Roterende transformatoren
voor de overbrenging van electrische energie op een roterende as
Electriciteit
Root server » TechTalk » Electriciteit » Wisselspanning » Roterende transformatoren

Heb je je al de vraag gesteld hoe je hoek van de wieken van windmolens kan instellen?


Roterende transfo van een videorecorder


Principe van de roterende transfo


Roterende transfo in de vorm van een schijf


Roterende transfo in de vorm van een "motor" als er verschillende spanningen overgebracht moeten worden.


Twee praktische realisaties van roterende transformatoren

De stand van de wieken moet ingesteld kunnen worden naargelang de windkracht, om zoveel mogelijk energie uit de wind te kunnen halen. Bij stormweer of als de installatie defekt is moeten de wieken in zeilstand geplaatst kunnen worden (mee met de wind, zodat er geen kracht meer uitgeoeffend wordt op de bladen). De instelling wordt gestuurd vanaf de cabine, maar de wieken staan op de as. Hoe brengt men de mechanisch energie over?

Er zijn heelwat mogelijkheden om de hoek van de bladen in te stellen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om de hoofdas hol te maken, en in het midden een tweede as te voorzien, die door te draaien ten opzichte van de hoofdas, de wieken in een bepaalde positie zet. De holle hoofdas kan ook gebruikt worden om er een zuiger in onder te brengen. Door druk op de zuiger te zetten kan die bewegen en de schroefstand veranderen. In rust (geen druk) gaan de bladen automatisch in een veilige zeilstand.

Maar deze mechanische oplossingen zijn complex en zijn niet altijd voldoende betrouwbaar. Een windmolen op zee moet jaren permanent kunnen werken zonder onderhoud en zonder mankementen.

Een andere oplossing is gewoon een kleine electromotor te gebruiken om de schroefstand te verzetten. De motor wordt gemonteerd op de as zelf. Veel energie is er niet nodig, de bladen mogen traag verdraaid worden. Aangezien de as draait moeten we nu een systeem vinden om de energie voor de motor te kunnen overbrengen.

Vroeger gebruikte men vaak sleepringen en contacten om stroom over te brengen op een roterende as. Een typisch voorbeeld is de sleepringankermotor. Maar sleepringen zijn niet betrouwbaar genoeg om in een windmolen gebruikt te worden. Men zou liever de energie draadloos willen overbrengen.

In videorecorders gebruikt men al lang een speciaal type transformator om het signaal van de videokoppen (die op een draaiende as gemonteerd zijn) over te brengen naar de electronica. Men heeft hier ook eerst gewerkt met sleepringen, maar dit was geen goede oplossing: na een paar maanden gebruik maakten de sleepringen onvoldoende contact, waardoor het beeld heel veel storingen vertoonde.

Het principe van de roterende transfo van de videorecorder kan overgebracht worden om de energie te leveren aan de motor die de schroefstand moet ingesteld worden.

Bij de afbeeldingen ziet men eerst de roterende transfo van een videokop. De bedoeling is het signaal van de videokoppen (die op de buitenkant van de draaiende schijf gemonteerd staan) over te brengen. Omdat er meer koppen zijn, zijn er ook meer wikkelingen voorzien.

Maar laten we eerst de basis uitleggen. Een transfo bestaat uit wikkelingen en een metalen kern die nodig is om de wikkelingen bij elkaar te houden, maar ook en vooral om het magnetisch veld te concentreren. Het magnetisch veld van de primair moet overgedragen worden naar het secundair. Bij een gewone transfo is dit eenvoudig, beide wikkelingen worden naast of op elkaar gelegd.

Bij een roterende transfo is dit wat moeilijker. De transfo bestaat uit twee blokken (eerste voorbeeld) of schijven (tweede voorbeeld) die ieder op een as gemonteerd worden: de vaste as (primair) en de draaiende as (secundair). Op het eerste voorbeeld zie je goed dat het magnetisch veld opgebouwd wordt rond beide wikkelingen.

In het tweede voorbeeld heb je een schijfvorm. Beide schijven hebben een ronde diepe groef waarin de wikkelingen gelegd worden. Ondanks de luchtspleet (die zo klein mogelijk is) wordt het magnetisch veld gemakkelijk overgebracht van het primair naar het secundair. De roterende transfo van een videorecorder is gebouwd volgens dit principe, maar omdat er meer koppen zijn, moeten er ook meer gescheiden wikkelingen zijn.

Maar als men een groter vermogen moet overgrengen, dan ontstaan er verliezen tussen de wikkelingen aan primaire en aan secundaire kant onderling. De primaire (en secundaire) wikkelingen liggen te dicht bij elkaar. Men gebruikt dan een andere type constructie, die eerder op een gewone motor lijkt, met hier ook een stator en een rotor.

De stator heeft wikkelingen die geen klassieke polen vormen, het zijn eerder ringen die radiaal rond de as liggen. In het voorbeeld hebben we 4 dergelijke wikkelingen getekend. De rotor heeft eveneens radiale wikkelingen die precies tegenover de wikkelingen van de stator liggen.

Deze wikkelingen hebben geen mechanisch moment: ze kunnen de "motor" niet doen draaien, en als de motor draait, wordt er ook geen spanning opgewekt in het secundair. Voor de werking van de transformator maakt het niet uit of de rotor draait of niet.

In vergelijking met een klassieke transfo veroorzaakt de luchtspleet wel een klein verlies, maar dit heeft als gevolg dat de secundaire wikkeling nagenoeg kortsluitvast geworden is: de luchtspleet beperkt immers het magnetisch veld tot een veilige waarde, waardoor de stroom niet kan oplopen.

In ons voorbeeld hebben we een roterende transfo onder de vorm van een motor getekend met 4 wikkelingen: drie wikkelingen die in ster of driehoek geschakeld zijn om het vermogen over te brengen naar de motor op de as. We gebruiken hier triphasé zodat we de motor gemakkelijk in de ene of andere richting kunnen laten draaien zonder commutatoren of andere contacten.

De laatste wikkeling voert een permanente stroom toe (uiteraard wisselspanning). Deze spanning kan gebruikt worden om bijvoorbeeld opnemers van stroom te voorzien: hoekstand, temperatur van de motor, van de hoofdas, enz. De informatie wordt draadloos terug gestuurd naar de cabine.

Als deze permanente stroom zou wegvallen betekent dit dat de windmolen niet meer met het net verbonden is (of defekt is). De schroefbladen worden dat ogenblikkelijk in zeilstand gezet om beschadiging te voorkopen. Dit kan gebeuren door een opgespannen veer die loskomt als de spanning welvalt, maar er zijn natuurlijk diverse beveiligingssystemen aktief.

Grote roterende transformatoren kunnen een vermogen van meer dan 100kW overbrengen. Ze worden bijvoorbeeld op schepen gebruikt, hier ook om de stand van de bladen in te stellen (zie laatste twee foto's rechts, waar primair en secundair een ander kleur hebben). De motor drijft de hoofdas aan een constante snelheid, en men veranderd de snelheid van het schip door de schroefstand te veranderen. Met dit systeem is het ook mogelijk het schip achteruit te laten varen (op een lagere snelheid).

Energie kan natuurlijk ook overgebracht worden door een generator met vaste veldwikkeling en waarbij de energie opgewekt wordt in de rotor. Dit systeem is echter niet gebaseerd op de transformator, maar op de generator. Er wordt enkel energie opgewekt als de generator draait, wat niet aangewezen is in onze situatie.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's