Muuntaja -Transformer

Pylväsasennettu jakelumuuntaja , jossa on keskikierteinen toisiokäämi, jota käytetään " jaetun vaiheen " tehon tuottamiseen asuin- ja kevyille kaupallisille palveluille, joka Pohjois-Amerikassa on tyypillisesti 120/240 V.

Muuntaja on passiivinen komponentti , joka siirtää sähköenergiaa yhdestä sähköpiiristä toiseen piiriin tai useisiin piireihin . Vaihteleva virta missä tahansa muuntajan kelassa tuottaa vaihtelevan magneettivuon muuntajan ytimeen, mikä indusoi vaihtelevan sähkömotorisen voiman kaikkiin muihin saman sydämen ympärille kierrettyihin keloihin. Sähköenergiaa voidaan siirtää erillisten kelojen välillä ilman metallista (johtavaa) yhteyttä kahden piirin välillä. Faradayn induktiolaki , joka löydettiin vuonna 1831, kuvaa indusoitunutta jännitevaikutusta missä tahansa kelassa, joka johtuu kelan ympäröimästä muuttuvasta magneettivuosta.

Muuntajia käytetään muuttamaan AC -jännitetasoja, ja tällaisia ​​muuntajia kutsutaan step-up (tai step-down) -tyypeiksi jännitetason lisäämiseksi (tai vähentämiseksi). Muuntajia voidaan käyttää myös galvaaniseen eristykseen piirien välillä sekä signaalinkäsittelypiirien vaiheiden kytkemiseen. Ensimmäisen vakiojännitemuuntajan keksimisen jälkeen vuonna 1885 muuntajista on tullut välttämättömiä vaihtovirtasähkön siirrossa , jakelussa ja käytössä. Elektroniikka- ja sähkösovelluksissa on laaja valikoima muuntajamalleja. Muuntajien koko vaihtelee alle kuutiosenttimetrin RF -muuntajista satoja tonneja painaviin yksiköihin, joita käytetään sähköverkon yhdistämiseen .

periaatteet

Ihanteelliset muuntajayhtälöt

Faradayn induktiolain mukaan:

. . . (yhtälö 1)

. . . (yhtälö 2)

Missä on hetkellinen jännite , on käämin kierrosten lukumäärä, dΦ/dt on käämin yhden kierroksen läpi kulkevan magneettivuon Φ derivaatta ajan kuluessa ( t ), ja alaindeksit P ja S tarkoittavat ensiö- ja toisiovirtaa.

Yhdistämällä ekv. 1 & ekv. 2:

Kääntymissuhde . . . (yhtälö 3)

Missä nostomuuntajalle a < 1 ja alaspäin muuntajalle a > tai = 1.

Energian säilymisen lain mukaan näennäinen , todellinen ja loisteho säilyvät kumpikin tulossa ja lähdössä:

. . . . (yhtälö 4)

Missä on näennäisteho ja virta .

Yhdistämällä ekv. 3 & ekv. 4 tällä loppuhuomautuksella antaa ihanteellisen muuntajan identiteetin :

. (yhtälö 5)

Missä on käämin itseinduktanssi.

Ohmin lain ja ideaalimuuntajan identiteetin mukaan:

. . . (yhtälö 6)

. (yhtälö 7)

Missä on toisiopiirin kuormitusimpedanssi & on ensiöpiirin näennäinen kuormitus tai ajopisteimpedanssi, yläindeksi viittaa ensiöpiiriin.

Ihanteellinen muuntaja

Ihanteellinen muuntaja on teoreettinen lineaarinen muuntaja, joka on häviötön ja täysin kytketty . Täydellinen kytkentä edellyttää äärettömän suurta sydämen magneettista permeabiliteettia ja käämin induktanssia sekä nollaa nettomagnetomotorista voimaa (eli i p n p  −  i s n s  = 0).

Ihanteellinen muuntaja kytketty lähteeseen V P ensiössä ja kuormitusimpedanssi Z L toisiossa, missä 0 <  Z L  < ∞.
Ihanteellinen muuntaja ja induktiolaki

Vaihteleva virta muuntajan ensiökäämissä luo vaihtelevan magneettivuon muuntajan sydämeen, jota myös toisiokäämi ympäröi. Tämä vaihteleva vuo toisiokäämissä indusoi vaihtelevan sähkömotorisen voiman tai jännitteen toisiokäämitykseen. Tämä sähkömagneettinen induktioilmiö on muuntajan toiminnan perusta ja Lenzin lain mukaan näin tuotettu toisiovirta muodostaa vuon, joka on yhtä suuri ja vastakkainen kuin ensiökäämin tuottama.

Käämit on kääritty äärettömän korkean magneettisen läpäisevyyden omaavan sydämen ympärille siten, että kaikki magneettivuo kulkee sekä ensiö- että toisiokäämin läpi. Kun ensiökäämiin on kytketty jännitelähde ja toisiokäämiin kuorma, muuntajan virrat kulkevat ilmoitettuihin suuntiin ja sydämen magnetomotorinen voima kumoutuu nollaan.

Faradayn lain mukaan , koska sama magneettivuo kulkee sekä ensiö- että toisiokäämien läpi ihanteellisessa muuntajassa, jokaiseen käämiin indusoituu jännite, joka on verrannollinen sen käämien määrään. Muuntajan käämin jännitesuhde on yhtä suuri kuin käämin kierroslukusuhde.

Ihanteellinen muuntaja on kohtuullinen likiarvo tyypilliselle kaupalliselle muuntajalle, jossa jännitesuhde ja käämin kierrossuhde ovat kumpikin kääntäen verrannollisia vastaavaan virtasuhteeseen.

Ensiöpiiriin viitattu kuormitusimpedanssi on yhtä suuri kuin kierrossuhde neliöitynä toisiopiirin kuormitusimpedanssiin.

Todellinen muuntaja

Muuntajan vuotovirta

Poikkeamat ihanteellisesta muuntajasta

Ihanteellinen muuntajamalli jättää huomioimatta seuraavat todellisten muuntajien lineaariset perusominaisuudet:

(a) Sydänhäviöt, joita kutsutaan yhteisesti magnetointivirtahäviöiksi, koostuvat

(b) Toisin kuin ihanteellinen malli, todellisen muuntajan käämeillä on nollasta poikkeavat resistanssit ja induktanssit, jotka liittyvät:

  • Joulehäviöt ensiö- ja toisiokäämien resistanssista johtuen
  • Vuotovuo, joka karkaa ytimestä ja kulkee vain yhden käämin läpi, mikä johtaa ensisijaiseen ja toisioon reaktiiviseen impedanssiin.

(c) samanlainen kuin induktori , loiskapasitanssi ja omaresonanssiilmiö sähkökentän jakautumisesta johtuen. Yleensä tarkastellaan kolmenlaista loiskapasitanssia ja tarjotaan suljetun silmukan yhtälöt

  • Kapasitanssi vierekkäisten kierrosten välillä missä tahansa kerroksessa;
  • Kapasitanssi vierekkäisten kerrosten välillä;
  • Kapasitanssi ytimen ja ytimen viereisen kerroksen (kerrosten) välillä;

Kapasitanssin sisällyttäminen muuntajamalliin on monimutkaista, ja sitä yritetään harvoin; " oikean " muuntajamallin alla esitetty vastaava piiri ei sisällä loiskapasitanssia. Kapasitanssivaikutus voidaan kuitenkin mitata vertaamalla avoimen piirin induktanssia eli ensiökäämin induktanssia toisiopiirin ollessa auki oikosulkuinduktanssiin, kun toisiokäämi on oikosulussa.

