatie.

Verdwaalde capaciteit en inductie

Afgezien van vermogenswaarden en vermogensverliezen, herbergen transformatoren vaak andere ongewenste beperkingen waarvan circuitontwerpers zich bewust moeten zijn. Net als hun eenvoudigere tegenhangers - inductoren - vertonen transformatoren capaciteit vanwege het isolatiediëlektricum tussen de geleiders:van wikkeling tot wikkeling, van wikkeling tot wikkeling, van wikkeling tot wikkeling (in een enkele wikkeling) en wikkeling tot de kern.

Resonantiefrequentie transformator

Meestal is deze capaciteit niet van belang in een stroomtoepassing, maar toepassingen met kleine signalen (vooral die met een hoge frequentie) tolereren deze gril mogelijk niet goed.

Ook geeft het effect van capaciteit samen met de ontworpen inductantie van de wikkelingen transformatoren de mogelijkheid om te resoneren op een bepaalde frequentie, zeker een ontwerpprobleem in signaaltoepassingen waar de toegepaste frequentie dit punt kan bereiken (meestal is de resonantiefrequentie van een transformator veel hoger dan de frequentie van de wisselstroom waarvoor deze is ontworpen).

Flux inperking

Insluiting van flux (ervoor zorgen dat de magnetische flux van een transformator niet ontsnapt om een ​​ander apparaat te storen, en ervoor zorgen dat de magnetische flux van andere apparaten wordt afgeschermd van de transformatorkern) is een andere zorg die zowel door inductoren als transformatoren wordt gedeeld.

Lekkage-inductie

Nauw verwant aan de kwestie van fluxinsluiting is lekinductantie. We hebben de nadelige effecten van lekinductantie op de spanningsregeling al eerder in dit hoofdstuk gezien met SPICE-simulaties. Omdat lekinductantie gelijk is aan een inductantie die in serie is geschakeld met de transformatorwikkeling, manifesteert het zich als een serie-impedantie met de belasting.

Dus hoe meer stroom door de belasting wordt getrokken, hoe minder spanning beschikbaar is op de secundaire wikkelingsterminals. Meestal is een goede spanningsregeling gewenst bij het ontwerpen van transformatoren, maar er zijn uitzonderlijke toepassingen.

Zoals eerder vermeld, vereisen ontladingsverlichtingscircuits een step-up transformator met "losse" (slechte) spanningsregeling om een ​​verminderde spanning te garanderen na het ontstaan ​​van een boog door de lamp. Een manier om aan dit ontwerpcriterium te voldoen, is door de transformator te ontwerpen met fluxlekpaden zodat magnetische flux de secundaire wikkeling(en) kan omzeilen.

De resulterende lekstroom zal lekinductantie produceren, wat op zijn beurt de slechte regeling zal produceren die nodig is voor ontladingsverlichting.

Kernverzadiging

Transformatoren worden ook beperkt in hun prestaties door de magnetische fluxbeperkingen van de kern. Voor transformatoren met ferromagnetische kernen moeten we rekening houden met de verzadigingslimieten van de kern.

Onthoud dat ferromagnetische materialen geen oneindige magnetische fluxdichtheden kunnen ondersteunen:ze hebben de neiging om op een bepaald niveau te "verzadigen" (gedicteerd door het materiaal en de kernafmetingen), wat betekent dat verdere toename van de magnetische veldkracht (mmf) niet resulteert in een evenredige toename van de magnetische veldflux (Φ).

Wanneer de primaire wikkeling van een transformator wordt overbelast door overmatige aangelegde spanning, kan de kernflux verzadigingsniveaus bereiken tijdens piekmomenten van de AC-sinusgolfcyclus. Als dit gebeurt, zal de in de secundaire wikkeling geïnduceerde spanning niet langer overeenkomen met de golfvorm als de spanning die de primaire spoel voedt.

Met andere woorden, de overbelaste transformator zal vervormen de golfvorm van primaire naar secundaire wikkelingen, waardoor harmonischen ontstaan ​​in de uitvoer van de secundaire wikkeling. Zoals we eerder hebben besproken, veroorzaakt harmonische inhoud in wisselstroomsystemen doorgaans problemen.

Peaktransformatoren

Speciale transformatoren bekend als piektransformatoren gebruik dit principe om korte spanningspulsen te produceren nabij de pieken van de bronspanningsgolfvorm. De kern is ontworpen om snel en scherp te verzadigen, bij spanningsniveaus ver onder de piek.

