Stroomtransformatoren: ontwerp, werkingsprincipe en types

Stroomtransformatoren worden veel gebruikt in de moderne energietechniek als apparatuur voor het veranderen van diverse elektrische parameters met behoud van hun basiswaarden. De werking van de apparatuur is gebaseerd op de wet van inductie, die van toepassing is op magnetische en elektrische velden die sinusoïdaal variëren. De transformator transformeert de primaire stroomwaarde met betrekking tot de modulatie en de hoekoverdracht in verhouding tot de ruwe gegevens. De keuze van de apparatuur moet worden gemaakt op basis van het toepassingsgebied en het aantal aangesloten verbruikers.

Wat is een stroomtransformator?

Zij worden gebruikt in de industrie, de stedelijke en civiele techniek, de industrie en andere gebieden om stroom met gedefinieerde fysische parameters toe te passen. De spanning wordt aangelegd op de spoelen van de primaire wikkeling, waar een wisselstroom wordt opgewekt als gevolg van magnetische straling. Dezelfde straling reist door de resterende spoelen, waardoor de EMF-krachten zich verplaatsen, en wanneer de secundaire spoelen worden kortgesloten of verbonden met een elektrisch circuit, wordt in het systeem een secundaire stroom opgewekt.

Moderne stroomtransformatoren maken het mogelijk energie op zodanige wijze om te zetten dat het gebruik ervan geen schade veroorzaakt aan de apparatuur die er gebruik van maakt. Zij maken het ook mogelijk hogere belastingen te meten met maximale veiligheid voor machines en personeel, omdat de primaire en secundaire wikkelingen op betrouwbare wijze van elkaar geïsoleerd zijn.

Waar zijn de transformatoren voor?

Het is gemakkelijk te zien waar een stroomtransformator goed voor is: zijn toepassingen bestrijken alle gebieden waar energiewaarden worden getransformeerd. Deze apparaten zijn hulpapparaten die parallel met meetinstrumenten en relais worden gebruikt om een wisselstroomcircuit tot stand te brengen. In deze gevallen zetten transformatoren energie om om het ontcijferen van parameters te vergemakkelijken of om apparatuur met verschillende kenmerken in hetzelfde circuit aan te sluiten.

Er is ook de meetfunctie van transformatoren: zij worden gebruikt om elektrische circuits met hogere spanningen te laten werken, waarop meetinstrumenten moeten worden aangesloten, maar dat niet rechtstreeks kan. Hun voornaamste functie is het doorgeven van de verkregen informatie over de stroomwaarden aan de meetinstrumenten die op de secundaire wikkeling zijn aangesloten. Het maakt het ook mogelijk de stroom in het circuit te bewaken: wanneer het relais wordt gebruikt en de maximale stroomwaarde wordt bereikt, wordt een beveiliging geactiveerd die de apparatuur uitschakelt om doorbranden en persoonlijk letsel te voorkomen.

Principe van werking

De werking van deze apparatuur is gebaseerd op de wet van inductie, waarbij de spanning op de primaire spoelen wordt aangelegd en de stroom de door de wikkeling gecreëerde weerstand overwint, waardoor de magnetische flux op de magnetische spoel wordt overgebracht. De flux staat loodrecht op de stroom, waardoor verliezen tot een minimum worden beperkt, en wanneer hij de secundaire wikkelingen passeert, wordt de EMF geactiveerd. Dit induceert een stroom in het systeem die groter is dan de spoelweerstand, terwijl de spanning aan de uitgangszijde van de secundaire spoelen wordt verlaagd.

De eenvoudigste constructie van een transformator bestaat derhalve uit een metalen kern en een paar windingen, die niet met elkaar zijn verbonden en als geïsoleerde draden zijn uitgevoerd. In sommige gevallen is de belasting alleen op de primaire wikkelingen en niet op de secundaire: dit is de zogenaamde stationaire modus. Als stroomverbruikende apparatuur op de secundaire wikkeling wordt aangesloten, loopt er een stroom door de spoelen en ontstaat er een elektromotorische kracht. De EMF wordt bepaald door het aantal wikkelingen. De verhouding van de elektromotorische kracht voor de primaire en secundaire wikkelingen wordt de transformatieverhouding genoemd, berekend uit de verhouding van het aantal wikkelingen. Het is mogelijk de eindspanning te regelen door het aantal primaire of secundaire wikkelingen te wijzigen.