Vuotovirta

Ihanteellinen muuntajamalli olettaa, että kaikki ensiökäämin tuottama vuo yhdistää jokaisen käämin kaikki kierrokset, mukaan lukien itsensä. Käytännössä osa vuosta kulkee polkuja, jotka vievät sen käämien ulkopuolelle. Tällaista vuota kutsutaan vuotovuoksi , ja se johtaa vuotoinduktanssiin sarjassa keskenään kytkettyjen muuntajan käämien kanssa. Vuotovuoto johtaa siihen, että energiaa varastoituu vuorotellen magneettikenttiin ja puretaan niistä jokaisella virtalähteen jaksolla. Se ei ole suoraan tehohäviö, vaan johtaa huonompaan jännitteen säätöön , jolloin toisiojännite ei ole suoraan verrannollinen ensiöjännitteeseen, etenkään raskaassa kuormituksessa. Muuntajat on siksi yleensä suunniteltu niin, että niiden vuotoinduktanssi on erittäin pieni.

Joissakin sovelluksissa halutaan lisätä vuotoa, ja pitkiä magneettisia polkuja, ilmarakoja tai magneettisia ohitusshuntteja voidaan tarkoituksella ottaa käyttöön muuntajan suunnittelussa rajoittamaan sen syöttämää oikosulkuvirtaa . Vuotavia muuntajia voidaan käyttää syöttämään kuormia, joissa on negatiivinen resistanssi , kuten sähkökaaret , elohopea- ja natriumhöyrylamput ja neonkyltit, tai sellaisten kuormien turvalliseen käsittelyyn, jotka joutuvat ajoittain oikosulkuun, kuten sähkökaarihitsauslaitteet .

Ilmarakoja käytetään myös estämään muuntaja kyllästymästä, erityisesti äänitaajuusmuuntajia piireissä, joiden käämeissä virtaa tasavirtakomponenttia. Kyllästyvä reaktori hyödyntää sydämen kyllästymistä vaihtovirran ohjaamiseen.

Vuotoinduktanssin tuntemus on hyödyllistä myös silloin, kun muuntajia käytetään rinnakkain. Voidaan osoittaa, että jos kahden muuntajan prosentuaalinen impedanssi ja siihen liittyvä käämin vuodon reaktanssi-vastus ( X / R ) suhde olisivat samat, muuntajat jakaisivat kuormitustehon suhteessa vastaaviin arvoihinsa. Kaupallisten muuntajien impedanssitoleranssit ovat kuitenkin merkittäviä. Myös eri kapasiteetin muuntajien impedanssilla ja X/R-suhteella on taipumus vaihdella.

Vastaava piiri

Kaavioon viitaten käytännön muuntajan fyysistä käyttäytymistä voidaan esittää vastaavalla piirimallilla , joka voi sisältää ihanteellisen muuntajan.

Käämijoulehäviöt ja vuotoreaktanssit esitetään seuraavilla mallin sarjasilmukkaimpedansseilla:

  • Ensisijainen käämitys: R P , X P
  • Toisiokäämi: R S , X S .

Normaalissa piirien ekvivalenssimuunnoksen aikana R S ja X S viitataan käytännössä yleensä ensiöpuolelle kertomalla nämä impedanssit kierrossuhteen neliöllä, ( N P / N S )  2  = a 2 .

Todellinen muuntajan vastaava piiri

Sydänhäviö ja reaktanssi esitetään seuraavilla mallin shunttihaarojen impedansseilla:

  • Ydin- tai rautahäviöt: R C
  • Magnetointireaktanssi: X M .

R C :tä ja X M : ää kutsutaan yhteisesti mallin magnetoivaksi haaraksi .

Sydänhäviöt johtuvat enimmäkseen hystereesi- ja pyörrevirtavaikutuksista sydämessä ja ovat verrannollisia sydämen virtauksen neliöön tietyllä taajuudella. Äärillinen permeabiliteettisydän vaatii magnetointivirran I M ylläpitääkseen keskinäistä vuota ytimessä. Magnetointivirta on vaiheessa vuon kanssa, ja näiden kahden välinen suhde on epälineaarinen kyllästysvaikutusten vuoksi. Kaikki esitetyn ekvivalenttipiirin impedanssit ovat kuitenkin määritelmän mukaan lineaarisia, eivätkä tällaiset epälineaarisuusvaikutukset tyypillisesti heijastu muuntajan ekvivalenttipiireissä. Sinimuotoisella syötöllä ydinvirta on 90° jäljessä indusoidusta EMF:stä. Avoimessa toisiokäämissä magnetoiva haaravirta I 0 vastaa muuntajan tyhjäkäyntivirtaa.

Instrumenttimuuntaja, napaisuuspiste ja X1-merkinnät LV-puolen liittimessä

Tuloksena oleva malli, vaikka sitä joskus kutsutaankin "tarkkaksi" ekvivalenttipiiriksi lineaarisuusoletusten perusteella , säilyttää joukon likiarvoja. Analyysi voidaan yksinkertaistaa olettamalla, että magnetointihaaran impedanssi on suhteellisen korkea ja sijoittamalla haara ensisijaisen impedanssin vasemmalle puolelle. Tämä aiheuttaa virheen, mutta mahdollistaa ensisijaisen ja referoidun toisioresistanssien ja reaktanssien yhdistämisen yksinkertaisella summauksella kahtena sarjaimpedanssina.

Muuntajan vastaavan piirin impedanssin ja muuntajan suhteen parametrit voidaan johtaa seuraavista testeistä: avoimen piirin testi , oikosulkutesti , käämin vastustesti ja muuntajan suhdetesti.

Muuntajan EMF-yhtälö

Jos vuo sydämessä on puhtaasti sinimuotoinen , kumman tahansa käämin suhde sen rms - jännitteen E käämin rms ja syöttötaajuuden f , kierrosten lukumäärän N , sydämen poikkileikkausalan A m 2 :na ja magneettivuon huipputiheyden välillä. B - huippu yksikkönä Wb/m 2 tai T (tesla) saadaan yleisestä EMF-yhtälöstä:


Vastakkaisuus

Pistekäytäntöä käytetään usein muuntajan piirikaavioissa, nimikilpeissä tai liitinmerkinnöissä muuntajan käämien suhteellisen napaisuuden määrittämiseksi . Positiivisesti kasvava hetkellinen virta, joka tulee ensiökäämin "piste"-päähän, indusoi positiivisen polariteetin jännitteen, joka poistuu toisiokäämin "piste"-päästä. Sähköjärjestelmissä käytetyissä kolmivaihemuuntajissa on tyyppikilpi, joka ilmaisee niiden liittimien väliset vaihesuhteet. Tämä voi olla osoitinkaavion muodossa tai käyttämällä aakkosnumeerista koodia osoittamaan kunkin käämin sisäisen liitännän tyyppi (wye tai delta).

