Transformatorer direkt från tillverkaren

＜b＞Transformatorer＜/b＞ är elektriska komponenter som används för att överföra elektrisk energi mellan induktivt kopplade lindningar. En ＜b＞transformator＜/b＞ arbetar med ett tidsvarierande magnetfält och kräver därför växelspänning eller en kommuterad spänning.＜br＞\n＜br＞\nBeroende på konstruktionen ändrar en transformator spänningsnivån, isolerar strömkretsar galvaniskt eller överför elektriska signaler. Begreppen ＜b＞”överförare”＜/b＞ och ＜b＞”spänningsomvandlare”＜/b＞ används ibland på liknande sätt, men beskriver tekniskt sett inte alltid samma funktion. Överförare används ofta för signalöverföring. Spänningsomvandlare kan även avse elektroniska kretsar utan en klassisk magnetisk transformator.＜br＞

I primärlindningen alstrar den pålagda ＜b＞primärspänningen＜/b＞ ett växlande magnetflöde i kärnan. Detta magnetflöde genomströmmar sekundärlindningen och inducerar där en ＜b＞sekundärspänning＜/b＞.＜br＞\n＜br＞\nDet ideala ＜b＞överföringsförhållandet＜/b＞ följer förhållandet mellan antalet varv. Om sekundärlindningen har färre varv än primärlindningen sjunker spänningen. Om antalet varv är större stiger spänningen. Den överförbara effekten begränsas av kärnans tvärsnitt, frekvens, trådens tvärsnitt, kylning och tillåten uppvärmning.＜br＞\n＜br＞\nVid verklig drift uppstår kopparförluster, kärnförluster och magnetiska spridningsflöden. Dessa orsakar spänningsfall och värme. ＜b＞Tomgångsströmmen＜/b＞ består huvudsakligen av ＜b＞magnetiseringsströmmen＜/b＞ och de delar som täcker kärnförlusterna.＜br＞

Konstruktionen bestäms av skyddsfunktion, spänningsnivå, effekt, frekvens och monteringsförhållanden.＜br＞\n＜ul＞＜li＞＜b＞Små transformatorer＜/b＞ försörjer kompakta elektroniska enheter, styrsystem och kretskort. ＜/li＞＜li＞＜b＞Spara-transformatorer＜/b＞ anpassar spänningar med en gemensam lindning. De erbjuder ingen galvanisk isolering. ＜/li＞＜li＞＜b＞Isoleringstransformatorer＜/b＞ isolerar två strömkretsar elektriskt och används för skydd, testuppgifter och störningsfria strömförsörjningar. ＜/li＞＜li＞＜b＞Säkerhetstransformatorer＜/b＞ genererar skyddslågspänning för tillämpningar med höga krav på personskydd. ＜/li＞＜li＞＜b＞Ringkärntransformatorer＜/b＞ har en kompakt konstruktion och ett lågt yttre ＜b＞strödfält＜/b＞, men kan orsaka höga inkopplingsströmmar. ＜/li＞＜li＞＜b＞Kretskortstransformatorer＜/b＞ och ＜b＞kretskortstransformatorer＜/b＞ monteras direkt på kretskort. ＜/li＞＜li＞＜b＞Nättransformatorer＜/b＞ arbetar vanligtvis med nätfrekvensen och försörjer apparater eller styrsystem. ＜/li＞＜li＞＜b＞Planartransformatorer＜/b＞ använder plana lindningsstrukturer och lämpar sig för kompakta kraftelektroniska moduler. ＜/li＞＜li＞＜b＞Impulstransformatorer＜/b＞ överför korta elektriska impulser eller styrsignaler vid galvanisk isolering. ＜/li＞＜li＞＜b＞Högfrekvenstransformatorer＜/b＞ och ＜b＞transformatorer för switchade nätaggregat＜/b＞ arbetar med höga svängningsfrekvenser och kräver därför lämpliga ferritmaterial. ＜/li＞＜/ul＞Termen ＜b＞effekttransformatorer＜/b＞ används oftast för större transformatorer inom energiöverföring. Det utbud som dokumenteras på ROTIMA:s sida fokuserar däremot på transformatorer och lindningsmaterial för apparater, elektronik och industriella tillämpningar.＜br＞