Dit resulteert in een sterk verkorte sinusgolf-fluxgolfvorm en secundaire spanningspulsen alleen wanneer de flux verandert (onder verzadigingsniveaus):

Spannings- en fluxgolfvormen voor een piektransformator.

Werking bij lagere frequenties dan normaal

Een andere oorzaak van abnormale verzadiging van de transformatorkern is de werking bij frequenties die lager zijn dan normaal. Als een vermogenstransformator die is ontworpen om op 60 Hz te werken, wordt gedwongen om in plaats daarvan op 50 Hz te werken, moet de flux hogere piekniveaus bereiken dan voorheen om dezelfde tegenspanning te produceren die nodig is om te balanceren met de bronspanning.

Dit geldt zelfs als de bronspanning hetzelfde is als voorheen.

De magnetische flux is hoger in een transformatorkern die wordt aangedreven door 50 Hz in vergelijking met 60 Hz voor dezelfde spanning.

Omdat de momentane wikkelspanning evenredig is met de veranderingssnelheid van de momentane magnetische flux in een transformator vereist een spanningsgolfvorm die dezelfde piekwaarde bereikt, maar een langere hoeveelheid tijd kost om elke halve cyclus te voltooien, dat de flux dezelfde veranderingssnelheid behoudt als voorheen, maar voor langere tijd.

Als de flux dus met dezelfde snelheid moet stijgen als voorheen, maar voor langere tijd, zal deze stijgen naar een grotere piekwaarde.

Wiskundig gezien is dit een ander voorbeeld van calculus in actie. Omdat de spanning evenredig is met de veranderingssnelheid van de flux, zeggen we dat de spanningsgolfvorm de afgeleide is van de fluxgolfvorm, waarbij "afgeleid" de rekenbewerking is die een wiskundige functie (golfvorm) definieert in termen van de veranderingssnelheid van een andere.

Als we echter het tegenovergestelde perspectief nemen en de oorspronkelijke golfvorm relateren aan zijn afgeleide, kunnen we de oorspronkelijke golfvorm de integraal noemen van de afgeleide golfvorm. In dit geval is de spanningsgolfvorm de afgeleide van de fluxgolfvorm en is de fluxgolfvorm de integraal van de spanningsgolfvorm.

De integraal van elke wiskundige functie is evenredig met het gebied dat zich onder de curve van die functie heeft verzameld. Aangezien elke halve cyclus van de 50 Hz-golfvorm meer gebied tussen de golfvorm en de nullijn van de grafiek accumuleert dan de 60 Hz-golfvorm zal - en we weten dat de magnetische flux de integraal van de spanning is - zal de flux hogere waarden bereiken in de onderstaande afbeelding.

Flux die met dezelfde snelheid verandert, stijgt naar een hoger niveau bij 50 Hz dan bij 60 Hz.

Nog een andere oorzaak van transformatorverzadiging is de aanwezigheid van gelijkstroom in de primaire wikkeling. Elke hoeveelheid gelijkspanning die over de primaire wikkeling van een transformator valt, veroorzaakt een extra magnetische flux in de kern. Deze extra flux "bias" of "offset" zal de alternerende fluxgolfvorm dichter bij verzadiging duwen in de ene halve cyclus dan in de andere.

DC in primair verschuift de golfvormpieken naar de bovenste verzadigingslimiet.

Voor de meeste transformatoren is kernverzadiging een zeer ongewenst effect, en het wordt vermeden door een goed ontwerp:de wikkelingen en de kern zodanig ontwerpen dat de magnetische fluxdichtheden ruim onder de verzadigingsniveaus blijven.

Dit zorgt ervoor dat de relatie tussen mmf en Φ lineair is gedurende de fluxcyclus, wat goed is omdat het zorgt voor minder vervorming in de golfvorm van de magnetisatiestroom.

Bovendien biedt de engineering van de kern voor lage fluxdichtheden een veilige marge tussen de normale fluxpieken en de kernverzadigingslimieten om incidentele, abnormale omstandigheden zoals frequentievariatie en DC-offset op te vangen.

Inschakelstroom

Wanneer een transformator in eerste instantie wordt aangesloten op een bron van wisselspanning, kan er een aanzienlijke stroomstoot zijn door de primaire wikkeling die inschakelstroom wordt genoemd . Dit is analoog aan de inschakelstroom die wordt vertoond door een elektromotor die wordt gestart door een plotselinge verbinding met een stroombron, hoewel de inschakelstroom van de transformator door een ander fenomeen wordt veroorzaakt.