Taajuuden vaikutus

Muuntajan EMF tietyllä vuolla kasvaa taajuuden myötä. Korkeammilla taajuuksilla toimimalla muuntajat voivat olla fyysisesti kompakteja, koska tietty sydän pystyy siirtämään enemmän tehoa saavuttamatta kylläisyyttä ja tarvitaan vähemmän kierroksia saman impedanssin saavuttamiseksi. Kuitenkin ominaisuudet, kuten ydinhäviö ja johtimen ihovaikutus, lisääntyvät myös taajuuden myötä. Lentokoneissa ja sotilasvarusteissa käytetään 400 Hz:n virtalähteitä, jotka vähentävät sydämen ja käämin painoa. Sitä vastoin joissakin rautateiden sähköistysjärjestelmissä käytetyt taajuudet olivat paljon alhaisempia (esim. 16,7 Hz ja 25 Hz) kuin normaalit käyttötaajuudet (50–60 Hz) historiallisista syistä, jotka liittyivät pääasiassa varhaisten sähkövetomoottorien rajoituksiin . Tämän seurauksena muuntajat, joita käytettiin alentamaan korkeita ilmajohtojännitteitä, olivat paljon suurempia ja raskaampia samalle teholuokitukselle kuin mitä vaadittiin korkeammille taajuuksille.

Tehomuuntajan yliherätystila, joka johtuu alentuneesta taajuudesta; vuo (vihreä), rautasydämen magneettiset ominaisuudet (punainen) ja magnetointivirta (sininen).

Muuntajan käyttö sen suunnitellulla jännitteellä mutta suunniteltua suuremmalla taajuudella johtaa alentuneeseen magnetointivirtaan. Alemmalla taajuudella magnetointivirta kasvaa. Suuren muuntajan käyttö muulla kuin sen suunnitellulla taajuudella saattaa edellyttää jännitteiden, häviöiden ja jäähdytyksen arviointia sen selvittämiseksi, onko turvallinen käyttö käytännöllistä. Muuntajat saattavat tarvita suojareleitä suojaamaan muuntajaa ylijännitteeltä nimellistaajuudella.

Yksi esimerkki on vetomuuntajat, joita käytetään sähköiseen moniyksikköön ja suurnopeusjuniin , jotka toimivat eri sähköstandardeilla alueilla. Muuntolaitteiden ja vetomuuntajien on sovitettava eri tulotaajuudet ja -jännitteet (jopa 50 Hz:stä 16,7 Hz:iin ja 25 kV:iin asti).

Paljon korkeammilla taajuuksilla muuntajan tarvittava sydänkoko pienenee dramaattisesti: fyysisesti pieni muuntaja pystyy käsittelemään tehotasoja, jotka vaativat massiivisen rautasydämen verkkotaajuudella. Hakkuritehopuolijohdelaitteiden kehitys teki hakkuriteholähteistä elinkelpoisia, tuottamaan korkean taajuuden ja muuttamaan sitten jännitetasoa pienellä muuntajalla.

Suuret tehomuuntajat ovat alttiita eristyshäiriöille, jotka johtuvat suurtaajuisten komponenttien transienttijännitteistä, kuten kytkennöistä tai salaman aiheuttamasta.

Energiahäviöt

Muuntajien energiahäviöitä hallitsevat käämi- ja sydänhäviöt. Muuntajien tehokkuus paranee muuntajakapasiteetin kasvaessa. Tyypillisten jakelumuuntajien hyötysuhde on noin 98-99 prosenttia.

Koska muuntajan häviöt vaihtelevat kuormituksen mukaan, on usein hyödyllistä taulukoida tyhjäkäyntihäviö, täyden kuorman häviö, puolikuormitushäviö ja niin edelleen. Hystereesi- ja pyörrevirtahäviöt ovat vakioita kaikilla kuormitustasoilla ja hallitsevat ilman kuormitusta, kun taas käämihäviö kasvaa kuorman kasvaessa. Tyhjäkuormitushäviö voi olla merkittävä, joten joutokäyntimuuntajakin muodostaa virrankulutuksen. Energiatehokkaiden muuntajien suunnittelu pienempään häviöön vaatii suuremman ytimen, hyvälaatuista piiterästä tai jopa amorfista terästä sydämeksi ja paksumpaa lankaa, mikä lisää alkukustannuksia. Rakenteen valinta edustaa kompromissia alkukustannusten ja käyttökustannusten välillä.

Muuntajan häviöt johtuvat:

Joulehäviöt
Käämin johtimen läpi kulkeva virta aiheuttaa jouleen kuumenemisen johtimen vastuksen vuoksi . Taajuuden kasvaessa skin-ilmiö ja läheisyysvaikutus lisäävät käämin vastusta ja siten häviöitä.
Perustappiot
Hystereesihäviöt
Joka kerta kun magneettikenttä käännetään, pieni määrä energiaa menetetään johtuen ytimen sisäisestä hystereesistä , joka johtuu teräksen sisällä olevien magneettisten domeenien liikkeestä . Steinmetzin kaavan mukaan hystereesin aiheuttama lämpöenergia saadaan kaavalla
ja,
hystereesihäviö saadaan siten
jossa f on taajuus, η on hystereesikerroin ja β max on suurin vuontiheys, jonka empiirinen eksponentti vaihtelee noin 1,4:stä 1,8:aan, mutta annetaan usein raudalle 1,6. Katso tarkempi analyysi kohdasta Magneettinen ydin ja Steinmetzin yhtälö .
Pyörrevirtahäviöt
Vaihtuva magneettikenttä aiheuttaa pyörrevirtoja johtavassa metallimuuntajan ytimessä, ja tämä raudan vastuksen läpi kulkeva virta haihduttaa energiaa lämpönä ytimessä. Pyörrevirtahäviö on monimutkainen funktio syöttötaajuuden neliöstä ja materiaalin paksuuden käänteisneliöstä. Pyörrevirtahäviöitä voidaan vähentää tekemällä laminaattipinon (ohuiden levyjen) ydin sähköisesti eristetyksi toisistaan ​​umpinaisen kappaleen sijaan; kaikki matalilla taajuuksilla toimivat muuntajat käyttävät laminoituja tai vastaavia ytimiä.
Magnetostriktioon liittyvä muuntajan humina
Magneettivuo ferromagneettisessa materiaalissa, kuten ytimessä, saa sen fyysisesti laajenemaan ja supistumaan hieman jokaisella magneettikentän syklillä. Tämä ilmiö tunnetaan magnetostriktiona , jonka kitkaenergia tuottaa kuuluvaa kohinaa, joka tunnetaan verkkovirralla tai "muuntajalla" . hyräillä". Tämä muuntajan humina on erityisen vastenmielinen muuntajissa, joita syötetään tehotaajuuksilla , ja korkeataajuisissa flyback-muuntajissa , jotka liittyvät televisioon CRT .
Hajatappioita
Vuotoinduktanssi on itsessään suurelta osin häviötön, koska sen magneettikenttiin syötetty energia palautetaan syöttöön seuraavan puolijakson aikana. Kuitenkin mikä tahansa vuotovirta, joka sieppaa lähellä olevia johtavia materiaaleja, kuten muuntajan tukirakennetta, aiheuttaa pyörrevirtoja ja muuttuu lämmöksi.
Säteilevä
Värähtelevästä magneettikentästä aiheutuu myös säteilyhäviöitä, mutta ne ovat yleensä pieniä.
Mekaaninen tärinän ja kuultavan melun siirto
Magnetostriktion lisäksi vaihtuva magneettikenttä aiheuttaa vaihtelevia voimia ensiö- ja toisiokäämien välillä. Tämä energia saa aikaan värähtelyn siirtymisen toisiinsa yhdistetyissä metallitöissä, mikä vahvistaa muuntajan kuultavissa olevaa huminaa.

