Elektrisk (grund)teori Niveau F 60/10 kv forsyningstransformer på Bedsted Friluftsstation (foto Peter Valberg) september 2005

Transkript

1 Elektrisk (grund)teori 60/0 kv forsyningstransformer på Bedsted Friluftsstation (foto Peter Valberg) september 005

2 september 005 V Transformation Version.0 Transformerens formål Formålet med en transformer kan typisk bestå i et af følgende eksempler: At omsætte elektrisk energi ved et givent spændingsniveau til et andet niveau med så lidt tab som overhovedet muligt. At omsætte en given fast spænding til en trivis eller trinløs variabel spænding. At adskille forbrugeren og forsyningsnettet. At omsætte en høj spænding eller strøm til en praktisk målelig størrelse med lille usikkerhed. Transformerens princip Induktion En transformer fungerer magnetisk og bygger på princippet om induktion, hvilket medfører, at hvis en spole tilsluttes en vekselspænding, vil der opstå at varierende magnetfelt omkring den. Placeres en anden spole i dette magnetfelt, vil der i denne spole induceres (dannes) en vekselstrøm med samme frekvens (svingninger pr. sekund). Princippet i induktion: Omkring en strømførende leder opstår (induceres) et magnetfelt. I en leder, der udsættes for et varierende magnetfelt opstår (induceres) en strøm. Selvinduktion: år en spole tilsluttes en spænding, vil der begynde at løbe en strøm, - denne strøm danner et magnetfelt. Men dette magnetfelt inducerer en strøm i den spole, der skabte feltet, - dette kaldes for selvinduktion. Enheden for selvinduktion er Henry [H]. Den inducerede strøm har en modsat retning af den strøm, der skabte den, - den modvirker altså den oprindelige strøm (naturen ønsker ikke ændringer). år en spole tilsluttes en spænding, stiger strømmen derfor gradvist til den værdi, som er bestemt af spolens modstand ud fra Ohms lov. Der virker, som om modstanden i begyndelsen er meget større, end den faktisk er. Det omvendte sker, når den påtrykte spænding afbrydes. Så induceres der en strøm i samme retning som den oprindelige strøm, - strømmen falder altså ikke brat til nul (naturen modvirker igen ændringen). pvm redigeret den

3 september 005 V Transformation Version.0 Jernkerne Magnetfeltet fra en spole er kraftigst i spolens midte, - for effektivt at overføre energien fra den ene spole (den primære spole) til den anden spole (den sekundære spole), anbringes spolerne på en kerne af magnetiserbart jern. Magnetfeltet kan bedre løbe gennem jern end luft og spreder sig heller ikke så meget i en jernkerne som i luft, men overføres direkte til den sekundære spole. Bedst bliver det, hvis kernen er udformet som en lukket ring (ringkernetransformer). Sekundær Jo flere vindinger magnetfeltet skal passere gennem, jo større bliver den inducerede spænding. Hvis magnetfeltet fra primærspolen er konstant, bliver spændingen på sekundærsiden ligefrem proportional med antallet af vindinger i sekundærspolen. = α (hvor α er en konstant) Primær I primærspolen gælder tilsvarende forhold. Spændingen, der skal til for at skabe et givent magnetfelt, er ligefrem proportional med vindingstallet = α (hvor α er en konstant) Spændingsforhold Hvis hele magnetfeltet skabt af primærspolen også løber gennem sekundærspolen gælder det, at α = α så forholdet mellem og er lig med forholdet mellem og. = = n hvor n er viklingsforholdet og er defineret som: n = Sekundærspændingen kan følgelig bestemmes som: = = n pvm 3 redigeret den