We weten dat de veranderingssnelheid van de momentane flux in een transformatorkern evenredig is met de momentane spanningsval over de primaire wikkeling. Of, zoals eerder vermeld, de spanningsgolfvorm is de afgeleide van de fluxgolfvorm en de fluxgolfvorm is de integraal van de spanningsgolfvorm.

In een continu werkende transformator zijn deze twee golfvormen 90° in fase verschoven. Aangezien flux (Φ) evenredig is met de magnetomotorische kracht (mmf) in de kern, en de mmf evenredig is met de wikkelstroom, zal de huidige golfvorm in fase zijn met de fluxgolfvorm, en beide zullen de spanningsgolfvorm met 90 achterblijven °:

Continu bedrijf in stabiele toestand:magnetische flux blijft, net als stroom, 90° achter op de aangelegde spanning.

Stel dat de primaire wikkeling van een transformator plotseling wordt aangesloten op een wisselspanningsbron op het exacte moment waarop de momentane spanning zijn positieve piekwaarde heeft bereikt.

Om ervoor te zorgen dat de transformator een tegengestelde spanningsval creëert om te balanceren tegen deze aangelegde bronspanning, moet een magnetische flux met een snel toenemende waarde worden gegenereerd. Het resultaat is dat de wikkelstroom snel toeneemt, maar eigenlijk niet sneller dan onder normale omstandigheden:

De transformator aansluiten op de lijn bij AC-voltpiek:Flux neemt snel toe vanaf nul, hetzelfde als bij stationair bedrijf.

Zowel de kernflux als de spoelstroom beginnen vanaf nul en bouwen zich op tot dezelfde piekwaarden die worden ervaren tijdens continu bedrijf. Er is dus geen “piek” of “inrush” of stroom in dit scenario.

Laten we ook eens kijken wat er gebeurt als de verbinding van de transformator met de wisselspanningsbron precies plaatsvindt op het moment dat de momentane spanning nul is.

Tijdens continu bedrijf (wanneer de transformator al geruime tijd van stroom is voorzien), is dit het tijdstip waarop zowel de flux als de wikkelstroom hun negatieve pieken hebben en een veranderingssnelheid van nul ervaren (dΦ/dt =0 en di/ dt =0).

Naarmate de spanning toeneemt tot zijn positieve piek, bouwen de flux- en stroomgolfvormen op tot hun maximale positieve veranderingssnelheden, en omhoog naar hun positieve pieken als de spanning daalt tot een niveau van nul:

Starten bij e=0 V is niet hetzelfde als continu draaien in bovenstaande afbeelding. Deze verwachte golfvormen zijn onjuist - Φ en ik zou bij nul moeten beginnen.

Er bestaat echter een significant verschil tussen continubedrijf en de plotselinge startconditie die in dit scenario wordt aangenomen:tijdens continu bedrijf waren de flux- en stroomniveaus op hun negatieve pieken toen de spanning op het nulpunt was; in een transformator die inactief is geweest, moeten zowel de magnetische flux als de wikkelstroom echter beginnen bij nul .

Wanneer de magnetische flux toeneemt als reactie op een stijgende spanning, zal deze toenemen van nul naar boven, niet van een eerder negatieve (gemagnetiseerde) toestand zoals we normaal zouden hebben in een transformator die een tijdje van stroom is voorzien.

Dus in een transformator die net "begint", zal de flux ongeveer twee keer zijn normale piekwaarde bereiken, aangezien deze het gebied onder de eerste halve cyclus van de spanningsgolfvorm "integreert":

Vanaf e=0 V begint Φ bij de beginvoorwaarde Φ=0, oplopend tot tweemaal de normale waarde, ervan uitgaande dat het de kern niet verzadigt.

In een ideale transformator zou de magnetiserende stroom ook stijgen tot ongeveer twee keer zijn normale piekwaarde, waardoor de benodigde mmf wordt gegenereerd om deze hoger dan normale flux te creëren.

De meeste transformatoren zijn echter niet ontworpen met voldoende marge tussen normale fluxpieken en de verzadigingslimieten om verzadiging in een dergelijke toestand te voorkomen, en dus zal de kern vrijwel zeker verzadigen tijdens deze eerste halve spanningscyclus.