Rakentaminen

ytimet

Ydinmuoto = ydintyyppi; kuoren muoto = kuorityyppi

Umpisydämiset muuntajat on rakennettu "ydinmuotoon" tai "kuorimuotoon". Kun käämit ympäröivät sydäntä, muuntaja on sydämen muotoinen; kun käämiä ympäröi sydän, muuntaja on kuorimainen. Kuoren muotoinen rakenne voi olla yleisempää kuin hylsyn muotoinen suunnittelu jakelumuuntajasovelluksissa, koska sydän on suhteellisen helppo pinota käämikelojen ympärille. Sydänmuotoilu on yleensä taloudellisempaa ja siksi yleisempää kuin kuorimuotoinen rakenne suurjännitetehomuuntajasovelluksiin niiden jännite- ja tehoarvoalueiden alemmilla rajoilla (pienempi tai yhtä suuri kuin nimellisesti, 230 kV tai 75 MVA). Korkeammilla jännite- ja tehoarvoilla kuorimuotoiset muuntajat ovat yleensä yleisempiä. Kuorimuotoista rakennetta suositaan yleensä erittäin korkean jännitteen ja korkeamman MVA:n sovelluksissa, koska vaikka ne ovat työvoimavaltaisempia valmistaa, kuorimuotoisilla muuntajilla on luonnostaan ​​parempi kVA-painosuhde, paremmat oikosulkulujuusominaisuudet ja korkeammat ominaisuudet. immuniteetti kuljetusvaurioita vastaan.

Laminoidut teräsytimet

Laminoitu ydinmuuntaja, joka näyttää laminointien reunat kuvan yläosassa
Lomitetut EI-muuntajalaminaatiot, joissa näkyy ilmaväli ja virtausreitit

Teho- tai äänitaajuuksilla käytettävissä muuntajissa on tyypillisesti korkean läpäisevyyden piiteräksestä valmistetut ytimet . Teräksen läpäisevyys on moninkertainen vapaan tilan läpäisevyyteen verrattuna, ja ydin toimii siten suuresti alentaen magnetointivirtaa ja rajoittaen vuon reitille, joka yhdistää käämit tiiviisti. Varhaiset muuntajakehittäjät ymmärsivät pian, että kiinteästä raudasta valmistetut ytimet johtivat kohtuuttomiin pyörrevirtahäviöihin, ja niiden suunnittelu lievensi tätä vaikutusta ytimillä, jotka koostuivat eristettyjen rautalankojen nipuista. Myöhemmissä suunnitelmissa ydin rakennettiin pinoamalla ohuita teräslaminaattikerroksia, periaate, joka on säilynyt käytössä. Jokainen laminaatti on eristetty naapureistaan ​​ohuella johtamattomalla eristekerroksella. Muuntajan yleistä EMF-yhtälöä voidaan käyttää sydämen poikkileikkausalan laskemiseen halutulle magneettivuon tasolle.

Laminointien vaikutus on rajoittaa pyörrevirrat erittäin elliptisille reiteille, jotka sulkevat sisäänsä vähän virtaa, ja siten vähentävät niiden suuruutta. Ohuemmat laminaatit vähentävät häviöitä, mutta ovat työläämpiä ja kalliimpia rakentaa. Ohut laminaatteja käytetään yleensä korkeataajuisissa muuntajissa, ja jotkut erittäin ohuista teräslaminaatioista voivat toimia jopa 10 kHz:n taajuudella.

Ytimen laminointi vähentää huomattavasti pyörrevirtahäviöitä

Yksi yleinen laminoidun ytimen malli on tehty lomitetuista E-muotoisten teräslevyjen pinoista, jotka on päällystetty I-muotoisilla kappaleilla, mikä johtaa sen nimeen "EI muuntaja". Tällaisella mallilla on taipumus tuottaa enemmän hävikkiä, mutta se on erittäin taloudellinen valmistaa. Cut-core tai C-core tyyppi valmistetaan kelaamalla teräsnauha suorakaiteen muotoisen muodon ympärille ja sitten liimaamalla kerrokset yhteen. Sitten se leikataan kahtia, jolloin muodostuu kaksi C-muotoa, ja ydin kootaan sitomalla kaksi C-puoliskoa yhteen teräshihnalla. Niiden etuna on, että virtaus suuntautuu aina yhdensuuntaisesti metallirakeiden kanssa, mikä vähentää reluksenssia.

Teräsytimen remanenssi tarkoittaa, että se säilyttää staattisen magneettikentän, kun virta katkaistaan. Kun virta kytketään sitten uudelleen, jäännöskenttä aiheuttaa suuren syöttövirran , kunnes jäljellä olevan magnetismin vaikutus vähenee, yleensä muutaman AC-aaltomuodon jakson jälkeen. Ylivirtasuojalaitteet, kuten sulakkeet , on valittava, jotta tämä vaaraton syöttö voidaan ohittaa.

Pitkiin, ilmasuuntaisiin voimansiirtolinjoihin liitetyissä muuntajissa aurinkomyrskyjen aikana geomagneettisista häiriöistä johtuvat indusoituneet virrat voivat aiheuttaa sydämen kyllästymistä ja muuntajan suojalaitteiden toimintaa.

Jakelumuuntajat voivat saavuttaa alhaiset tyhjäkäyntihäviöt käyttämällä ytimiä, jotka on valmistettu pienihäviöisestä korkean läpäisevyyden piiteräksestä tai amorfisesta (ei-kiteisestä) metalliseoksesta . Sydänmateriaalin korkeammat alkukustannukset kompensoivat muuntajan käyttöiän aikana sen pienemmillä häviöillä kevyellä kuormituksella.

Kiinteät ytimet

Jauherautaytimiä käytetään virtapiireissä, kuten hakkuriteholähteissä, jotka toimivat verkkotaajuuksien yläpuolella ja muutaman kymmenen kilohertsin taajuudella. Näissä materiaaleissa yhdistyvät korkea magneettinen permeabiliteetti ja korkea bulkkisähkövastus . VHF-kaistan yli ulottuvilla taajuuksilla johtamattomista magneettisista keraamisista materiaaleista, joita kutsutaan ferriiteiksi , valmistetut sydämet ovat yleisiä. Joissakin radiotaajuusmuuntajissa on myös siirrettävät ytimet (joita kutsutaan joskus "slugeiksi"), jotka mahdollistavat viritettyjen radiotaajuuspiirien kytkentäkertoimen (ja kaistanleveyden ) säätämisen.

Toroidaaliset ytimet

Pieni toroidisydänmuuntaja

Toroidimuuntajat on rakennettu renkaan muotoisen ytimen ympärille, joka toimintataajuudesta riippuen on valmistettu pitkästä piiteräksestä tai permalloy-nauhasta, joka on kierretty kelaksi , rautajauheeksi tai ferriitiksi . Nauharakenne varmistaa, että raeraajat ovat optimaalisesti kohdistettuja, mikä parantaa muuntajan tehokkuutta vähentämällä sydämen reluktanssia . Suljettu rengasmuoto eliminoi EI-ytimen rakenteelle luontaiset ilmaraot. Renkaan poikkileikkaus on yleensä neliön tai suorakaiteen muotoinen, mutta saatavilla on myös kalliimpia, pyöreitä hylsyjä. Primääri- ja toisiokäämit kierretään usein samankeskisesti peittämään sydämen koko pinta. Tämä minimoi tarvittavan johtimen pituuden ja tarjoaa suojauksen, joka minimoi sydämen magneettikentän sähkömagneettisia häiriöitä aiheuttamasta .

