Die Hauptfunktion eines Kerns in einem Transformator besteht darin, einen magnetischen Pfad bereitzustellen, der die Primär- und Sekundärwicklungen verbindet. Seine hohe Permeabilität ermöglicht es, dass wechselnde Magnetflüsse diesem Weg mit relativ geringem Magnetisierungsstrom folgen. Dies unterstützt eine wirksame magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen. Das Material und die Konstruktion des Kerns haben ebenfalls Einfluss auf die Energieverluste. Daher besteht seine Aufgabe darin, sowohl den magnetischen Fluss zu leiten als auch die während des Betriebs entstehende Wärme zu begrenzen.
Wie verbindet der Kern die Primär- und Sekundärwicklungen?
Wenn an die Primärwicklung eine Wechselspannung angelegt wird, entsteht im Kern ein sich ändernder magnetischer Fluss. Dieser Fluss verbindet auch die Sekundärwicklung und induziert an ihren Anschlüssen eine Spannung. Wenn eine Last den Sekundärkreis schließt, kann Strom fließen und elektrische Energie wird an diese Last geliefert.
Der Kern stellt einen gemeinsamen magnetischen Pfad durch die von beiden Wicklungen umgebenen Bereiche bereit. Seine Glieder und Joche bilden den Hauptmagnetkreis und tragen dazu bei, den Fluss dort zu konzentrieren, wo er die Spulen verbinden kann. Diese Beziehung wird magnetische Kopplung genannt.
Wie in erklärt In OpenStaxs Erklärung zum Transformatorbetrieb induziert eine Änderung des von den Wicklungen geteilten Flusses deren Spannungen. Bei einem idealen Transformator entspricht das Spannungsverhältnis dem Windungsverhältnis. Der Kern ermöglicht eine effektive Kopplung; Die Anzahl der Windungen bestimmt, ob die Spannung steigt oder fällt.
Beispielsweise erzeugt ein idealer Transformator mit doppelt so vielen Sekundärwindungen wie Primärwindungen eine Sekundärspannung, die doppelt so hoch ist wie die Primärspannung. Der Kern erzeugt keine zusätzliche Leistung. Auch echte Transformatoren haben Verluste, daher ist ihre Ausgangsleistung geringer als ihre Eingangsleistung.
Die Wicklungen bleiben vom Kern elektrisch isoliert. Die Energieübertragung zwischen separaten Wicklungen beruht daher auf elektromagnetischer Induktion und nicht auf einer leitenden Verbindung durch das Metall. Ein gewisser Fluss schafft es immer noch nicht, beide Wicklungen zu verbinden; Dies wird als Streufluss bezeichnet und wird auch durch die Anordnung der Wicklungen beeinflusst.
Warum ist ein magnetischer Pfad mit geringer Reluktanz wichtig?
Der magnetische Widerstand beschreibt, wie stark ein magnetischer Pfad dem Aufbau eines magnetischen Flusses entgegenwirkt. Ein Pfad mit geringer Reluktanz ermöglicht die Entwicklung des erforderlichen Flusses mit weniger Magnetisierungsaufwand. Es handelt sich um eine magnetische Eigenschaft, die sich vom elektrischen Widerstand unterscheidet, der dem Strom in einem Draht entgegenwirkt.
Kernmaterialien wie Elektroblech haben eine viel höhere magnetische Permeabilität als Luft. Die Permeabilität beschreibt, wie schnell ein Material auf ein magnetisierendes Feld reagiert. Die Verwendung eines geeigneten Kerns verringert daher den magnetischen Widerstand im Vergleich zu einem entsprechenden Pfad durch Luft.
Der praktische Vorteil ist ein geringerer Magnetisierungsstrom : die Komponente des Primärstroms, die zum Aufbau des magnetischen Wechselflusses benötigt wird. Dieser Strom wird auch dann benötigt, wenn der Sekundärkreis offen ist und kein Strom eine Last erreicht.
Bei einem Transformator, der mit einer festen Sinusspannung und -frequenz versorgt wird und eine feste Anzahl von Primärwindungen hat, wird der erforderliche Fluss ungefähr durch diese Bedingungen bestimmt. Eine höhere Permeabilität verringert hauptsächlich den Magnetisierungsstrom, der zum Aufbau dieses Flusses erforderlich ist. Die Sekundärspannung wird nicht automatisch erhöht.
Kerngeometrie und Verbindungen sind ebenfalls wichtig. Unbeabsichtigte Lücken erhöhen den magnetischen Widerstand und können den Magnetisierungsstrom erhöhen. Materialeigenschaften und ein gut aufgebauter magnetischer Pfad müssen daher zusammenarbeiten.
Ein realer Kern verbraucht bei wiederholter Magnetisierung etwas Energie in Form von Wärme. Zwei Hauptmechanismen sind Hystereseverlust und Wirbelstromverlust . Das Verständnis ihrer Unterschiede erklärt, warum Transformatorkerne ausgewählte magnetische Materialien und spezifische Konstruktionsmethoden verwenden.
Ein Hystereseverlust entsteht, wenn sich die Magnetisierung des Materials mit dem Wechselfluss wiederholt umkehrt. Weichmagnetische Materialien mit einer schmalen Hystereseschleife reduzieren die Verlustenergie bei jedem Zyklus. Auch die Materialbearbeitung beeinflusst dieses Verhalten.
Wirbelstromverluste treten auf, weil sich ändernde Flüsse in einem leitenden Kern zirkulierende elektrische Ströme induzieren. Diese Ströme erzeugen Wärme. Dünne, voneinander elektrisch isolierte Stahllamellen schränken deren Wege ein und reduzieren die damit verbundenen Verluste im Vergleich zu einem massiven Stahlblock.
In Leistungs- und Verteilungstransformatoren CRGO-Kerne und Amorphe Kerne bieten unterschiedliche Verlusteigenschaften. Ihre Leistung muss bei der vorgesehenen Frequenz und magnetischen Flussdichte bewertet werden.
Bei der Laminierung geht es vor allem um Wirbelströme ; Es sollte nicht als Hauptmittel gegen Hystereseverlust bezeichnet werden. Geringere Kernverluste reduzieren die Energieverschwendung und die Wärme, die das Kühlsystem abführen muss.
FAQ
Verbraucht der Kern Strom, wenn keine Last angeschlossen ist?
Ja. Ein unter Spannung stehender Transformator hat immer noch einen wechselnden Kernfluss, auch wenn seine Sekundärseite offen ist. Hysterese und Wirbelströme verursachen daher weiterhin Verluste und tragen zum Stromverbrauch im Leerlauf bei.
Sind Kernverluste dasselbe wie Kupferverluste?
Nein. Im magnetischen Material treten Kernverluste auf. Kupferverluste entstehen durch Widerstandserwärmung in den Wicklungen und nehmen bei konstantem Widerstand mit dem Quadrat des Wicklungsstroms zu.
Bedeutet eine höhere Durchlässigkeit immer eine höhere Effizienz?
Nein. Eine höhere Permeabilität kann den Magnetisierungsstrom reduzieren, aber der Wirkungsgrad hängt auch von den Kernverlusten, dem Wicklungswiderstand und den Betriebsbedingungen ab. Die Permeabilität allein kann den Gesamtwirkungsgrad des Transformators nicht ermitteln.
Ein effektiver Transformatorkern kombiniert einen geeigneten magnetischen Pfad mit kontrollierten Verlusten. Beides ist für einen effizienten Betrieb notwendig.
