Transformatoren zijn de meest herkenbare apparatuur in energiesystemen. Ze zijn groot, onderscheidend, in principe eenvoudig maar vergen veel onderhoud, waardoor ze veel substantiëler lijken dan 'kabels'. In het elektriciteitsnetdiagram fungeren transformatoren als de backbone-knooppunten, terwijl andere apparatuur als hun verbindingen dient.

Dit artikel introduceert de componenten, principes, functies, classificatie en toepassingsscenario's van transformatoren.

1. Samenstelling van een transformator

Een transformator bestaat hoofdzakelijk uit een kern en wikkelingen.

De kern fungeert als het magnetische circuitpad van de transformator, terwijl de wikkelingen het elektrische circuitgedeelte vormen, dat tot stand wordt gebracht door een bepaald aantal windingen met geëmailleerde-draad te wikkelen.

Degene die op de stroombron is aangesloten, wordt de primaire wikkeling genoemd, ook wel de primaire spoel genoemd. Degene die op de belasting is aangesloten, wordt de secundaire wikkeling genoemd, ook wel de secundaire spoel genoemd, of de secundaire zijwikkeling.

De basisvormen van kernstructuren zijn het hart-vormige kerntype en het schaaltype.

• Hart-vormige kerntransformator

De kolommen van een kerntransformator van het type- zijn omgeven door wikkelingen. Simpel gezegd omringen de wikkelingen de kern, waardoor de structuur relatief eenvoudig en gemakkelijker te monteren en te isoleren is. Daarom gebruiken transformatoren vaak een structuur van het kerntype-.

• Transformator van het type Shell-

Bij een transformator van het schaal-type omringt de kern de wikkeling. Transformatoren van het Shell--type hebben een hoge mechanische sterkte en uitstekende hoeken, maar hun productieproces is complex en vereist meer materialen. Ze worden doorgaans alleen gebruikt in transformatoren met lage-spanning, hoge-stroom of vermogenstransformatoren met kleine- capaciteit.

2. Basiswerkprincipe van een transformator

Een transformator werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie.

Wanneer een geschikte wisselstroomvoeding wordt aangesloten op beide uiteinden van de primaire wikkeling, onder invloed van de voedingsspanning u₁, een wisselstroom i₀ stroomt door de primaire wikkeling en genereert een magnetomotorische kracht in de primaire wikkeling. Dit wekt een wisselende magnetische flux ϕ in de kern op. Deze wisselende flux ϕ verbindt zowel de primaire als de secundaire wikkelingen. Volgens de wet van elektromagnetische inductie, geïnduceerde elektromotorische krachten e₁en e₂worden respectievelijk gegenereerd in de primaire en secundaire wikkelingen. Onder invloed van de geïnduceerde elektromotorische kracht e₂, kan de secundaire wikkeling stroom leveren aan de belasting, waardoor energieoverdracht wordt bereikt.

De verhouding van de geïnduceerde elektromotorische krachten in de primaire en secundaire wikkelingen is gelijk aan de verhouding van het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkelingen. De grootte van de geïnduceerde elektromotorische kracht e₁aan de primaire zijde ligt dicht bij de aangelegde spanning u₁aan de primaire zijde, terwijl de grootte van de geïnduceerde elektromotorische kracht e₂aan de secundaire zijde ligt dicht bij de uitgangsspanning u₂aan de secundaire zijde.

Door eenvoudigweg één of twee keer het aantal windingen in de primaire of secundaire wikkeling te veranderen, wordt de uitgangsspanning u₂kan worden aangepast. Dit is het fundamentele werkingsprincipe van een transformator, die gebruik maakt van het principe van elektromagnetische inductie om een ​​wisselstroombron met één spanningsniveau om te zetten in een wisselstroombron met dezelfde frequentie maar een ander spanningsniveau.

2. Basisfuncties van een transformator

De basisfuncties van een transformator omvatten spanningsconversie, stroomconversie, impedantieconversie, isolatie en spanningsregeling.