Tijdens verzadiging zijn onevenredige hoeveelheden mmf nodig om magnetische flux te genereren. Dit betekent dat de wikkelstroom, die de mmf creëert om een ​​flux in de kern te veroorzaken, onevenredig zal stijgen tot een waarde die gemakkelijk hoger is dan tweemaal zijn normale piek:

Vanaf e=0 V neemt de stroom ook toe tot tweemaal de normale waarde voor een onverzadigde kern, of aanzienlijk hoger in het (ontworpen voor) geval van verzadiging.

Dit is het mechanisme dat inschakelstroom veroorzaakt in de primaire wikkeling van een transformator wanneer deze is aangesloten op een wisselspanningsbron. Zoals u kunt zien, hangt de grootte van de inschakelstroom sterk af van het exacte tijdstip waarop de elektrische verbinding met de bron tot stand is gebracht.

Als de transformator op het moment van aansluiting op de bron nog wat restmagnetisme in de kern heeft, kan de inschakelstroom nog ernstiger zijn. Daarom zijn overstroombeveiligingen voor transformatoren meestal van de "langzame" variëteit, om stroomstoten zoals deze te tolereren zonder het circuit te openen.

Hitte en geluid

Naast ongewenste elektrische effecten kunnen transformatoren ook ongewenste fysieke effecten vertonen, met als meest opvallende de productie van warmte en geluid. Lawaai is in de eerste plaats een hinderlijk effect, maar hitte is een potentieel ernstig probleem omdat de isolatie van de wikkelingen beschadigd raakt als ze oververhit raken.

Verwarming kan worden geminimaliseerd door een goed ontwerp, waarbij ervoor wordt gezorgd dat de kern het verzadigingsniveau niet nadert, dat wervelstromen worden geminimaliseerd en dat de wikkelingen niet worden overbelast of te dicht bij de maximale stroomsterkte worden gebruikt.

Bij grote vermogenstransformatoren zijn de kern en wikkelingen ondergedompeld in een oliebad om warmte over te dragen en geluid te dempen, en ook om vocht te verdringen dat anders de integriteit van de wikkelingsisolatie zou aantasten.

Warmteafvoerende "radiator"-buizen aan de buitenkant van de transformatorbehuizing zorgen voor een convectieve oliestroombaan om warmte van de kern van de transformator naar de omgevingslucht over te brengen:

Grote stroomtransformatoren zijn ondergedompeld in warmteafvoerende isolatieolie.

Olievrije of "droge" transformatoren worden vaak beoordeeld in termen van maximale bedrijfstemperatuur "stijging" (temperatuurstijging boven omgevingstemperatuur) volgens een letterklasse-systeem:A, B, F of H. Deze lettercodes zijn gerangschikt in volgorde van laagste hittetolerantie tot hoogste:

• Klasse A: Niet meer dan 55 ° Celsius temperatuurstijging van de wikkeling, bij 40 ° Celsius (maximale) omgevingsluchttemperatuur.
• Klasse B: Niet meer dan 80° Celsius wikkeltemperatuurstijging, bij 40° Celsius (maximum) omgevingstemperatuur.
• Klasse F: Niet meer dan 115 ° Celsius kronkelende temperatuurstijging, bij 40 ° Celsius (maximale) omgevingstemperatuur.
• Klasse H: Niet meer dan 150° Celsius temperatuurstijging van de wikkeling, bij 40° Celsius (maximale) omgevingstemperatuur.

Hoorbare ruis is een effect dat voornamelijk voortkomt uit het fenomeen magnetostrictie :de kleine lengteverandering die een ferromagnetisch object vertoont wanneer het wordt gemagnetiseerd.

Het bekende "gebrom" dat rond grote stroomtransformatoren wordt gehoord, is het geluid van de ijzeren kern die uitzet en samentrekt bij 120 Hz (tweemaal de systeemfrequentie, wat 60 Hz is in de Verenigde Staten) - één cyclus van samentrekking en uitzetting van de kern voor elke piek van de golfvorm van de magnetische flux - plus ruis veroorzaakt door mechanische krachten tussen primaire en secundaire wikkelingen.

Nogmaals, het handhaven van lage magnetische fluxniveaus in de kern is de sleutel tot het minimaliseren van dit effect, wat verklaart waarom ferroresonante transformatoren - die in verzadiging moeten werken voor een groot deel van de huidige golfvorm - zowel heet als luidruchtig werken.

