Een transformator is een elektromagnetisch apparaat dat wordt gebruikt om wisselstroom van een bepaalde spanning en frequentie om te zetten in wisselstroom van een andere (of gelijke) spanning en dezelfde frequentie.
Inhoud
Ontwerp en functie van een transformator
In het eenvoudigste geval Transformator bevat een primaire wikkeling met het aantal wikkelingen W1 en een secundaire met W2. De energie is aangesloten op de primaire wikkeling, de belasting is aangesloten op de secundaire wikkeling. De energieoverdracht vindt plaats door elektromagnetische inductie. Om de elektromagnetische koppeling te versterken, worden de wikkelingen gewoonlijk op een gesloten kern (magnetische kern) gemonteerd.
Indien wisselspanning U1wordt toegepast op de primaire wikkeling, wisselstroom I1die een magnetische flux F van dezelfde vorm in de kern induceert. Deze magnetische flux induceert een EMF in de secundaire wikkeling. Indien een belasting op de secundaire stroomkring is aangesloten, zal een secundaire stroom I2.
De spanning in de secundaire wikkeling wordt bepaald door de verhouding van de windingen W1 en W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, waarbij k transformatieverhouding.
Als k<1 dan is U2>U1en een dergelijke transformator wordt een step-up transformator genoemd. Als k>1 , dan is U2
Een transformator kan meer dan één secundaire wikkeling hebben met verschillende transformatorverhoudingen. Zo kan een 220 Volt transformator voor de voeding van gloeilampen voor huishoudelijk gebruik één secundaire wikkeling hebben, b.v. 500 Volt voor de voeding van de anodecircuits en 6 Volt voor de voeding van de gloeikringen. In het eerste geval k<1, in het tweede geval k>1.
Een transformator werkt alleen met wisselspanningen - de magnetische flux moet veranderen om EMF in de secundaire wikkeling te laten ontstaan.
Kerntypes voor transformatoren
In de praktijk worden niet alleen kernen van de aangegeven vorm gebruikt. Afhankelijk van het beoogde gebruik van het apparaat, kunnen de magnetische kernen op verschillende manieren worden gemaakt.
Kernen
De kernen van laagfrequente transformatoren zijn gemaakt van staal met uitgesproken magnetische eigenschappen. Om wervelstromen te verminderen bestaat de kernserie uit afzonderlijke platen die elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn. Voor hoge frequenties worden andere materialen gebruikt, zoals ferriet.
De hierboven besproken kern wordt een "core array" genoemd en bestaat uit twee staven. Voor eenfasetransformatoren worden ook drie-aderige kernen gebruikt. Zij hebben een lagere magnetische strooiflux en een hoger rendement. In dit geval zijn zowel de primaire als de secundaire wikkelingen op de centrale kern geplaatst.
Driefasige transformatoren worden ook op driefasige kernen gemaakt. De primaire en secundaire wikkelingen van elke fase bevinden zich elk op een afzonderlijke kern. In sommige gevallen worden kernen met vijf kernen gebruikt. Zij hebben dezelfde opstelling, de primaire en secundaire kern aan weerszijden van de kern, waarbij de buitenste twee staven aan weerszijden alleen bij bepaalde bewerkingen worden gebruikt om de magnetische flux te sluiten.
Gepantserde kernen
Eenfasige transformatoren worden gemaakt met gepantserde kernen - beide spoelen worden op de centrale kern van de magnetische kern geplaatst. De magnetische flux in deze kern wordt op dezelfde wijze gekoppeld als bij een drie-aderige eenheid, d.w.z. via de zijwanden. De verstrooiingsflux is in dit geval zeer klein.
Het voordeel van dit ontwerp is dat er enige winst is in omvang en gewicht door de mogelijkheid om het kernvenster dichter te vullen met wikkelingen, zodat het voordelig is om gepantserde kernen te gebruiken voor transformatoren met een laag vermogen. Het gevolg hiervan is ook een korter magnetisch circuit, wat leidt tot lagere nullastverliezen.
De nadelen zijn dat de wikkelingen moeilijker toegankelijk zijn voor inspectie en reparatie, en dat de isolatie voor hoge spanningen ingewikkelder te fabriceren is.
Toroidal
Bij ringkernen is de magnetische flux volledig ingesloten in de kern en is er vrijwel geen magnetische fluxlekkage. Maar deze transformatoren zijn moeilijk op te winden, zodat zij slechts zelden worden gebruikt, b.v. in geregelde autotransformatoren van kleine capaciteit of in hoogfrequente toepassingen waar storingsimmuniteit belangrijk is.