Spanningstransformatie: Transformatoren kunnen de spanning van wisselstroom verhogen of verlagen om aan verschillende elektriciteitsbehoeften te voldoen. Een step-up-transformator wordt bijvoorbeeld gebruikt om de spanning van een energiecentrale te verhogen om het energieverlies tijdens de transmissie te verminderen, terwijl een step-down-transformator wordt gebruikt om de hoge spanning te verlagen naar een veilige gebruiksspanning.

Stroomtransformatie: Door de spanning te veranderen, verandert een transformator dienovereenkomstig ook de stroom. Volgens de wet van behoud van energie neemt de stroom af als de spanning toeneemt, en omgekeerd. Deze eigenschap maakt transformatoren erg belangrijk bij de krachtoverbrenging, omdat ze de huidige belastingen effectief kunnen beheren.

Impedantietransformatie: Transformatoren kunnen de impedantie van een circuit veranderen, waardoor het geschikter wordt voor verschillende belastingsomstandigheden. Dit is vooral belangrijk bij audioapparatuur en andere elektronische apparaten, omdat het de signaaloverdrachtefficiëntie kan verbeteren.

Isolatie: Transformatoren kunnen elektrische isolatie bieden, waardoor de veiligheid van apparatuur en gebruikers wordt beschermd. Deze isolatie kan voorkomen dat hoogspanning laag-apparatuur beschadigt, waardoor de veilige werking van de apparatuur wordt gegarandeerd.

Spanningsregeling: Bepaalde typen transformatoren (zoals verzadigbare reactoren) kunnen worden gebruikt voor spanningsregeling, waardoor de spanningsstabiliteit wordt gehandhaafd en de betrouwbaarheid en stabiliteit van het energiesysteem wordt gewaarborgd.

4.Classificatie van transformatoren

4.1 Ingedeeld op capaciteit

• Kleine transformator: spanning onder 10KV, capaciteit tussen 1 en 500KVA.

• Kleine en middelgrote-transformatoren: spanning van 35 kV en lager, capaciteit van 630 tot 6300 kVA.

• Grote transformatoren: spanning van 110 kV en lager, capaciteit tussen 8000 en 63000 kVA.

4.2 Geclassificeerd op basis van gebruik

• Vermogenstransformator: Gebruikt voor het opvoeren, aftreden, distribueren en onderling verbinden van energietransmissie- en distributiesystemen, of specifiek gebruikt als transformatoren voor energiecentrales en onderstations.

• Instrumenttransformatoren: zoals spanningstransformatoren en stroomtransformatoren, gebruikt voor meetinstrumenten en relaisbeveiligingsapparatuur.

• Vermogenstransformator: gebruikt voor de besturingsvoeding, verlichting en indicatoren van algemene mechanische apparatuur.

• Elektronische transformator: gebruikt in elektronische circuits zoals schakelende-voedingen, audio-, puls- en impedantie-matching.

• Testtransformator: kan hoogspanning genereren voor het uitvoeren van hoog-spanningstests op elektrische apparatuur.

• Speciale transformatoren: zoals elektrische oventransformatoren, gelijkrichttransformatoren, spanningsregelende transformatoren, enz.

4.3 Geclassificeerd op basis van het aantal fasen van transformatorwikkelingen

• Een-fasige transformator: gebruikt voor een-fasige belastingen en drie- transformatorbanken.

• Drie-fasige transformator: wordt gebruikt om de spanning in drie-systemen te verhogen of te verlagen.

4.4 Geclassificeerd volgens transformatorkoelmethode

• Droge-transformator: gekoeld door luchtconvectie, meestal gebruikt voor transformatoren met kleine- capaciteit, zoals lokale verlichting en elektronische circuits.

• In olie-ondergedompelde transformator: een transformator die transformatorolie gebruikt als isolatie- en koelmedium, waarbij de kern en de wikkelingen volledig zijn ondergedompeld in de isolatieolie.

4.5 Geclassificeerd op basis van type transformatorwikkeling

• Dubbele-wikkeltransformator: wordt gebruikt om twee spanningsniveaus in het voedingssysteem aan te sluiten.

• Transformator met drie-wikkelingen: wordt doorgaans gebruikt in regionale onderstations van het energiesysteem om drie spanningsniveaus met elkaar te verbinden.