Toroidimuuntajat ovat tehokkaampia kuin halvemmat laminoidut EI-tyypit samanlaisella tehotasolla. Muita etuja EI-tyyppeihin verrattuna ovat pienempi koko (noin puolet), pienempi paino (noin puolet), vähemmän mekaanista huminaa (jolloin ne ovat parempia äänivahvistimissa), pienempi ulkoinen magneettikenttä (noin kymmenesosa), pienet kuormitushäviöt ( tekee niistä tehokkaampia valmiustilapiireissä), yksipulttikiinnitys ja suurempi muotovalikoima. Tärkeimmät haitat ovat korkeammat kustannukset ja rajoitettu tehokapasiteetti (katso Luokitteluparametrit alla). Koska magneettisella tiellä ei ole jäännösrakoa, toroidimuuntajilla on taipumus myös osoittaa korkeampaa syöttövirtaa laminoituihin EI-tyyppeihin verrattuna.

Ferriittisiä toroidisia ytimiä käytetään korkeammilla taajuuksilla, tyypillisesti muutamasta kymmenestä kilohertsistä satoihin megahertseihin, vähentämään häviöitä, fyysistä kokoa ja induktiivisten komponenttien painoa. Toroidimuuntajan rakenteen haittana on käämityksen korkeammat työkustannukset. Tämä johtuu siitä, että käämin koko pituus on johdettava sydämen aukon läpi aina, kun kelaan lisätään yksi kierros. Tämän seurauksena yli muutaman kVA:n toroidimuuntajat ovat harvinaisia. Toroideja, joiden teho on yli 10 kVA, tarjotaan suhteellisen vähän, ja käytännöllisesti katsoen ei yhtään yli 25 kVA. Pienet jakelumuuntajat voivat saavuttaa joitain toroidisen sydämen etuja halkaisemalla sen ja pakottamalla sen auki ja asettamalla sitten paikalleen puolan, jossa on ensiö- ja toisiokäämi.

Ilmaytimet

Muuntaja voidaan valmistaa asettamalla käämit lähelle toisiaan, järjestelyä kutsutaan "ilmaydinmuuntajaksi". Ilmasydänmuuntaja eliminoi ydinmateriaalin hystereesistä johtuvan häviön. Magnetointiinduktanssi pienenee huomattavasti magneettisydämen puuttuessa, mikä johtaa suuriin magnetointivirtoihin ja häviöihin, jos sitä käytetään matalilla taajuuksilla. Ilmasydänmuuntajat eivät sovellu käytettäväksi sähkönjakelussa, mutta niitä käytetään usein radiotaajuussovelluksissa. Ilmaytimiä käytetään myös resonanssimuuntajiin , kuten Tesla-käämiin, joissa niillä voidaan saavuttaa kohtuullisen pieni häviö alhaisesta magnetointiinduktanssista huolimatta.

Käämit

Käämit on yleensä järjestetty samankeskisesti vuovuodon minimoimiseksi.
Leikkaa näkymä muuntajan käämien läpi. Selite:
Valkoinen : Ilma, neste tai muu eristysaine
Vihreä spiraali : Raesuuntautunut piiteräs
Musta : Ensisijainen käämi
Punainen : Toisiokäämi

Käämityksissä käytettävä sähköjohdin riippuu sovelluksesta, mutta kaikissa tapauksissa yksittäiset kierrokset on eristettävä sähköisesti toisistaan, jotta varmistetaan, että virta kulkee läpi jokaisen kierroksen. Pienissä muuntajissa, joissa virrat ovat alhaiset ja vierekkäisten kierrosten välinen potentiaaliero pieni, kelat on usein kierretty emaloidusta magneettilangasta . Suuremmat tehomuuntajat voidaan kääriä kuparisilla suorakaiteen muotoisilla nauhajohtimilla, jotka on eristetty öljyllä kyllästetyllä paperilla ja puristuslevylohkoilla .

Kymmenistä satoihin kilohertseihin toimivissa suurtaajuisissa muuntajissa on usein käämit, jotka on tehty punotusta Litz-langasta skin-efektin ja läheisyysvaikutuksen häviöiden minimoimiseksi. Suuret tehomuuntajat käyttävät myös monisäikeisiä johtimia, koska myös pienillä tehotaajuuksilla suurvirtakäämeissä esiintyisi epätasaista virran jakautumista. Jokainen säie on eristetty erikseen ja säikeet on järjestetty siten, että käämityksen tietyissä kohdissa tai koko käämin läpi kukin osa on eri suhteellisissa paikoissa koko johtimessa. Transpositio tasoittaa jokaisessa johtimen säikeessä kulkevaa virtaa ja vähentää pyörrevirtahäviöitä itse käämissä. Säikeinen johdin on myös joustavampi kuin samankokoinen kiinteä johdin, mikä helpottaa valmistusta.

Signaalimuuntajien käämit minimoivat vuodon induktanssin ja hajakapasitanssin parantaakseen korkeataajuista vastetta. Kelat jaetaan osiin, ja nämä osat limitetään toisen käämin osien väliin.

Tehotaajuusmuuntajissa voi olla käämin välipisteissä, yleensä korkeamman jännitteen käämin puolella, jännitteen säätöä varten. Hanat voidaan kytkeä uudelleen manuaalisesti tai manuaalinen tai automaattinen kytkin voidaan varustaa hanojen vaihtamista varten. Automaattisia käämikytkimiä käytetään sähkönsiirrossa tai -jakelussa, laitteissa, kuten valokaariuunimuuntajissa , tai herkkien kuormien automaattisissa jännitteensäätimissä. Äänitaajuusmuuntajissa, joita käytetään äänen jakamiseen yleisäänkaiuttimiin, on tapit, jotka mahdollistavat kunkin kaiuttimen impedanssin säätämisen. Keskikierteitettyä muuntajaa käytetään usein äänitehovahvistimen lähtöasteessa push -pull- piirissä . AM -lähettimien modulaatiomuuntajat ovat hyvin samanlaisia.

Jäähdytys

Leikkausnäkymä nesteeseen upotettavasta muuntajasta. Yläosassa oleva paisuntasäiliö (säiliö) eristää nesteestä ilmakehään jäähdytysnesteen tason ja lämpötilan muuttuessa. Seinät ja rivat takaavat tarvittavan lämmönpoiston.

Nyrkkisääntönä on, että sähköeristyksen käyttöikä puolittuu noin joka 7 °C - 10 °C käyttölämpötilan nousu (esimerkki Arrhenius-yhtälön soveltamisesta ).

