Transformatoren
voor electriciteitsdistributie
Electriciteit

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 of 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 spanning wordt dan opnieuw verlaagd voor de eindgebruiker. De transformatorverliezen zijn heel beperkt in vergelijking met de verliezen in de kabels.

Tussen de alternator in de electriciteitscentrale en de eindgebruiker zal men een 5-tal transformatoren aantreffen: één step-up transformator die de generatorspanning opvoert naar de hoogspanning van het transportnetwerk (150kV of 380kV) en een aantal transformatoren die de spanning verlagen naar midden- en laagspanning (70kV, 36kV, 11kV, 6kV en uiteindelijk 230/400V).

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

Monofasig of driefasig

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 (step-up transformatoren van electriciteitscentrales, dwarsregeltransformatoren,...).

Als men drie monofasige transfo's gebruikt, dan kan men zich in een eerste fase beperken tot twee transfo's als het verbruik nog laag is, om later de derde transo bij te plaatsen. Dit is enkel mogelijk bij driehoekschakelingen.

Gebruikt men monofasige transformatoren, dan kan men ook het systeen betrouwbaarder maken door een extra transformator te voorzien die dan in gebruik wordt genomen als een transformator onderhouden moet worden.

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.

De transformator kan zowel in ster of driehoek aangesloten worden zoals motoren, maar bij transformatoren komt en nog een schakelwijze bij: de zig-zag aansluiting: zie schakeling van transformatoren.

Spaartransformatoren of autotransformatoren

Autotransformatoren hebben een gecombineerde wikkeling die zowel voor het primair als het secundair gebruikt wordt. De transformatieverhouding wordt op dezelfde manier berekend als bij een normale transfo en men kan de spanning verhogen of verlagen. Het voordeel van een spaartransformator is dat men minder metaal moet gebruiken (kopen en ijzer) en dat er minder verliezen zijn.

Een nadeel is dat primair en secundair niet gescheiden zijn. Voor bepaalde toepassingen waarbij het secundair aan de massa moet liggen (audio installaties) moet men transformatoren met gescheiden primair en secundair gebruiken. Transformatoren die een veilige voeding moeten leveren (medische apparatuur, speelgoed, enz) hebben altijd gescheiden wikkelingen.

Autotransformatoren worden zowel monofasig als direfasig gebouwd. Ze hebben vooral nut als de transformatieverhouding eerder beperkt is zoals bij verhuistransfo's (110/220V).

De transformator rechts is een spaartransformator die gebruikt wordt voor het starten van zware motoren, dit is een alternatief op het starten met een ster-driehoekschakeling. Bepaalde motoren, en in het bijzonder de dahlander motor kan niet gestart worden met een ster-driehoekschakeling.

Iedere spoel heeft drie aansluitingen: een gemeenschappelijke aansluiting (neutre) op 0V, een ingang (bijvoorbeeld 400V) en een uitgang (bijvoorbeeld 300V). Dij een ster-driehoek omschakeling is de spanningsverhouding vast (400/230V). Met een spaartransformator kan men een andere verhouding gebruiken.

Omdat de transfo enkel tijdens het starten gebruikt wordt kan die lichter uitgevoerd worden.

Verliezen bij transformatoren

Tranformatoren hebben een hoog rendement, hoe hoger het vermogen, hoe hoger het rendement. Maar het is niet gunstig van een overgedimensioneerde transformator te gebruiken, want dan stijgen de zogenaamde "ijzerverliezen" die altijd aanwezig zijn.

Ijzerverliezen worden veroorzaakt door foucaultstromen in het ijzer. Deze verliezen kan men beperken door transfoblik te gebruiken (dunne geïsoleerde platen). Er zijn ook hysteresisverliezen die veroorzaakt worden door de magnetisatie en demagnetisatie van het ijzer. Men kan deze verliezen beperken door speciale ijzersoorten te gebruiken (weekijzer). Ijzer dat zijn magnetisme behoud (ijzersoorten voor het maken van magneten) zijn zeker niet geschikt in transformatoren.

De ijzerverliezen zijn permanent aanwezig ongeacht de belasting. Men meet de ijzerverliezen door de transformator onbelast te laten werken. De verliezen die men dan meet zijn de zogenaamde ijzerverliezen.

De koperverliezen ontstaan door de weerstand van de geleiders. Om de koperverliezen te bepalen moet de transformator op een zo laag mogelijke magnetisatie werken. In de praktijk zal men werken met kortgesloten secundair. Men stelt de primaire spanning zodanig in dat de secundaire stroom overeenkomt met de nominale stroom. De gemeten verliezen zijn de zogenaamde koperverliezen.

Een lage primaire spanning betekent dat de transformator een lage inwendige weerstand heeft en dus relatief weinig verliezen heeft. Maar bij een kortsluiting kan de stroom zeer hoge waarden bereiken, waardoor men niet noodzakelijk de laagst mogelijke weerstand zoekt. De kortsluitspanning bij nominale secundaire stroom wordt als percentage van de nominale spanning aangegeven.

Men heeft het over "koper"verliezen, maar de wikkelingen van grote transformatoren bestaan tegenwoordig uit aluminiumdraad (goedkoper).

Naast de koper- en ijzerverliezen zijn er ook fluxverliezen. Dit is de primaire magnetische flux die niet naar het secundair gaat. Deze fluxverliezen zijn in standaard transformatoren uiterst beperkt, maar er worden speciale transformatoren met hoge lekverliezen. Deze transformatoren kunnen kortgesloten worden zonder dat de stroom te hoog oploopt (lastransformatoren, beltransfos, spaarlektransformatoren voor ontladingslampen). De spanning zakt sterk als de transfo belast wordt.

Transformatoren die voorzien zijn om bijna permanent onbelast te werken moeten lage ijzerverliezen hebben. Deze zijn immers onafhankelijk van de belasting. De transformatoren werken met een lagere magnetisatie, maar gebruiken meer wikkelingen van dunnere draad.

Transformatoren die permanent op hoog vermogen werken moeten lage koperverliezen hebben. De transformatoren gebruiken dikkere wikkelingen. Het betreft bijvoorbeeld aanlooptransformatoren voor asynchrone motoren (in plaats van de ster/driehoekschakeling), transformatoren van microgolf ovens,...

Om een grootte-orde te geven: transformatoren die in de industrie gebruikt worden hebben ijzerverliezen van 0.2% en koperverliezen van 1.2%.

Een transformator om woonwijken en kantoren te voeden wordt normaal gebruikt op 30% van zijn nominale capaciteit. De reserve capaciteit is nodig om de belastingspieken op te vangen, maar de meeste transformatoren zijn eigenlijk overgedimmensioneerd. Om rekening te houden met een stijging van het verbruik? Dit is niet altijd het geval: door het gebruiken van betere alternatieven daalt het verbruik in bestaande kantoren en woonwijken (ledlampen in plaats van gloeilampen, meer efficiënte kookplaten en wasmachines,...)

Een transformator kan kortstondig overbelast worden, de temperatuur moet echter gecontroleerd worden. Door de verhoogde koperverliezen stijgt de temperatuur van de wikkelingen, waardoor de weerstand verder stijgt en de verliezen nog groter worden. Een oververhitte transformator moet volledig afkoelen vooraleer die opnieuw zijn nominaal vermogen kan leveren.

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

-