• Autotransformator: De primaire en secundaire wikkelingen worden gecombineerd tot één, gebruikt om voedingssystemen met verschillende spanningen aan te sluiten. Hij kan ook worden gebruikt als een gewone step-up- of step-down-transformator.

4.6 Geclassificeerd op bedrijfsfrequentie van de transformator

• Voedingsfrequentietransformator: de werkfrequentie is 50 Hz of 60 Hz.
• Middenfrequentietransformator: de werkfrequentie is 400–1000 Hz.
• Audiofrequentietransformator: de werkfrequentie is 20 Hz – 20 kHz.

• Supersonische frequentietransformator: De werkfrequentie ligt boven 20 kHz en over het algemeen niet hoger dan 100 kHz.

• Hoog{0}}transformator: een transformator met een werkfrequentie van 20 Hz tot meer dan 100 kHz.

5.Toepassingsscenario's van Transformers

5.1 Voedingssysteem

• Elektriciteitscentrales: Transformatoren worden gebruikt om de door generatoren gegenereerde spanning te verhogen voor transmissie naar het elektriciteitsnet, waardoor elektriciteitstransmissie over lange- afstanden mogelijk wordt.

• Onderstations: In onderstations zetten transformatoren hoog-elektriciteit onder spanning om in laag-elektriciteit om aan de behoeften van diverse elektrische apparatuur te voldoen. Tegelijkertijd kunnen transformatoren ook functies uitvoeren zoals blindvermogencompensatie en spanningsaanpassing, waardoor de stabiele werking van het voedingssysteem wordt gegarandeerd.

• Transmissielijnen: In transmissielijnen worden transformatoren gebruikt om de spanning te verhogen om energieverlies te verminderen, waardoor efficiënte elektriciteitstransmissie over lange- afstanden wordt bereikt.

5.2 Civiele sector

• Huishoudelijke elektriciteit: Stroomtransformatoren zetten hoog-elektriciteit om in laag-elektriciteit voor thuisgebruik, waardoor een normaal elektriciteitsverbruik voor de bewoners wordt gegarandeerd.

• Batterijen opladen: Of het nu een laptop, telefoon of elektrisch voertuig is, deze apparaten hebben batterijen nodig om te werken, en voor het opladen van de batterijen is een transformator nodig. De belangrijkste functie van een transformator is het regelen van de spanning en het voorkomen dat lekstromen of stootstromen door de apparaten gaan.

5.3 Communicatieveld

Communicatietransformatoren worden gebruikt in telefoonterminalcircuits en hoofdlijnproducten om de kwaliteit en staat van communicatiecircuits te regelen. Bovendien worden communicatietransformatoren veel gebruikt in kabelmodems, netwerkkaarten, hubs, xDSL-breedbandcommunicatieapparatuur, switches, glasvezeltransceivers, routers, ingebedde systemen en VoIP-netwerkcommunicatieapparatuur.

5.4Andere speciale toepassingen

• Audioapparatuur: Audiotransformatoren worden vaak gebruikt om isolatie te bieden voor signalen die door een circuit stromen en om de impedantiewaarden van de bron en de belasting te helpen matchen. Ze kunnen ook ongewenste of luidruchtige signalen elimineren en het ingangssignaal filteren. Dit soort transformatoren zijn specifiek ontworpen om signalen binnen het hoorbare bereik te verwerken, dat wil zeggen signalen met frequenties tussen 20 Hz en 20 kHz.

• Meetinstrumenten: Stroommeters, spanningsmeters en diverse andere meetinstrumenten en apparaten gebruiken doorgaans transformatoren voor algemene werking. Meetstroomtransformatoren bieden bijvoorbeeld de nodige veiligheid voor het circuit door het meetapparaat te isoleren van de rest van het circuit en grote stromen te onderdrukken of terug te dringen tot optimale waarden voordat ze naar de ampèremeter worden gevoerd.

• Rectificatie: Gelijkrichtertransformatoren kunnen wisselstroom naar gelijkstroom omzetten, met toepassingen zoals motorbesturing, mijnbouw, elektrische ovens, R&D-laboratoria, hoog-gelijkstroomtransmissie en meer.