4 september 005 V Transformation Version.0 Strømforhold år der trækkes en strøm I på sekundærsiden, vil dette medføre en strøm I på primærsiden. For en ideel transformer (dvs. en transformer uden tab) gælder det, at effekten P, der sendes ind i primærspolen (primærviklingen), er lig med den effekt P, der tappes ud af sekundærspolen (sekundærviklingen). I Dette betyder: P = I = I = I hvilket medfører: = = = n I Forholdet mellem strømmene i en transformers viklinger er altså modsat spændingernes omvendt proportional med forholdet mellem vindingstallene. Primærstrømmen kan følgelig bestemmes som: I I = I = n Eller udtrykt lidt anderledes: I = I Ampere-vinklingstallet Eksempel I er altså ens for begge sider af transformeren. Hvis netspændingen skal transformeres ned til 6 Volt skal viklingsforholdet være: 30 n = = = 38 6 Hvis der trækkes en sekundærstrøm på Ampere, vil primærsiden trække en strøm på: I I = = 6, 3mA n 38 Opbygning (princip) En transformer kan i princippet opbygges som tidligere skitse med en jernekerne med to ben, hvor primærviklingen er viklet på det ene ben og sekundærviklingen på det andet. Men for at mindske tabet er små transformatorer ofte bygget på en jernkerne med tre ben, - begge vindinger er så viklet på det midterste ben. Dette giver den bedste (magnetiske) kobling mellem de to viklinger. pvm 4 redigeret den

5 september 005 V Transformation Version.0 Tab i transformeren Tabene i en transformer skyldes hovedsageligt to ting kobbertab og jerntab. Kobbertab Kobbertabe er de tab, der opstår, når der løber en strøm gennem en leder med ohmsk modstand. Jo tykkere leder jo mindre modstand og dermed mindre tab. Men kobber er dyrt og tykkere ledere vejer mere og fylder mere. Kobbertabet er proportionalt med den strøm, der trækkes ud af transformeren. Da tabet omsættes i varme, er det derfor begrænset, hvor stor en strøm en transformer kan levere. Jerntab Jerntabet er de tab, der opstår i kernen. ogle tab har med magnetiseringen af kernen at gøre og er afhængige af belastningen de opstår så snart primærviklingen er tilsluttet en spænding. Andre tab hænger sammen med at jern er en leder, hvori der også induceres en strøm med ohmske tab til følge kaldet hvirvelstrømstabet. For at forhindre at der opstår hvirvelstrømme i jernet, fremstilles kernen normalt af tynde (lak)isolerede jernplader, som stakkes ovenpå hinanden (i fagsproget ofte kaldet transformerblik). Eller kernen kan være fremstillet a ferrit, der er et magnetisk men ikke ledende materiale. ogle almindelige transformertyper Skilletransformeren (sikkerhedstransformer) Der er ikke nogen elektrisk eller galvanisk forbindelse mellem primær og sekundær siden af transformeren (alle typer), - forbindelsen består kun af de magnetiske kraftlinier i kernen. Dette udnyttes i skilletransformeren, - årsagen til, at man får stød ved at berøre en spændingsførende leder på 30V, skyldes at spændingen forbindes til jord, som man altid ha mere eller mindre forbindelse med, - derfor kan der gå en strøm gennem en person. Anderledes forholder det sig med skilletransformeren, - den afleverer måske nok 30V på den sekundære side (kan ofte reguleres), men da sekundærspændingen ikke refererer til jord (som netspændingen gør) får man ikke stød ved at berøre den ene terminal på sekundærsiden. Men berøres begge terminaler på sekundærsiden samtidigt, mærker man selvfølgelig de 30V, selv om der ikke går strøm gennem personen til jord. pvm 5 redigeret den

6 september 005 V Transformation Version.0 Autotransformator En billigere type transformator er den såkaldte autotransformator, - den har kun et sæt viklinger. Sekundærviklingen er lavet som et udtag på spolen, - den kan transformere, men giver ikke galvanisk adskillelse mellem primær og sekundær spændingerne. Den kan altså ikke anvendes som skilletransformator. Forsyningstransformeren For forsyningstransformeren gælder, at den som andre transformere principielt består af en primærspole og en sekundær spole placeret omkring en jernkerne. Spolerne er placeret uden på hinanden på samme ben af kernen. Spolen tilsluttet den laveste spænding er i princippet altid placeret inderst nærmest jernkernen. Spolerne er adskilt fra hinanden med isolation i en eller anden form f.eks. ved anvendelse af isolationsrør. Viklingerne kan laves af såvel kobber som aluminium, - det mest anvendte materiale er dog kobber. Lavspændingsviklingen fører den største strøm og isoleres derfor med bomuld, hvis der er anvendt kobber og papir ved aluminium. Højspændingsviklingen isoleres med papir eller lak både ved kobber eller aluminium. Jernkernen Som en følgevirkning af det vekslende magnetfelt opstår der hvirvelstrømme i kernen, disse hvirvelstrømmes effekt afsættes som varmetab i transformerkernen. For at mindske dette tab, opbygger man kernen lamineret, hvilket vil sige, at kernen samles af flere "lameller" med en tykkelse på omkring 0, - 0,4mm. "Lamellerne" er udstanset af koldvalset strukturorienteret stålplader, som derefter samles isoleret fra hinanden med samme valseretning. Isoleringen kan f.eks. være lak. For store transformerkerner er "lamellerne" typisk sammenspændt med tværgående bolte, disse bolte er naturligvis isoleret fra "lamellerne" for ikke at kortslutte pladerne, og derved medføre hvirvelstrømstab. Da kernen til stadighed ommagnetiseres grundet frekvensen på forsyningsspændingen (AC), opstår et fænomen kaldet hysterese, hvilket medfører tab i transformerkernen. Hysterese opstår, da magnetismen i jernet ikke kan følge ændringerne i spolestrømmen, men vil være lidt forsinket. For at mindske tabene som følge af hysterese tilsætter man silicium til jernet, hvilket har til formål, at gøre hysteresesløjfen så smal som muligt. Yderlig opnår man, at jernets elektriske modstand øges, hvilket virker dæmpende på hvirvelstrømmene. pvm 6 redigeret den

7 september 005 V Transformation Version.0 Køling og isolation Transformere under drift vil have et behov for køling, da viklingerne og isolationen ellers vil tage skade, hvis temperaturen i transformeren overstiger den tilladelige grænse. For mindre transformere opstillet indendørs i tørre rum, vil man kunne nøjes med den naturligt cirkulerende omgivelsesluft som køling. Større transformere, anvendt som transmissions- eller distributions-transformere, er sædvanligvis nedsænket i olie. Olien virker her både som kølemiddel og isolering fra transformerens ydre kapsling. Varmen i disse transformere vil via olien blive ledt ud til den ydre kapsling, hvor den afgives til omgivelserne fra kapslingen. En anden meget anvendt køle- og isolerings-form er en gasart ved navn svovlhexafluorid (SF 6 ). Køleform Måden hvorpå transformeren er kølet og kølemidlets art, skal angives på transformerens mærkeplade med en bogstavskode på to eller fire bogstaver, hvor: `ste og eventuelt 3`de bogstav angiver kølemidlet. `det og eventuelt 4`de bogstav angiver cirkulationsform for kølemidlet. Kølemidlet angives med følgende bogstaver: O - olie (oil) W - vand (water) G - gas (gas) A - luft (air) Cirkulationen af kølemidlet angives som: - naturlig (naturel) cirkulation F - forceret (forced) cirkulation Et eksempel herpå kunne være en transformer med følgende mærkning på mærkepladen: OAF O - oliefyldt beholder. - naturlig cirkulation i beholderen. A - luft som udvendig køling. F - monteret med f.eks. blæsere til at cirkulere luften omkring transformeren. pvm 7 redigeret den

8 september 005 V Transformation Version.0 Tilbehør til forsyningstransformeren Oliebeholder: Transformere nedsænket i olie bør være forsynet med en olieekspansionsbeholder, da olien vil udvide sig under drift med transformeren. Silicagelfilter: Da olien udvider og sammentrækker sig vil der være et behov for, at transformeren kan "trække vejret" - det kan gøres ved, at lave en åbning øverst i oliebeholderen. Her monteres silicagelfiltret, for derved at forhindre fugt og urenheder i at trænge ind i transformeren. Silicagelfiltret er fuldt med krystaller, der optager fugten fra luften. Disse krystaller er blå og skifter farve til hvid ved mætning, herefter kan krystallerne tørres og genanvendes. Buchholzrelæ: I tilfælde af isolationsfejl i transformerviklinger kan der opstå lysbuer i transformeren. Disse lysbuer kan være medvirkende til udvikling af gasser i transformerolien. Denne gasudvikling kan registres af Buchholzrelæet, og dermed kan man opdage begyndende isolationsfejl, inden det udvikler sig til alvorlige kortslutninger eller jordfejl. Termometer: Øverst i tranformerbeholderen kan et termomeer, til overvågning af olietemperatur, være anbragt. Dette termometer kan, som Buchholzrelæet, være indrettet til at give alarm og senere udkoble transformeren, hvis der opstår situationer, hvor udkobling kunne være nødvendig. pvm 8 redigeret den