Pienet kuivatyyppiset ja nesteeseen upotetut muuntajat jäähtyvät usein luonnollisella konvektiolla ja säteilylämmön hajoamalla. Tehon kasvaessa muuntajia jäähdytetään usein ilmajäähdytyksellä, pakotetulla öljyjäähdytyksellä, vesijäähdytyksellä tai näiden yhdistelmillä. Suuret muuntajat on täytetty muuntajaöljyllä, joka sekä jäähdyttää että eristää käämit. Muuntajaöljy on pitkälle jalostettu mineraaliöljy, joka jäähdyttää käämityksiä ja eristystä kiertämällä muuntajan säiliössä. Mineraaliöljy- ja paperieristysjärjestelmää on tutkittu ja käytetty laajasti yli 100 vuoden ajan. On arvioitu, että 50 % tehomuuntajista selviää 50 vuoden käytössä, että tehomuuntajien keskimääräinen vikaantumisikä on noin 10-15 vuotta ja että noin 30 % tehomuuntajien vioista johtuu eristys- ja ylikuormitushäiriöistä. Pitkäaikainen käyttö korotetussa lämpötilassa heikentää käämin eristyksen ja dielektrisen jäähdytysnesteen eristysominaisuuksia, mikä ei ainoastaan ​​lyhennä muuntajan käyttöikää, vaan voi lopulta johtaa katastrofaaliseen muuntajan vikaan. Ohjeena on laaja empiirinen tutkimus, ja muuntajaöljyn testaus , mukaan lukien liuenneen kaasun analyysi , tarjoaa arvokasta huoltotietoa.

Rakennusmääräykset monilla lainkäyttöalueilla edellyttävät, että sisätiloissa täytetyissä nestemäisissä muuntajissa käytetään joko öljyä vähemmän syttyviä dielektrisiä nesteitä tai ne asennetaan palonkestäviin tiloihin. Ilmajäähdytteiset kuivamuuntajat voivat olla taloudellisempia, jos ne eliminoivat palonkestävän muuntajahuoneen kustannukset.

Nestetäytteisten muuntajien säiliössä on usein pattereita, joiden läpi nestemäinen jäähdytysneste kiertää luonnollisella konvektiolla tai ripoilla. Jotkut suuret muuntajat käyttävät sähköpuhaltimia pakotettuun ilmajäähdytykseen, pumppuja pakkojäähdytykseen nesteellä tai niissä on lämmönvaihtimet vesijäähdytystä varten. Öljyupotettu muuntaja voidaan varustaa Buchholz-releellä , jota käytetään sisäisestä valokaaresta johtuvan kaasun kertymisen vakavuudesta riippuen muuntajan hälytykseen tai jännitteettömäksi. Öljyupotetut muuntajaasennukset sisältävät yleensä palontorjuntatoimenpiteitä, kuten seinät, öljyneristyksen ja palonsammutussprinklerijärjestelmät.

Polyklooratuilla bifenyyleillä (PCB:t) on ominaisuuksia, jotka aikoinaan suosivat niiden käyttöä dielektrisenä jäähdytysaineena , vaikka huoli niiden ympäristön kestävyydestä johti niiden käytön laajaan kieltoon. Nykyään voidaan käyttää myrkyttömiä, stabiileja silikonipohjaisia ​​öljyjä tai fluorattuja hiilivetyjä , jos palonkestävän nesteen hinta kompensoi muuntajaholvin lisärakennuskustannukset. Muuntajien pitkä käyttöikä voi kuitenkin tarkoittaa, että altistumismahdollisuus voi olla suuri kauan kiellon jälkeen.

Jotkut muuntajat ovat kaasueristettyjä. Niiden käämit suljetaan suljetuissa, paineistetuissa säiliöissä ja jäähdytetään typellä tai rikkiheksafluoridikaasulla .

500-1000 kVA kokeelliset tehomuuntajat on rakennettu nestemäisellä typellä tai heliumilla jäähdytetyillä suprajohtavilla käämeillä, mikä eliminoi käämien häviöt vaikuttamatta ydinhäviöihin.

Eristys

Sähköaseman muuntaja testauksessa.

Eristys on järjestettävä käämien yksittäisten kierrosten väliin, käämien väliin, käämien ja sydämen väliin sekä käämien liittimiin.

Pienten muuntajien kierrosten välinen eristys voi olla kerros eristävää lakkaa johdossa. Paperi- tai polymeerikalvokerros voidaan asettaa käämikerrosten väliin sekä ensiö- ja toisiokäämien väliin. Muuntaja voidaan pinnoittaa tai upottaa polymeerihartsiin käämien lujuuden parantamiseksi ja niiden suojaamiseksi kosteudelta tai korroosiolta. Hartsi voidaan kyllästää käämieristykseen käyttämällä tyhjiön ja paineen yhdistelmiä päällystysprosessin aikana, jolloin käämissä ei ole ilmaa. Rajassa koko kela voidaan asettaa muottiin ja valeta sen ympärille kiinteänä kappaleena, joka kapseloi käämit.

Suuret öljytäytteiset tehomuuntajat käyttävät käämityksiä, jotka on kääritty eristyspaperilla, joka kyllästetään öljyllä muuntajan asennuksen yhteydessä. Öljyllä täytetyissä muuntajissa käytetään pitkälle jalostettua mineraaliöljyä käämien ja sydämen eristämiseen ja jäähdyttämiseen. Öljytäyttöisten muuntajien rakentaminen edellyttää, että käämityksiä peittävä eriste kuivataan perusteellisesti jäännöskosteudelta ennen öljyn lisäämistä. Kuivaus voidaan tehdä kierrättämällä kuumaa ilmaa sydämen ympärillä, kierrättämällä ulkoisesti lämmitettyä muuntajaöljyä tai höyryfaasikuivauksella (VPD), jossa haihtunut liuotin siirtää lämpöä kondensoitumalla käämiin ja sydämeen. Pienissä muuntajissa käytetään vastuslämmitystä ruiskuttamalla virtaa käämiin.

Holkit

Suuremmat muuntajat on varustettu korkeajänniteeristetyillä polymeereistä tai posliinista valmistetuilla holkeilla . Suuri läpivienti voi olla monimutkainen rakenne, koska sen on säädettävä huolellisesti sähkökentän gradienttia antamatta muuntajan vuotaa öljyä.

Luokitteluparametrit

Sähköasema Melbournessa , Australiassa , jossa on kolme viidestä 220 kV – 66 kV muuntajasta, joista jokaisen kapasiteetti on 150 MVA

Muuntajat voidaan luokitella monella tapaa, kuten seuraavasti:

  • Teholuokitus : Voltiampeerin (VA) murto-osasta yli tuhanteen MVA:aan.
  • Muuntajan toiminta : Jatkuva, lyhytaikainen, ajoittainen, jaksollinen, vaihteleva.
  • Taajuusalue : Tehotaajuus , äänitaajuus tai radiotaajuus .
  • Jänniteluokka : Muutamista volteista satoihin kilovoltteihin.
  • Jäähdytystyyppi : Kuiva tai nesteeseen upotettu; itsejäähdytteinen, pakotettu ilmajäähdytteinen; pakotettu öljyjäähdytteinen, vesijäähdytteinen.
  • Sovellus : virtalähde, impedanssin sovitus, lähtöjännitteen ja virran stabilointi, pulssi , piirin eristys, tehonjako , tasasuuntaaja , kaariuuni , vahvistimen lähtö jne.
  • Magneettinen perusmuoto : Ydinmuoto, kuorimuoto, samankeskinen, sandwich.
  • Vakiopotentiaalisen muuntajan kuvaaja : Nosto, porrastettu, eristys .
  • Yleinen käämikokoonpano : IEC-vektoriryhmän mukaan kahden käämin yhdistelmät vaihemerkinnöistä delta, wye tai tähti ja siksak ; automuuntaja , Scott-T
  • Tasasuuntaajan vaihesiirtokäämitys : 2-käämi, 6-pulssi; 3-käämi, 12-pulssi; . . ., n -käämi, [ n  − 1]·6-pulssi; monikulmio; jne..

