Hvorfor transformere aldrig er tilsluttet DC-strømforsyninger
Transformatorer er elektrisk kerneudstyr, der er afhængigt af elektromagnetisk induktion for at opnå spændingskonverteringsstrømisolering og strømtransmission, og deres strukturelle design og arbejdsprincip er fuldstændig afhængige af karakteristikaene af vekselstrøm (AC), hvilket gør dem inkompatible med jævnstrøm (DC) strømforsyninger med kerneårsager som følger:
1. Jævnstrøm kan ikke udløse elektromagnetisk induktion, hvilket fører til tab af transformatorfunktion
Det grundlæggende arbejdsprincip for en transformer er baseret på gensidig induktion mellem to viklinger (primær vikling og sekundær vikling) omkring en fælles jernkerne. Når en vekselstrøm passerer gennem den primære vikling, genererer den en vekslende magnetisk flux i jernkernen (retningen og størrelsen af den magnetiske flux ændrer sig periodisk med vekselstrømsstrømmen), og denne vekslende magnetiske flux afbryder sekundærviklingen for at inducere en elektromotorisk kraft (EMF) i den sekundære vikling i henhold til Faradays lov om elektromagnetisk kraftomdannelse og transmissionseffekt, der således realiserer elektromagnetisk transmission. Når en jævnstrømsforsyning er tilsluttet primærviklingen, har jævnstrømsstrømmen konstant størrelse og retning (ingen periodisk ændring), og denne konstante strøm kan kun generere en statisk magnetisk flux i jernkernen (den magnetiske flux ændres ikke med tiden). Da elektromagnetisk induktion kræver "ændringer i magnetisk flux" for at inducere EMF, kan den statiske magnetiske flux ikke skære sekundærviklingen, hvilket resulterer i nul-induceret EMF i sekundærviklingen, og transformeren mister fuldstændigt sin spændingskonvertering og kraftoverførselsfunktion.
2. Jævnstrøm forårsager alvorlig jernkernemætning og for høj viklingsstrøm
(1) Magnetisk mætning af jernkerne
The iron core of a transformer is made of high-permeability silicon steel sheets which are designed to work in the linear magnetic permeability range under AC conditions. Under AC excitation the alternating magnetic flux changes periodically and the iron core magnetic density fluctuates within a safe range (usually 1.2-1.8T) to avoid saturation. When DC current is applied the static magnetic flux in the iron core will continue to increase with the DC current (following the magnetizing curve of the iron core) and since DC has no "zero-crossing" process (unlike AC which periodically resets the magnetic flux) the iron core magnetic density will quickly exceed the saturation point (typically >2T). Når den er mættet, falder jernkernens permeabilitet kraftigt (tæt på luftens), og den primære viklings magnetiseringsreaktans falder betydeligt.
(2) For høj primær viklingsstrøm
Under normal AC-drift har den primære vikling af en transformator en stor magnetiseringsreaktans (Xₘ), som begrænser magnetiseringsstrømmen til en lille værdi (normalt 2%-8% af mærkestrømmen). Når den er tilsluttet DC, får den mættede jernkerne magnetiseringsreaktansen Xₘ til at nærme sig nul, og på dette tidspunkt svarer den primære vikling til et rent modstandskredsløb (kun DC-modstanden R i selve viklingen eksisterer). Da DC-modstanden i transformatorviklingen er ekstremt lille (normalt nogle få ohm eller mindre) i henhold til Ohms lov (I=U/R), vil primærstrømmen stige kraftigt til en ekstrem høj værdi, ofte ti eller endda hundredvis af gange den nominelle strøm. Hvis f.eks. en 10kV transformer (primær mærkestrøm 57,7A vikling DC modstand 10Ω) ved en fejl er forbundet til en 10kV jævnstrømsforsyning, vil primærstrømmen nå I=10,000V / 10Ω=1000A (17 gange den nominelle strøm), og denne overdrevne strøm vil medføre en kortvarig vikling af tiden.
3. Overophedning og skade på udstyr forårsaget af DC-forbindelse
(1) Udbrændt viklingsisolering
Den for store jævnstrøm i primærviklingen genererer en stor mængde varme gennem Joule-opvarmning (Q=I²Rt), og viklingsisoleringen (normalt emaljeret ledningsisolering eller papirisolering) har en begrænset temperaturmodstand (f.eks. Klasse A-isolering: 105 grader Klasse B-isolering: 130 grader ). I løbet af kort tid (sekunder til minutter) vil varmen, der genereres af den overdrevne strøm, overskride isoleringens temperaturmodstandsgrænse, hvilket får isoleringen til at smelte forkullet eller endda antænde og føre til en kortslutning mellem viklingsdrejninger eller mellem viklingen og jernkernen.
(2) Overophedning af jernkerne
Under DC-excitation vil den mættede jernkerne producere unormalt hvirvelstrømstab, og selvom siliciumstålpladerne i jernkernen er belagt med et isolerende lag for at reducere hvirvelstrømtab under AC-forhold, vil den statiske magnetiske flux under DC forårsage, at den lokale magnetiske tæthed bliver for høj ved at bryde gennem det isolerende lag i nogle områder og generere store hvirvelstrømme. Disse hvirvelstrømme vil få jernkernen til at overophede hurtigt, hvilket fører til deformation af siliciumstålpladerne eller beskadigelse af kernestrukturen.
(3) Risiko for eksplosion eller brand
I alvorlige tilfælde kan afbrændingen af viklingsisoleringen og overophedningen af jernkernen antænde den isolerende olie (i olie-nedsænkede transformere) eller andre organiske materialer inde i transformeren, hvilket kan føre til en eksplosion eller brand, som udgør en alvorlig trussel mod sikkerheden for elsystemer og personale.
4. Særlig bemærkning: DC-DC-konvertering er afhængig af "Pulsed DC" i stedet for Pure DC
Det bør præciseres, at nogle elektriske kraftenheder (såsom DC-transformere i DC-krafttransmissionssystemer) kan realisere DC-spændingskonvertering, men de bruger ikke det traditionelle transformerprincip. De konverterer først ren jævnstrøm til pulseret jævnstrøm (eller høj-vekselstrøm) gennem strømelektroniske kontakter (såsom IGBT'er) og bruger derefter en høj-frekvenstransformer (der arbejder under vekselstrøm/pulserende forhold) til at justere spændingen og til sidst rette den tilbage til jævnstrøm. Denne proces er i det væsentlige afhængig af "AC-lignende" pulsexcitering, ikke direkte jævnstrømsforbindelse til en traditionel transformer.
Som konklusion er transformatorens funktionsprincip i sagens natur afhængig af vekselstrøms vekselstrøm, og tilslutning af den til jævnstrøm vil ikke kun få den til at miste sin grundlæggende funktion, men også forårsage alvorlig overophedning og permanent skade på udstyret. Derfor er transformatorer strengt designet til AC-strømforsyninger og må aldrig tilsluttes jævnstrøm