En transformator består i huvudsak av en magnetkärna, lindningar, isolering, anslutningar och eventuellt ett hölje eller en ingjutning. För konstruktioner med nätfrekvens används ofta skiktat elektroplåt. Vid högre frekvenser används oftast en ＜b＞ferritkärna＜/b＞. ＜br＞\n＜br＞\nLindningarna består vanligtvis av isolerad koppartråd. Tråddiametern och lindningskonstruktionen bestäms av ström, frekvens, värmeutveckling och tillgängligt lindningsutrymme. Vid höga frekvenser kan högfrekvenslitsa minska de förluster som orsakas av strömförskjutning.＜br＞\n＜br＞\n ＜b＞Lindningsisoleringen＜/b＞ måste vara anpassad till driftspänningen, provspänningen och temperaturklassen. Detta omfattar lackerade trådar, isoleringsfolier, band, spolkroppar och ingjutningsmaterial. ROTIMA AG anger för kundspecifika induktanser ett UL-listat isoleringssystem med UL-fil E346192 och klass F. ＜br＞

Die Auslegung beginnt mit Primärspannung, Sekundärspannung, Frequenz, Ausgangsstrom, Nennleistung und Betriebsart. Aus Spannung, Frequenz, Kernquerschnitt und zulässiger Flussdichte wird die erforderliche Windungszahl abgeleitet. Der Drahtquerschnitt folgt aus Strombelastung, zulässiger Stromdichte und thermischer Grenze.

Anschließend werden Kupferverluste und Kernverluste berechnet. Beide bestimmen den Wirkungsgrad und den erwarteten Temperaturanstieg. Zusätzlich müssen Spannungsregelung, Leerlaufstrom, Einschaltstrom, Kurzschlussverhalten und Isolation geprüft werden.

Für eine kundenspezifische Auslegung betrachtet unser Engineering außerdem Bauraum, Befestigung, Anschlusslage, Kühlung, Lastprofil und EMV Anforderungen. ROTIMA AG setzt nach eigenen Angaben 2D und 3D FEM Verfahren ein, um elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften zu simulieren und vor der Serienfreigabe zu validieren.

Gebräuchliche Kernformen sind EI-Kern, UI-Kern, M-Kern, Toroidkern und planare Kerne. Die Kernform beeinflusst Wickelraum, Bauhöhe, Montage, Streufeld, Materialverbrauch und Fertigungsaufwand.

EI Kerne sind weit verbreitet und wirtschaftlich herstellbar. UI Kerne bieten konstruktive Freiheiten bei Wicklung und Montage. M Kerne ermöglichen kompakte Transformatoren und können als offene, vergossene oder streuarme Ausführung gefertigt werden. Ein Toroidkern bildet einen geschlossenen magnetischen Kreis und wird für Ringkerntransformatoren verwendet.

Planare Kerne werden mit flachen Wicklungen kombiniert. Sie eignen sich besonders für geringe Bauhöhen und höhere Frequenzen. Die Auswahl darf nicht nur anhand der Abmessungen erfolgen, da Kernmaterial, Luftspalt, Sättigungsgrenze und Verlustverhalten ebenfalls berücksichtigt werden müssen.

Transformatorgeräusche entstehen hauptsächlich durch periodische Formänderungen des magnetisierten Kernmaterials und durch mechanische Kräfte zwischen Wicklungen und Blechen. Bei Netzfrequenz tritt das hörbare Grundgeräusch häufig mit der doppelten Netzfrequenz auf.

Eine zu hohe Flussdichte, Gleichspannungsanteile im Netz, lockere Kernpakete oder mechanische Resonanzen können das Brummen verstärken. Auch Überlastung oder eine ungeeignete Befestigung übertragen Schwingungen auf das Gehäuse.

Eine fachgerechte Auslegung, ein stabil aufgebauter Kern, geeignete Befestigung und Vakuumimprägnierung können die mechanische Bewegung reduzieren. Vollständig geräuschlos sind magnetische Bauteile unter realen Betriebsbedingungen jedoch nicht grundsätzlich.