Autotransformator
In sommige gevallen is het raadzaam transformatoren te gebruiken waarbij er niet alleen magnetische koppeling tussen de wikkelingen is, maar ook elektrische koppeling tussen de wikkelingen. Dat wil zeggen, in een step-up toestel is de primaire wikkeling een deel van de secundaire wikkeling en in een step-down toestel is de secundaire wikkeling een deel van de primaire wikkeling. Een dergelijke inrichting wordt een autotransformator (AT) genoemd.
Een step-down spaartransformator is geen eenvoudige spanningsdeler - er is ook magnetische koppeling betrokken bij de overdracht van energie naar het secundaire circuit.
De voordelen van autotransformatoren zijn:
- lagere verliezen;
- de mogelijkheid van traploze spanningsregeling;
- kleinere afmetingen (autotransformatoren zijn goedkoper, gemakkelijker te vervoeren);
- Lagere kosten omdat minder materiaal nodig is.
Tot de nadelen behoren de noodzaak van isolatie van beide wikkelingen met een hogere spanning en het ontbreken van galvanische scheiding tussen ingang en uitgang, waardoor de effecten van verwering van het primaire op het secundaire circuit kunnen worden overgebracht. Tegelijkertijd mogen elementen van de secundaire stroomkring niet worden geaard. Ook hogere kortsluitstromen worden als een nadeel van de AT beschouwd. Bij driefasige spaartransformatoren worden de wikkelingen in het algemeen in ster geschakeld met een geaarde nulleider; andere aansluitschema's zijn mogelijk, maar te ingewikkeld en omslachtig. Dit is ook een nadeel dat het gebruik van spaartransformatoren kan beperken.
Transformator toepassingen
De eigenschap van transformatoren om de spanning te verhogen of te verlagen wordt veel gebruikt in de industrie en in particuliere huishoudens.
Spanningstransformatie
Het industriële spanningsniveau stelt verschillende eisen in verschillende fasen. Om verschillende redenen is het niet rendabel om hoogspanningsgeneratoren te gebruiken voor de opwekking van elektriciteit. Daarom worden bijvoorbeeld generatoren van 6...35 kV gebruikt in hydro-elektrische centrales. Voor het transport van elektriciteit zijn daarentegen hogere spanningen nodig - van 110 kV tot 1.150 kV, afhankelijk van de afstand. Deze spanning wordt vervolgens weer verlaagd tot 6...10 kV, gedistribueerd naar plaatselijke onderstations, vanwaar het wordt verlaagd tot 380(220) volt en geleverd aan de eindverbruiker. Voor huishoudelijke en industriële apparaten moet deze ook worden verlaagd, meestal tot 3...36 volt.
Al deze stappen worden uitgevoerd door middel van ... energietransformatoren. Deze kunnen van het droge type of van het olietype zijn. In het laatste geval bevinden de kern en de wikkelingen zich in een oliereservoir, dat als isolerend en afkoelend medium fungeert.
Galvanische isolatie
De galvanische scheiding verhoogt de veiligheid van de elektrische toestellen. Indien het toestel niet rechtstreeks op het 220 volt net wordt aangesloten, waarbij een van de geleiders met de aarde is verbonden, maar via een 220/220 volt transformator, blijft de voedingsspanning gelijk. Maar als de aarding en de secundaire stroomvoerende delen elkaar tegelijkertijd raken, zal er geen stroomkring zijn en zal het risico van elektrocutie veel kleiner zijn.
Spanningsmeting
In alle elektrische installaties moet het spanningsniveau worden bewaakt. Bij gebruik van een spanningsklasse tot 1000 volt worden voltmeters rechtstreeks op onder spanning staande delen aangebracht. In installaties van meer dan 1000 volt is dit niet mogelijk - de apparaten zullen te log zijn en mogelijk niet veilig in geval van een isolatiefout. Daarom zijn in dergelijke systemen voltmeters verbonden met hoogspanningsgeleiders via transformatoren met een geschikte transformatieverhouding. Voor 10 kV-netwerken bijvoorbeeld worden transformatoren van 1:100 gebruikt en bedraagt de uitgangsspanning standaard 100 volt. Als de primaire spanning in amplitude verandert, verandert deze tegelijkertijd ook in de secundaire. De schaal van een voltmeter is gewoonlijk gegradueerd in het primaire spanningsbereik.
De transformator is een vrij complex en duur onderdeel om te fabriceren en te onderhouden. Voor vele toepassingen zijn deze toestellen echter onmisbaar en is er geen alternatief.
Verwante artikelen:
