Transformatoren
voor electriciteitsdistributie
Electriciteit
Root server » TechTalk » Electriciteit » Wisselspanning » Transformatoren

Een transformator wordt gebruikt om een spanning omhoog of omlaag te transformeren. Een transformator werkt enkel met wisselspanning, en daarom is men honderd jaar geleden overgestapt op wisselspanning in plaats van gelijkspanning. Tegenwoordig kan men ook gelijkspanning gemakkelijk transformeren met schakelende voedingen, maar die bestonden niet in die tijd.

Een transformator zet een lage spanning om in een hogere spanning en omgekeerd. Omdat het vermogen constant blijft, heeft de lage spanning een hogere stroom dan de hogere spanning. Omdat een hogere stroom meer verliezen teweeg brengt, zal men een zou hoog mogelijke spanning gebruiken voor de electriciteitsdistributie. De eindgebruiker verkiest dan weer een lagere, veiligere spanning.



Zigzagschakeling primair in driehoek of ster geschakeld.


Principe van de lastschakelaar


Lastschakelaar van een installatie van 250kVA en aanduider


Induktiespanningsregelaar

Er bestaan heel veel verschillende transformatoren die hier niet besproken zullen worden: afgestemde transformatoren die gebruikt worden om hoogfrekwente signalen te versterken (radio, televisie,...), stroomtransformatoren, impedantieomvormers die in bepaalde electronische schakelingen gebruikt worden,... We beperken ons hier tot de transformatoren die bij de electriciteitsdistributie gebruikt worden.

De stroomverdeling gebeurt driefasig, de meeste transformatoren zijn dan ook driefasig, waardoor er minder ijzer en koper nodig is (met als gevolg minder veliezen). Het is enkel als de transformator zo groot zou moeten worden dat die niet vervoerd kan worden dat men drie monofasige transformatoren gebruikt (uitgangstransfo's van electriciteitscentrales).

De meeste transformatoren hebben drie kolommen met een primaire en secundaire wikkeling. Deze worden algemeen gebruikt, maar zijn minder aangeraden als de belasting asymmetrisch kan worden. Men gebruikt dan twee extra kolommen zodat de magnetische flux langs hier kan lopen.

Er bestaan hier ook twee manieren van aansluiten zoals bij motoren en generatoren: de ster en driehoekaansluiting. In theorie kan het primair en secondair vrij gewikkeld worden in ster of driehoek, maar bij zeer hoge spanningen moet men rekening houden met het feit dat één zijde op massapotentiaal staat en de andere zijde op de maximale spanning (ster), terwijl bij driehoek beide zijden op hoogspanning staan.

Ster aansluiting

Een steraansluiting is goedkoper bij hogere spanningen. De spanningsomschakelaars (lastschakelaars) kunnen op de laagsspanningskant van de wikkeling geplaatst worden. Deze omschakelaars worden gebruikt om de transformatieverhouding lichtjes aan te passen.

Met een steraansluiting heb je een neutre uitgang: de steraansluiting wordt daarom gebruikt als laatste transformator bij de stroomverdeling aan de eindgebruikers. De steraansluiting wordt ook gebruikt op de secundaire van de transformator van een electriciteitscentrale. De neutre wordt lokaal aan de massa gelegd, maar wordt niet doorgestuurd omdat er normaal geen stroom door de neutre loopt indien de belasting evenwichtig is (wat meestal het geval is bij electriciteitsdistributie).

Driehoek aansluiting

Deze aansluiting is goedkoper bij lage spanningen (en hogere stromen). Er is geen neutre aansluiting en de spanning ten opzichte van de massa van verlopen.

Deze aansluiting wordt in de Verenigde Staten gebruikt om de eindgebruikers van stroom te voorzien (split phase met high leg). De neutre wordt aangesloten op de middenaftakking van één van de wikkelingen.

Om de belasting beter te verdelen probeert men een andere aansluiting te hebben op primair en secundair (dus ster naar driehoek of driehoek naar ster). Zelfs al is het aantal wikkelingen identiek (zelfde transformatieverhouding), de spanning wordt 1.7× hoger bij de overgang van driehoek op ster.

Zigzag aansluiting

De zigzag aansluiting is een speciale uitvoering van de steraansluiting. In tegenstelling met de ster of driehoekaansluiting waarbij men in theorie kan overgaan van de ene naar de andere aansluiting door de aansluitingen anders te verbinden heeft men bij een zigzag aansluiting een dubbele wikkeling nodig.

Met een zigzag aansluiting kan men een asymmetrische belasting beter verdelen over de drie fasen. Men kan ook de harmonische vervormingen beperken. Deze worden bijvoorbeeld veroorzaakt door niet-lineaire belastingen zoals oudere schakelende voedingen (met een slechte crest factor), frekwentieomvormers, enz. Deze aansluiting heeft ook een neutre uitgang.

Deze aansluiting wordt vaak gebruikt in plaats van een gewone ster-uitgang bij de laatste transfo om eindgebruikers te voeden (deze gebruikers hebben vaak een zeer asymmetrische netbelasting). Ten gevolge van de complexere constructie wordt de zigzag aansluiting enkel gebruikt bij lagere spanningen en vermogens. De zigzag aansluiting wordt enkel op de secundaire kant van een transfo toegepast.

De zigzagschakeling met primair in driehoeksvorm produceert geen faseverschuiving (of een faseverschuiving van 180°) zoals de driehoek/driehoek en ster/sterschakeling. Electrisch gezien heeft men de voordelen van een ster-ster of driehoek-driehoekschakeling (geen faseverschuiving) met die van een driehoek-sterschakeling (onderdrukking van harmonischen en verdeling van een asymmetrische belasting). De afwezigheid van een faseverschuiving tussen primair en secundair is belangrijk bij het koppelen van electriciteitsnetwerken.

We nemen een transformator met aan primaire zijde een spoel met n wikkelingen aangesloten op v volt en aan secundaire zijde twee spoelen met n/2 wikkelingen. Ten gevolge van het faseverschil tussen beide wikkelingen is de bekomen spanning niet v volt, maar 0.85 × v. Ten gevolge van de faseverschuiving is het ook niet mogelijk de wikkelingen in parallel te gebruiken. Men moet dus meer wikkelingen gebruiken om een bepaalde spanning te bekomen: de koperverliezen liggen dus wat hoger in vergelijking met een secundair die in ster geschakeld is. Daarom wordt een zigzag aansluiting enkel gebruikt bij lagere vermogens.

Aanpassing van de spanning

Een transfo wordt voornamelijk gebruikt om de spanning tussen primair en secundair te wijzigen. Maar vaak moet ook de uitgangsspanning fijn kunnen bijgeregeld worden bij gekoppelde netten om te vermijden dat er verliesstromen door de verbindingskabels vloeien.

Als het verbruik oploopt, dan zijn er meer verliezen in de kabels en de transformatoren, waardoor de spanning bij de eindgebruiker zou zakken. Om dit te vermijden wordt de transformator automatisch op een hogere spanning geschakeld als de belasting hoger wordt. Het is een voorwaartse regeling: men meet niet de spanning bij de gebruiker, maar de totale stroom en berekent dan de verliezen en de correctie die doorgevoerd moet worden.

Niet alle transformatoren zijn uitgerust met een dergelijk complex regelsysteem: de wijktransformatiecabines hebben zo'n systeem niet: de correctie gebeurt op de middenspanningstransformatoren die tientallen wijkcabines van stroom voorzien.

Bij distributietransformatoren gebruikt men geen variacs. Dit zijn regeltransformatoren waarbij een koolborstel contact maakt met opeenvolgende wikkelingen om zo de uitgangsspanning aan te passen. De vermogens die hier in het spel zijn zijn veel te groot.

Lastschakelaar

Men gebruikt electrisch bediende schakelcontacten, waarbij er een wikkeling bij of uitgeschakeld wordt. De wikkelingen die geselecteerd kunnen worden zijn uitgerust met een tap die naar de schakelaar loopt. Het schakelen moet noodgedwongen gebeuren als de transformator in werking is, en er mag geen stroomonderbreking gebeuren tijdens het schakelen. De schakelcontacten zijn ondergedompeld in speciale olie om vonken te beperken. Voor de schakelcontacten gebruikt men een aparte oliebad om de olie te kunnen verversen zonder de olie van de volledige transfo te moeten vervangen. Het systeem met schakelcontacten wordt het meest gebruikt.

De lastschakelaar bij grote transformatoren bestaat uit twee grote delen:

  • Een dubbele selector die de tap selecteerd waardoor de stroom zal lopen. De selectie gebeurt uitsluitend op de tak die niet ingeschakeld is door de omschakelaar. Doorgaans is er één tap geselecteerd per tak.
  • De omschakelaar selecteert één van de twee takken. Omdat er geen onderbreking van de stroomvoorziening mag zijn, is er een ogenblik waarbij beide takken aangesloten zijn. Om circulatiestromen te beperken zijn er twee weerstanden van lage waarde voorzien. Bij het omschakelen is er een ogenblik waarbei beide takken aangesloten zijn via de weerstanden.

Om een snelle omschakeling te realiseren zal de motor die de omschakeling uitvoert eerst een veer aanspannen (gedurende een halve tot een seconde). De energie die in de veer opgeslagen is zorgt voor een snelle omschakeling in 50 à 100ms.

De lastschakelaar rechts is er een van een transformator van 250kVA (zeer laag vermogen). De spanning kan omgeschakeld worden van -16 tot +16% in stappen van 1%.

Induktiespanningsregelaar

Om een fijnere regeling mogelijk te maken gebruikt men een roterende transfo die nog het meest lijkt op een asynchrone motor met gewikkeld anker. De rotor kan hier echter niet vrij draaien en in plaats van glijcontacten te gebruiken gebruikt men een vaste verbinding met soepele kabels (de rotor draait nooit meer dan 180° in iedere richting).

De primaire wikkeling vormt de stator en de rotor is het secundair. Door de positie van de rotor te wijzigen produceert men een spanning in fase of in tegenfase. Deze spanning wordt opgeteld bij de netspanning en zo bekomt men een hogere of lagere spanning.

Primair en secundair kunnen schakeltechnisch omgewisseld worden, dit verandert niets aan de werking van de regelaar (stator wordt secundair en rotor primair).

De spanningsverandering is beperkt tot een percentage van de netspanning, bijvoorbeeld ±15%. De roterende transfo moet daarom slechts bekerend zijn voor een vermogen van 15% van het maximaal vermogen.

In een praktische realisatie zal men de secundaire wikkeling aansluiten op de laagspanningskant van de hoofdtransformator die in ster gewikkeld is. De roterende transfo vervangt de lastschakelaar.

In tegenstelling met een normale transfo heeft de roterende transfo een luchtspleet. Een voordeel hiervan is dat de maximale stroom gelimiteerd is. Dit is eveneens het geval met alternatoren die een kortsluitstroom hebben die 3× à 5× de nominale stroom bedraagt.

Triphasé kan niet eenvoudig omgezet worden in monophasé. Als er een zware monofasige belasting op een dreifasig net moet aansluiten, dan gebruikt men een open delta transformator.

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