Die anzuwendende Norm hängt von Transformatorart, Spannung, Leistung, Einsatzgebiet und Absatzmarkt ab. Für Transformatoren kleiner und mittlerer Leistung ist die Normenreihe EN IEC 61558 häufig relevant. Sie enthält allgemeine Anforderungen und besondere Teile für unterschiedliche Schutzfunktionen und Anwendungen.

ROTIMA AG nennt für Entwicklung und Berechnung unter anderem EN 61558, UL 5085 und IEC 60076. Für Werkstoffe und Isolationssysteme werden außerdem UL 94, IEC 60216 und IEC 60085 angegeben.

IEC 60076 betrifft Leistungstransformatoren und deren Prüfung. UL 5085 behandelt Niederspannungstransformatoren für den nordamerikanischen Markt. Welche Norm verbindlich ist, muss im Projekt anhand des vorgesehenen Produkts und der späteren Zulassung festgelegt werden.

Der Wirkungsgrad von Trafos ist das Verhältnis der abgegebenen Wirkleistung zur aufgenommenen Wirkleistung. Er hängt stark von Leistung, Bauart, Frequenz, Kernmaterial und Belastung ab. Ein pauschaler Wert ist deshalb technisch nicht belastbar.

Bei geringer Belastung dominieren die weitgehend lastunabhängigen Kernverluste. Mit zunehmendem Strom steigen die Kupferverluste quadratisch an. Der höchste Wirkungsgrad liegt daher meist in einem bestimmten Bereich unterhalb oder nahe der Nennlast.

Für die Projektauslegung betrachtet ROTIMA AG nicht nur einen Spitzenwert. Unsere Ingenieure bewerten den realen Lastzyklus, die Leerlaufzeiten, die Umgebungstemperatur und die zulässige Erwärmung. So lässt sich vermeiden, dass ein überdimensionierter Transformator dauerhaft unnötige Leerlaufverluste verursacht oder ein zu kleiner Trafo thermisch überlastet wird.

Die IP Schutzart beschreibt den Schutz eines Gehäuses gegen Berührung, Fremdkörper und Wasser. Offene Transformatoren besitzen ohne zusätzliches Gehäuse keine mit einer gekapselten Baugruppe vergleichbare Schutzwirkung. Durch Gehäuse, Tränkung oder Verguss kann der Schutz erhöht werden.

ROTIMA AG nennt für kundenspezifische Wickelgüter Vakuumtränkung und vollvergossene Baugruppen bis zu erhöhten IP Anforderungen. Eine konkrete IP Schutzart darf erst nach konstruktiver Auslegung und entsprechender Validierung angegeben werden.

Temperaturklassen und Isolationsklassen legen fest, für welche thermische Beanspruchung ein Isolationssystem geeignet ist. Häufige Klassen sind A, E, B, F und H. Sie entsprechen unterschiedlichen zulässigen Grenztemperaturen. ROTIMA AG dokumentiert ein UL gelistetes Isolationssystem der Klasse F. Die tatsächlich zulässige Betriebstemperatur hängt zusätzlich von Umgebungstemperatur, Temperaturanstieg und vorgesehener Lebensdauer ab.

Provningen av en transformator beror på konstruktionstyp och standard. Typiska provningar omfattar överföringsförhållande, tomgångsspänning, ＜b＞tomgångsström＜/b＞, lindningsmotstånd, isolationsmotstånd, spänningshållfasthet och elektrisk säkerhet.＜br＞＜br＞Under belastning kontrolleras utspänning, uppvärmning och förluster. Beroende på tillämpning kan även kortslutningsprovning, stötspänningsprovning, mätning av partiella urladdningar eller mätningar av det magnetiska spridningsfältet ingå.＜br＞＜br＞Vår validering kan omfatta elektriska mätvärden, termiska provningar och dokumenterade provningsprotokoll. ROTIMA AG nämner dessutom röntgenanalyser för kontroll av dolda lödförband, skiktuppbyggnader och eventuella gjutfel. Den konkreta testsekvensen fastställs utifrån produktspecifikationen och den tillämpliga standarden.＜br＞