Sovellukset

Muuntaja Limestone Generating Stationissa Manitobassa , Kanadassa

Erilaiset erityiset sähkösovellusmallit vaativat erilaisia ​​muuntajatyyppejä . Vaikka niillä kaikilla on yhteiset muuntajan perusperiaatteet, ne on räätälöity rakenteeltaan tai sähköisiltä ominaisuuksiltaan tiettyjä asennusvaatimuksia tai piiriolosuhteita varten.

Sähkövoimansiirrossa muuntajat mahdollistavat sähkötehon siirron suurilla jännitteillä, mikä vähentää johtojen kuumenemisesta aiheutuvaa häviötä. Tämä mahdollistaa tuotantolaitosten sijoittamisen taloudellisesti etäälle sähkönkuluttajista. Pieniä osaa lukuun ottamatta maailman sähköteho on kulkenut muuntajien läpi, kun se saavuttaa kuluttajan.

Monissa elektroniikkalaitteissa muuntajaa käytetään muuntamaan jännite jakelujohdosta sopiviksi arvoiksi piirin vaatimuksia varten joko suoraan voimalinjan taajuudella tai hakkuriteholähteen kautta .

Signaali- ja äänimuuntajia käytetään kytkemään vahvistimien vaiheita ja sovittamaan laitteet, kuten mikrofonit ja levysoittimet , vahvistimien tuloon. Äänimuuntajat mahdollistivat puhelinpiirien kaksisuuntaisen keskustelun yhden johtoparin yli. Balun - muuntaja muuntaa signaalin, joka on viitattu maahan, signaaliksi, jolla on tasapainotetut jännitteet maahan , kuten ulkoisten kaapelien ja sisäisten piirien välillä. Erotusmuuntajat estävät virran vuotamisen toisiopiiriin, ja niitä käytetään lääketieteellisissä laitteissa ja rakennustyömailla. Resonanssimuuntajia käytetään kytkentään radiovastaanottimien vaiheiden välillä tai korkeajännitteisissä Tesla-käämeissä.

Kaavio suuresta öljytäytteisestä tehomuuntajasta 1. Säiliö 2. Kansi 3. Paisuntasäiliö 4. Öljyn tason ilmaisin 5. Buchholz-rele kaasukuplien havaitsemiseen sisäisen vian jälkeen 6. Putket 7. Käämikytkimen 8. Käämikytkimen käyttömoottori 9. Käämikytkimen käyttöakseli 10. Suurjänniteläpivienti (HV) 11. Suurjänniteläpivientivirtamuuntajat 12. Pienjänniteläpivienti (LV) 13. Pienjännitevirtamuuntajat 14. Läpivientijännite-muuntaja mittaukseen 15. Sydän 16. Haku ytimen 17. Haarat yhdistävät ikeet ja pitävät niitä ylhäällä 18. Kelat 19. Sisäiset johdot käämien ja käämikytkimen välillä 20. Öljynpoistoventtiili 21. Tyhjiöventtiili

Historia

Induktion löytäminen

Faradayn kokeilu induktiolla lankakelojen välillä

Sähkömagneettisen induktion , muuntajan toimintaperiaatteen, löysivät itsenäisesti Michael Faraday vuonna 1831 ja Joseph Henry vuonna 1832. Vain Faraday jatkoi kokeitaan siihen pisteeseen asti, että hän laati yhtälön, joka kuvaa EMF:n ja magneettivuon välistä suhdetta, joka tunnetaan nykyään nimellä Faradayn induktiolaki :

missä on EMF:n suuruus voltteina ja Φ B on piirin läpi kulkeva magneettivuo webersissä .

Faraday suoritti varhaisia ​​kokeita lankakelojen välisestä induktiosta, mukaan lukien kelaparin käämitys rautarenkaan ympärille, mikä loi ensimmäisen toroidisen suljetun ydinmuuntajan. Hän käytti kuitenkin vain yksittäisiä virtapulsseja muuntajaansa, eikä koskaan löytänyt suhdetta kierrossuhteen ja EMF:n välillä käämeissä.

Induktiokela, 1900, Bremerhaven, Saksa

Induktiokelat

Faradayn rengasmuuntaja

Ensimmäinen laajassa käytössä ollut muuntajatyyppi oli induktiokäämi , jonka pastori Nicholas Callan Maynooth Collegesta Irlannista keksi vuonna 1836. Hän oli yksi ensimmäisistä tutkijoista, joka ymmärsi, mitä enemmän toisiokäämillä on kierroksia suhteessa ensiökäämiin. , sitä suurempi indusoitu sekundaarinen EMF on. Induktiokelat kehittyivät tutkijoiden ja keksijöiden pyrkimyksistä saada korkeampaa jännitettä akuista. Koska akut tuottavat tasavirtaa (DC) vaihtovirran sijasta, induktiokelat luottivat värähteleviin sähkökoskettimiin , jotka säännöllisesti katkaisivat virran ensiöjohdossa luodakseen induktioon tarvittavat vuon muutokset. 1830- ja 1870-lukujen välisenä aikana pyrkimykset rakentaa parempia induktiokeloja, enimmäkseen yrityksen ja erehdyksen avulla, paljastivat hitaasti muuntajien perusperiaatteet.

Ensimmäiset vaihtovirtamuuntajat

1870-luvulle mennessä oli saatavilla tehokkaita vaihtovirtaa (AC) tuottavia generaattoreita , ja havaittiin, että vaihtovirta voi syöttää induktiokäämiä suoraan ilman katkaisijaa .

Vuonna 1876 venäläinen insinööri Pavel Yablochkov keksi valaistusjärjestelmän, joka perustui induktiokäämiin, joissa ensiökäämit yhdistettiin vaihtovirtalähteeseen. Toisiokäämit voitiin liittää useisiin hänen suunnittelemiinsa "sähkökynttilöihin" (kaarilamppuihin). Yablochkovin käyttämät kelat toimivat pääasiassa muuntajina.

Vuonna 1878 Ganzin tehdas Budapestissa Unkarissa aloitti sähkövalaistuksen laitteiden valmistuksen, ja vuoteen 1883 mennessä se oli asentanut yli viisikymmentä järjestelmää Itävalta-Unkariin. Heidän vaihtovirtajärjestelmänsä käyttivät kaari- ja hehkulamppuja, generaattoreita ja muita laitteita.

Lucien Gaulard ja John Dixon Gibbs esittelivät ensimmäisen kerran avoimella rautaytimellä varustettua laitetta, jota kutsuttiin "toissijaiseksi generaattoriksi" Lontoossa vuonna 1882, minkä jälkeen he myivät idean Westinghouse - yritykselle Yhdysvalloissa. He esittelivät keksintöä myös Torinossa, Italiassa vuonna 1884, missä se otettiin käyttöön sähkövalaistusjärjestelmässä.