Indeling van stroomtransformatoren

Er zijn verschillende soorten stroomtransformatoren die worden ingedeeld volgens een aantal criteria, waaronder het doel, de wijze van installatie, het aantal conversiestappen en andere factoren. Deze parameters moeten in aanmerking worden genomen alvorens een stroomtransformator te kiezen:

• Doel. Dit wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen meet-, tussen- en beschermingsmodellen. Zo worden bijvoorbeeld tussentransformatoren gebruikt voor de aansluiting van toestellen voor rekenoperaties in relaisbeveiligingssystemen en andere circuits. Afzonderlijke onderscheiden laboratoriumtransformatoren, die een grotere nauwkeurigheid van de indicatoren opleveren, hebben een groot aantal omzettingscoëfficiënten.
• Installatiemethode. Er zijn transformatoren voor buiten- en binnenopstelling: ze zien er niet alleen anders uit, maar hebben ook verschillende indicatoren voor bestendigheid tegen invloeden van buitenaf (apparaten voor buitengebruik hebben bijvoorbeeld bescherming tegen neerslag en temperatuurschommelingen). Er wordt ook onderscheid gemaakt tussen padmount- en draagbare transformatoren; de laatste hebben een betrekkelijk gering gewicht en geringe afmetingen.
• Wikkeltype. Transformatoren kunnen enkel- of meervoudig gewikkeld zijn, met een spoel, kern of rail. Zowel de primaire als de secundaire wikkeling kunnen verschillend zijn, en ook de isolatie (droog, porselein, bakeliet, olie, compound, enz.) is verschillend.
• Het niveau van de transformatiestappen. De apparatuur kan een- of tweetraps (cascade) zijn, de spanningsgrens van 1000 V kan minimaal of maximaal zijn.
• Ontwerp. Volgens dit criterium zijn er twee soorten stroomtransformatoren - van het olie-immerse en het droge type. In het eerste geval bevinden de wikkelingen en de magnetische kern zich in een vat dat een speciale olieachtige vloeistof bevat: deze speelt een isolerende rol en maakt het mogelijk de bedrijfstemperatuur van het medium te regelen. In het tweede geval is de koeling luchtgekoeld en dergelijke systemen worden gebruikt in industriële en residentiële gebouwen, aangezien olietransformatoren niet binnen kunnen worden geïnstalleerd wegens het verhoogde brandgevaar.
• Soort van spanning. Transformatoren kunnen step-down en step-up zijn: in het eerste geval wordt de spanning op de primaire wikkelingen verlaagd, in het tweede geval wordt de spanning verhoogd.
• Een andere manier om in te delen is een stroomtransformator te kiezen op basis van zijn wattage. Deze parameter is afhankelijk van het doel van de apparatuur, het aantal aangesloten verbruikers en hun eigenschappen.

Parameters en kenmerken

Bij de keuze van dergelijke apparatuur moet rekening worden gehouden met de belangrijkste technische parameters die van invloed zijn op het toepassingsgebied en de kosten. De belangrijkste kenmerken zijn:

• Nominale belasting, of vermogen: een selectie kan worden gemaakt met behulp van de vergelijkende tabel van transformatorkarakteristieken. De waarde van deze parameter is bepalend voor de andere stroombereiken, aangezien deze strikt gestandaardiseerd is en dient om de juiste werking van de apparatuur in de gekozen nauwkeurigheidsklasse te definiëren.
• Nominale stroom. Deze waarde bepaalt hoe lang het toestel kan functioneren zonder oververhitting tot kritieke temperaturen. Transformatorapparatuur heeft gewoonlijk een aanzienlijke thermische reserve en werkt normaal bij overbelasting tot 18-20%.
• Spanning. Deze waarde is belangrijk voor de kwaliteit van de wikkelisolatie en zorgt voor een soepele werking van de machine.
• Fouten. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt door de magnetische flux; de foutwaarde is het verschil tussen de exacte primaire en secundaire stroom. De verhoogde magnetische flux in de transformatorkern draagt bij tot een evenredige toename van de fout.
• De transformatieverhouding, d.w.z. de verhouding tussen de stroom in de primaire wikkelingen en de stroom in de secundaire wikkelingen. De werkelijke waarde van de coëfficiënt verschilt van de nominale waarde met een bedrag dat gelijk is aan de mate van energie-omzettingsverlies.
• Grensvermenigvuldiging, uitgedrukt als de verhouding van de werkelijke primaire stroom tot de nominale stroom.
• Vermenigvuldiging van de stroom in de wikkelingen van de secundaire wikkeling.

De kerngegevens van een stroomtransformator worden bepaald door een vermogensfactordiagram: hiermee kunnen de kenmerken van de apparatuur worden onderzocht in verschillende bedrijfsmodi, van nullast tot vollast.