Verliezen door opwindende magnetische krachten

Een ander geluidproducerend fenomeen in vermogenstransformatoren is de fysieke reactiekracht tussen primaire en secundaire wikkelingen wanneer ze zwaar worden belast.

Als de secundaire wikkeling een open circuit heeft, zal er geen stroom doorheen gaan en bijgevolg ook geen magneto-motorische kracht (mmf) die erdoor wordt geproduceerd. Wanneer de secundaire echter wordt "geladen" (momenteel geleverd aan een belasting), genereert de wikkeling een mmf, die wordt tegengegaan door een "gereflecteerde" mmf in de primaire wikkeling om te voorkomen dat de kernfluxniveaus veranderen.

Deze tegengestelde mmf's die worden gegenereerd tussen primaire en secundaire wikkelingen als gevolg van secundaire (belastings)stroom produceren een afstotende, fysieke kracht tussen de wikkelingen waardoor ze gaan trillen.

Ontwerpers van transformatoren moeten bij de constructie van de wikkelspoelen rekening houden met deze fysieke krachten, om ervoor te zorgen dat er voldoende mechanische ondersteuning is om de spanningen aan te kunnen. Onder zware belasting (hoge stroom) kunnen deze spanningen echter groot genoeg zijn om hoorbare ruis uit de transformator te laten komen.

BEOORDELING:

• Voedingstransformatoren zijn beperkt in de hoeveelheid vermogen die ze kunnen overbrengen van primaire naar secundaire wikkeling(en). Grote eenheden worden doorgaans beoordeeld in VA (voltampère) of kVA (kilovoltampère).
• Weerstand in transformatorwikkelingen draagt ​​bij aan inefficiëntie, omdat stroom warmte afvoert en energie verspilt.
• Magnetische effecten in de ijzeren kern van een transformator dragen ook bij aan inefficiëntie. Onder de effecten zijn wervelstromen (circulerende inductiestromen in de ijzeren kern) en hysterese (vermogen verloren door het overwinnen van de neiging van ijzer om in een bepaalde richting te magnetiseren).
• Verhoogde frequentie resulteert in grotere vermogensverliezen binnen een transformator. De aanwezigheid van harmonischen in een voedingssysteem is een bron van frequenties die aanzienlijk hoger zijn dan normaal, wat oververhitting kan veroorzaken in grote transformatoren.
• Zowel transformatoren als inductoren herbergen bepaalde onvermijdelijke hoeveelheden capaciteit als gevolg van draadisolatie (diëlektrisch) die de windingen van de wikkeling scheidt van de ijzeren kern en van elkaar. Deze capaciteit kan groot genoeg zijn om de transformator een natuurlijke resonantiefrequentie te geven , wat problematisch kan zijn in signaaltoepassingen.
• Lekkage-inductie wordt veroorzaakt doordat magnetische flux niet 100% is gekoppeld tussen wikkelingen in een transformator. Elke flux die niet betrokken is bij overdracht energie van de ene wikkeling naar de andere zal energie opslaan en vrijgeven, en dat is hoe (zelf)inductie werkt. Lekkage-inductantie heeft de neiging de spanningsregeling van een transformator te verslechteren (secundaire spanning "zakt" meer voor een bepaalde hoeveelheid belastingsstroom).
• Magnetische verzadiging van een transformatorkern kan worden veroorzaakt door een te hoge primaire spanning, werking op een te lage frequentie en/of door de aanwezigheid van een gelijkstroom in een van de wikkelingen. Verzadiging kan worden geminimaliseerd of vermeden door een conservatief ontwerp, dat een adequate veiligheidsmarge biedt tussen de piekwaarden van de magnetische fluxdichtheid en de verzadigingslimieten van de kern.
• Transformers ervaren vaak aanzienlijke inschakelstromen wanneer deze voor het eerst is aangesloten op een AC-spanningsbron. De inschakelstroom is het ernstigst wanneer de verbinding met de AC-bron wordt gemaakt op het moment dat de momentane bronspanning nul is.
• Ruis is een veelvoorkomend fenomeen dat wordt vertoond door transformatoren, met name stroomtransformatoren, en wordt voornamelijk veroorzaakt door magnetostrictie van de kern. Fysieke krachten die trillingen van de wikkeling veroorzaken, kunnen ook geluid genereren onder omstandigheden van zware (hoge stroom) secundaire wikkelbelasting.