Varhaisen sarjan piirimuuntajien jakelu

Induktiokelat, joissa on avoimet magneettipiirit, ovat tehottomia siirtämään tehoa kuormille . Noin vuoteen 1880 asti vaihtovirtasyötön paradigma suurjännitelähteestä pienjännitekuormaan oli sarjapiiri. Avosydämiset muuntajat, joiden suhde oli lähellä 1:1, kytkettiin primääriensä kanssa sarjaan korkean jännitteen käytön mahdollistamiseksi lähetykseen samalla kun lampuille annettiin matala jännite. Tämän menetelmän luontainen puute oli, että yhden lampun (tai muun sähkölaitteen) sammuttaminen vaikutti jännitteeseen, joka syötettiin kaikille muille samassa piirissä. Monia säädettäviä muuntajamalleja otettiin käyttöön kompensoimaan tätä sarjapiirin ongelmallista ominaisuutta, mukaan lukien sellaiset, jotka käyttävät menetelmiä sydämen säätämiseksi tai magneettivuon ohittamiseksi kelan osan ympärillä. Tehokkaat, käytännölliset muuntajamallit ilmestyivät vasta 1880-luvulla, mutta vuosikymmenen kuluttua muuntajasta tulee tärkeä rooli virtojen sodassa ja näkemään vaihtovirtajakelujärjestelmien voiton DC-vastaavistaan, missä ne ovat pysyneet hallitsevassa asemassa aina. siitä asti kun.

Kuoren muotoinen muuntaja. Uppenbornin käyttämä luonnos kuvaamaan ZBD-insinöörien vuoden 1885 patentteja ja varhaisimpia artikkeleita.
Ydinmuoto, edessä; kuoren muoto, selkä. Varhaisimmat näytteet ZBD-suunnitelluista korkeatehoisista vakiojännitemuuntajista, jotka valmistettiin Ganzin tehtaalla vuonna 1885.
ZBD-tiimiin kuuluivat Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy ja Miksa Déri
Stanleyn vuoden 1886 malli säädettävärakoisille avoimen ytimen induktiokäämeille

Suljetut muuntajat ja rinnakkaisvirranjakelu

Syksyllä 1884 Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy ja Miksa Déri (ZBD), kolme Ganzin tehtaaseen liittyvää unkarilaista insinööriä , olivat päättäneet, että avoimen ytimen laitteet eivät olleet käyttökelpoisia, koska ne eivät pystyneet säätelemään jännitettä luotettavasti. Heidän yhteisissä 1885 patenttihakemuksissaan uusille muuntajille (myöhemmin nimeltään ZBD-muuntajat), he kuvasivat kaksi mallia suljetuilla magneettipiireillä, joissa kuparikäämit joko kierrettiin rautalankarenkaan ytimen ympärille tai ympäröitiin rautalankaytimen kanssa. Nämä kaksi mallia olivat ensimmäinen sovellus kahdelle perusmuuntajarakenteelle, jotka ovat yleisesti käytössä tähän päivään, ja niitä kutsutaan nimellä "ydinmuoto" tai "kuorimuoto". Ganzin tehdas oli myös syksyllä 1884 toimittanut maailman viisi ensimmäistä korkean hyötysuhteen vaihtovirtamuuntajaa, joista ensimmäinen toimitettiin 16. syyskuuta 1884. Tämä ensimmäinen yksikkö oli valmistettu seuraavien eritelmien mukaan: 1 400 W , 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, suhde 1,67:1, yksivaiheinen, kuorimuoto.

Molemmissa malleissa ensiö- ja toisiokäämiä yhdistävä magneettivuo kulki lähes kokonaan rautasydämen rajojen sisällä ilman tarkoituksellista reittiä ilman läpi (katso toroidiytimet alla). Uudet muuntajat olivat 3,4 kertaa tehokkaampia kuin Gaulardin ja Gibbsin avoimet kaksinapaiset laitteet. ZBD-patentit sisälsivät kaksi muuta suurta toisiinsa liittyvää innovaatiota: yksi koski rinnakkaiskytketyn käyttökuormituksen käyttöä sarjakytketyn sijaan, toinen koski mahdollisuutta käyttää korkean kierrossuhteen muuntajia siten, että syöttöverkon jännite voisi olla paljon suurempi (alku 1400 2000 V) kuin käyttökuormien jännite (100 V alunperin suositeltava). Rinnakkaisliitetyissä sähkönjakelujärjestelmissä käytettäessä suljetut muuntajat tekivät lopulta teknisesti ja taloudellisesti mahdolliseksi tarjota sähköä kotien, yritysten ja julkisten tilojen valaistukseen. Bláthy oli ehdottanut suljettujen ytimien käyttöä, Zipernowsky oli ehdottanut rinnakkaisten shunttiliitosten käyttöä ja Déri oli suorittanut kokeet; Vuoden 1885 alussa kolme insinööriä eliminoivat myös pyörrevirtahäviöiden ongelman keksimällä sähkömagneettisten ytimien laminoinnin.

Nykyään muuntajat on suunniteltu kolmen insinöörin löytämien periaatteiden mukaan. He myös suosittelivat sanaa "muuntaja" kuvaamaan laitetta, jolla muutetaan sähkövirran EMF:ää, vaikka termi oli ollut käytössä jo vuonna 1882. Vuonna 1886 ZBD:n insinöörit suunnittelivat ja Ganzin tehdas toimitti sähkölaitteita maailman ensimmäinen voimalaitos, joka käytti vaihtovirtageneraattoreita rinnankytketyn yhteisen sähköverkon, höyrykäyttöisen Rome-Cerchin voimalaitoksen, virtalähteeksi.

Westinghousen parannukset

Westinghousen kehittämät "E"-muotoiset levyt muuntajaytimille

Vaikka George Westinghouse oli ostanut Gaulardin ja Gibbsin patentit vuonna 1885, Edison Electric Light Companylla oli optio Yhdysvaltain oikeuksista ZBD-muuntajiin, mikä vaati Westinghousen jatkamaan vaihtoehtoisia malleja samoilla periaatteilla. Hän antoi William Stanleylle tehtävän kehittää laite kaupalliseen käyttöön Yhdysvalloissa. Stanleyn ensimmäinen patentoitu malli oli tarkoitettu induktiokeloille, joissa oli yksi pehmeä rautaytiminen ja säädettävät raot toisiokäämissä olevan EMF:n säätelemiseksi (katso kuva). Tätä mallia käytettiin ensimmäisen kerran kaupallisesti Yhdysvalloissa vuonna 1886, mutta Westinghouse aikoi parantaa Stanley-mallia tehdäkseen siitä (toisin kuin ZBD-tyypistä) helppoa ja halpaa valmistaa.

Westinghouse, Stanley ja kumppanit kehittivät pian ytimen, joka oli helpompi valmistaa ja joka koostui pinosta ohuita "E-muotoisia" rautalevyjä, jotka oli eristetty ohuilla paperiarkeilla tai muulla eristemateriaalilla. Esikäämityt kuparikelat voitiin sitten liu'uttaa paikoilleen ja asettaa suoria rautalevyjä suljetun magneettipiirin luomiseksi. Westinghouse sai patentin uudelle edulliselle mallille vuonna 1887.

Muut varhaiset muuntajamallit

Vuonna 1889 venäläissyntyinen insinööri Mihail Dolivo-Dobrovolsky kehitti ensimmäisen kolmivaiheisen muuntajan Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaftissa ("Yleinen sähköyhtiö") Saksassa.

Vuonna 1891 Nikola Tesla keksi Tesla-kelan , ilmasydämen, kaksiviritetyn resonanssimuuntajan erittäin korkeiden jännitteiden tuottamiseen korkealla taajuudella.

Varhaiset kokeilijat käyttivät puhelimen kehittämisessä äänitaajuusmuuntajia ( " toistokelat ") .

Katso myös

Huomautuksia

Viitteet

Bibliografia

Ulkoiset linkit

Yleisiä linkkejä :