De belangrijkste waarden zijn op het lichaam van het toestel aangegeven door middel van een speciale markering. Het kan ook informatie bevatten over de wijze van hijsen en installeren van de apparatuur, waarschuwingsinformatie over hoge spanningen op de secundaire wikkelingen (meer dan 350 volt), informatie over de aanwezigheid van een aardingskussen. De energieomzetter is gemarkeerd met een sticker of met verf.

Mogelijke fouten

Net als alle andere apparatuur gaan transformatoren van tijd tot tijd stuk en vereisen zij deskundig onderhoud met diagnose. Alvorens het toestel te controleren, is het belangrijk te weten welke storingen zich voordoen en welke tekens daarmee overeenstemmen:

• Ongelijkmatig geluid in de behuizing, gekraak. Dit verschijnsel wijst gewoonlijk op een breuk in het aardingselement, op overlapping van de wikkelingen naar de behuizing of op een loszittende persing van de platen die als magnetische kern dienen.
• Overmatige verhitting van de behuizing, verhoogde stroom aan de verbruikerszijde. Het probleem kan worden veroorzaakt door kortsluiting van de wikkelingen als gevolg van slijtage of mechanische beschadiging van de isolatielaag, frequente overbelasting als gevolg van kortsluiting.
• Gebarsten isolatoren, glijdende ontladingen. Deze treden op bij productiefouten die niet vóór de inbedrijfstelling worden ontdekt, bij het binnendringen van vreemde voorwerpen en bij overlappingen tussen fasedraden van verschillende waarden.
• waarbij het membraan van de uitlaatconstructie wordt vernield. Het probleem is te wijten aan interfasekortsluiting ten gevolge van isolatieslijtage, daling van het olieniveau, spanningsdalingen of het optreden van overstromen, onder voorbehoud van het optreden van een end-to-end kortsluiting.
• Er lekt olie van onder pakkingen of in transformatorkranen. De belangrijkste oorzaken zijn gebrekkig lassen van onderdelen, zwakke afdichtingen, vernielde pakkingen of niet gewreven kleppluggen.
• Activering van het gasbeveiligingsrelais. Dit verschijnsel treedt op wanneer de olie ontleedt ten gevolge van een wikkelingsfout, open circuit, doorbranden van schakelcontacten of in het geval van kortsluiting van het transformatorhuis.
• Uitschakelen van het gasbeveiligingsrelais. Actieve ontleding van de olievloeistof als gevolg van een interfase-fout, interne of externe overspanning of als gevolg van een zogenaamde "staalbrand" veroorzaakt het probleem.
• De differentiële bescherming is geactiveerd. Deze storing treedt op wanneer er een defect is in de behuizing van de voeding, wanneer er een overlapping is tussen de fasen of in andere gevallen.

Om de functionaliteit van het toestel te maximaliseren, moeten regelmatig controles worden uitgevoerd met een warmtebeeldcamera: de apparatuur kan een verslechtering van de contactkwaliteit en een verlaging van de bedrijfstemperatuur vaststellen. De specialisten voeren tijdens de verificatie de volgende reeks handelingen uit:

• 1. Spanning en stroom aflezing.
  2. Laad verificatie met behulp van een externe bron.
  3. Bepaling van de parameters in het werkingscircuit.
  4. Berekening van de transformatieverhouding, vergelijking en analyse van de waarden.

Berekening van een transformator

Het basisprincipe wordt gedefinieerd door de formule U1/U2=n1/n2waarvan de elementen als volgt worden ontcijferd:

• U1 en U2 zijn de spanningen van de primaire en secundaire windingen.
• n1 en n2 zijn respectievelijk het aantal primaire en secundaire wikkelingen.

Een andere formule wordt gebruikt om de doorsnede van de kern te bepalen: S=1.15 * √PHet vermogen wordt gemeten in watt en de oppervlakte in vierkante centimeter. Indien de in de apparatuur gebruikte kern de vorm heeft van een letter S, wordt de dwarsdoorsnede berekend voor de middelste kern. Om de windingen in de primaire wikkeling te bepalen, gebruikt u de formule n=50*U1/S, Wanneer het onderdeel 50 niet invariant is, wordt aanbevolen het te vervangen door 60 om elektromagnetische storingen te voorkomen. Een andere formule is d=0.8*√Iwaarbij d de doorsnede van de geleider is en I de stroomsterkte-index, wordt gebruikt om de kabeldiameter te berekenen.

De berekende cijfers worden naar boven afgerond (bv. het berekende vermogen van 37,5 W wordt naar beneden afgerond tot 40). Afronding is alleen naar boven toegestaan. Alle bovenstaande formules worden gebruikt voor de selectie van transformatoren die werken in een 220 V-net; bij de aanleg van hoogfrequente lijnen worden andere parameters en berekeningsmethoden gebruikt.

Verwante artikelen: