Driefasige transformatoren

Driefasige transformatoren zijn passieve machines die elektrische energie tussen stroomkringen doorgeven. In de secundaire stroomkring induceert een magnetische flux een elektromotorische kracht (emf), waardoor de spanning wordt verhoogd (verhoogd) of verlaagd (verlaagd) zonder dat de frequentie wordt gewijzigd. Er zijn verschillende soorten elektrische systemen, en daarom moeten transformatoren naast compatibele systemen werken. Een driefasentransformator werkt met een driefasig wisselspanningssysteem (wisselstroom) om consumenten te voorzien van stabiele en apparaatveilige elektriciteit. Afhankelijk van de industrie of de toepassing zullen de grootte, het ontwerp, het voltampèrage en het draagvermogen van de driefasentransformator verschillen.

Inhoudsopgave

• Wat is een driefasentransformator?
• Wat is het driefasige elektrische systeem?
• Betekenis van Faraday's wet van inductie
• Driefasige transformatortypen
• Opbouw driefasige transformator
• Configuraties
• Toepassingen
• FAQs

Wat is een driefasentransformator?

In sommige gelijkrichtertransformatoren kunnen spanningstransformatoren worden geconstrueerd voor één fase of voor twee, drie, zes en zelfs complexe combinaties van maximaal 24 fasen. Bij energieopwekking, -distributie en -transmissie kan gebruik worden gemaakt van driefasen, aangeduid als 3φ of 3-fasen. Een driefasentransformator werkt op een driefasige stroomvoorziening en zowel de primaire als de secundaire wikkelingen hebben drie reeksen wikkelingen.

Wat is het driefasige elektrische systeem?

Driefasige en eenfasige elektrische systemen maken gebruik van wisselstroom (AC). Wisselstroom is in het algemeen de sinusgolfvorm, maar andere golfvormen, zoals blok-, driehoek- en complexe golven, kunnen ook worden opgewekt. AC-signalen hebben drie belangrijke eigenschappen: amplitude, periode, en frequentie. Amplitude beschrijft de grootte van de golf. De periode is de tijd dat één volledige oscillatie optreedt, terwijl de frequentie het aantal per seconde optredende cycli is.

Een volledige wisselstroomtrilling heeft zowel een piek als een dal. Voor de gebruikelijke 360° cyclus liggen deze punten op 90° en 270°. Het 1-fasige systeem heeft één piek en één dal binnen één geleider, en deze punten ervaren maximale magnitudes maar in tegengestelde richtingen. 3-fasige systemen daarentegen hebben drie pieken en dalen op drie geleiders. Spanningen en stromen lopen 120° voor of achter op elkaar (Figuur 2).

Betekenis van Faraday's wet van inductie

De werking van alle soorten transformatoren is onderhevig aan de inductiewet van Faraday - deze stelt dat de grootte van de in een stroomkring geïnduceerde emf recht evenredig is met de veranderingssnelheid van de magnetische flux die door de stroomkring snijdt.

Daarom zal een geleider die in de buurt van een wisselend magnetisch veld wordt geplaatst - bijvoorbeeld van een wisselstroom-elektromagneet - een elektrische stroom te zien geven. Elektromagnetische circuits van deze aard worden primaire wikkelingen genoemd.

Aangezien de elektrische stroom ineenstort en voortdurend met een bepaalde frequentie wordt opgewekt, stort het magnetische veld ineen en schept het op soortgelijke wijze opnieuw. Dit wisselend magnetisch veld induceert een stroom in de geleiders die door deze flux worden gesneden; zij worden dan secundaire wikkelingen genoemd. De frequentie is in beide wikkelingen gelijk.

Driefasige transformatortypen

Driefasige transformatoren kunnen worden ingedeeld op grond van hun constructie. Er zijn twee soorten driefasige transformatoren: het kerntype met primaire en secundaire wikkelingen die op één kern zijn gewikkeld en de schelpvormige transformator die drie eenfasige transformatoren combineert.

Kerntype

In driefasige kerntransformatoren heeft de kern drie ledematen binnen hetzelfde vlak. Elk lid bevat primaire en secundaire wikkelingen, en deze wikkelingen zijn gelijkelijk verdeeld over de drie leden. Het is niet ongewoon te horen over hoogspannings- (HV) en laagspannings (LV) wikkelingen.

Aangezien een laagspanningswikkeling gemakkelijker te isoleren is, liggen deze wikkelingen dichter bij de kern dan de hoogspanningsspoelen. De laatste wikkelingen wikkelen zich om de eerste, met isolerend materiaal ertussen. Bij deze constructie zijn de wikkelingen magnetisch met elkaar verbonden, waarbij de ene wikkeling het andere paar ledematen gebruikt als retourpad voor zijn magnetische flux (zie figuur 3).

Shell-type

De 3-fasetransformator van het schaaldraadtype zijn drie afzonderlijke 1-fasetransformatoren. De drie fasen van deze transformator hebben hun magnetische velden vrijwel onafhankelijk en de kern van deze transformator heeft vijf ledematen.

De HV- en LV-wikkelingen bevinden zich rond de drie hoofdledematen. Net als bij het driefasige kerntoestel bevindt de laagspanningsspoel zich het dichtst bij de kern. De twee buitenste ledematen dienen als de retourpaden van de flux.

De magnetische flux splitst zich in tweeën naarmate het veld het juk nadert. Het is gebruikelijk dat de buitenste ledematen en het juk half zo groot zijn als de belangrijkste ledematen. U kunt de hoogte van de transformator verminderen door het juk kleiner te maken.

De opbouw van de driefasentransformator

Behalve de kern en de wikkelingen zijn er nog andere vitale onderdelen in een transformator, zoals hieronder besproken:

• Isolatie: Dit deel fungeert als een barrière die de wikkelingen scheidt van de kern.
• Transformatorolie: De transformatorolie heeft twee hoofdfuncties: isolatie en koeling. De isolerende eigenschappen van de olie verhinderen kortsluiting en vonkvorming. Deze olie werkt als koelvloeistof door de warmte van de kern en de wikkelingen af te voeren.
• thermometers Thermometers controleren de temperatuur van de olie.
• Drukontlastingssystemen: Overdruksystemen maken deel uit van het veiligheidsprotocol. Zij maken overdruksituaties onschadelijk wanneer olie door kortsluiting opvlamt.
• Koeler: Het koelsysteem koelt de koelvloeistof. Hij koelt de hete olie af via water- of luchtgekoelde buizen. Het koelmiddel wordt dan teruggevoerd naar de kern en de wikkelingen.
• Tank: De tank beschermt de transformatorwikkelingen en de kern tegen externe omstandigheden en bevat het koelmiddel.
• Olie conservator: De olieconservator is een vat dat los van de tank is geïnstalleerd. Het helpt de olie vast te houden nadat deze door verhitting in de wikkelingen en de kern is uitgezet.
• Spanningsregelaars: Spanningsregelaars veranderen de uitgangsspanning, die de neiging heeft te dalen bij belasting. Door de tapwindingen te wijzigen met behulp van een tapwisselaar wordt de spanningsverhouding aangepast.
• Gas-gestuurde relais: Gasgestuurde relais hebben een andere naam - het Buchholz-relais. Het houdt vrijgekomen gas vast dat uit de transformatortank borrelt, en het zien van dit vrije gas wijst erop dat er een probleem is met de transformator.
• Ademers: Ontluchters zorgen ervoor dat de transformatorolie droog blijft. Deze ontluchters verwijderen vocht uit de luchtzakken boven het olieniveau van de conservator.

Configuraties

Er zijn twee belangrijke aansluitingen voor deze driefasige machines: de ster- en driehoek-configuraties.

De sterconfiguratie wordt ook wel de wye-aansluiting genoemd. Hij heeft vier aansluitingen maar drie wikkelingen. De drie wikkelingen vormen de drie fasen van de stroomkring, terwijl de vierde klem de klem is waar de andere drie wikkelingen samenkomen; het is een gemeenschappelijk neutraal punt.

Deltaverbinding, ook wel maasverbinding genoemd, is een verbinding van drie wikkelingen waarvan de uiteinden met elkaar zijn verbonden, waardoor een gesloten lus ontstaat. Hij heeft drie aansluitingen en wikkelingen zonder neuraal punt, en gebruikt in plaats daarvan aardaansluitingen. De deltaverbinding wordt geconfigureerd in systemen met hoge poten door het midden van een fase te aarden, zoals te zien is in figuur 4.

Spannings- en stroomkarakteristieken

Er zijn voor- en nadelen verbonden aan het gebruik van ster- of driehoekbedradingssystemen voor transformatoren. Inzicht in de fase- en lijnstromen en -spanningen is van het grootste belang om het juiste systeem voor uw toepassingen te kiezen.

Fasestromen en -spanningen worden gemeten over één component, terwijl lijnparameters worden gemeten over twee aansluitingen. Tabel 1 toont de relaties tussen deze kenmerken:

Tabel 1: 3-fasen spannings- en stroomkarakteristieken

Aansluiting	Fasespanning	Netspanning	Fasenstroom	Lijnstroom
Star	VP = VL / √3	VL = √3 * VP	IP = IL	IL = IP
Delta	VP = VL	VL = VP	IP = IL / √3	IP = √3 * IL

• VL: lijnspanning (lijnspanning)
• VP: fase-naar-neerspanning (fasespanning)
• IL: lijnstroom
• IP: fasestroom

Naast spanningen en stromen heeft een 3-fasen transformatorcalculator nog een parameter nodig om de juiste maat van het apparaat te bepalen - de omwentelingsverhouding (TR). Aangezien een transformator een lineaire machine is, kunnen de spanningen in de secundaire wikkelingen worden bepaald met behulp van de primaire spanningen en de omwentelingsverhouding. Het is de verhouding tussen de windingen van de secundaire en primaire wikkeling.

3-fasige transformator wikkelingsdiagrammen

De primaire en secundaire wikkelingen in een driefasentransformator kunnen verschillende of dezelfde configuraties hebben. De vier belangrijkste permutaties zijn:

Ster-ster configuratie (Y -Y)

De primaire en secundaire spoelen zijn in het sterrensysteem gewikkeld. Hij heeft het grote voordeel dat hij aan beide zijden van de transformator een nulklem heeft, waardoor aarding mogelijk is. Aarding verwijdert vervorming uit de golfvorm. In niet-geaarde toestand is de werking van dit soort transformator bevredigend indien de drie belastingen op de drie fasen in evenwicht zijn. Het is vooral voor kleine HV transformatoren.

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS: Secundaire spanning
• VP: Primaire spanning
• IS: Secundaire stroom
• IP: Primaire stroom

Deze aansluiting vermindert het aantal wikkelingen, aangezien de fasespanning 1/√3 van de lijnspanning bedraagt. Ook is er minder isolatie nodig.

Delta-delta configuratie (Δ-Δ)

De primaire en secundaire spoelen zitten in het delta-systeem. Dit systeem is bestemd voor grote LV-transformatoren, en maakt gebruik van een groter aantal wikkelingen dan het Y-Y type. Een voordeel van deze verbinding is dat ze compatibel is met onevenwichtige belastingen op de fasen. Een ander voordeel is dat zelfs wanneer de transformator is uitgeschakeld, de 3-fasige belastingen gevoed kunnen blijven. Dit is gewoonlijk in de open deltaconfiguratie bij verminderde capaciteiten.

In een delta-delta configuratie:

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS: Secundaire spanning
• VP: Primaire spanning
• IS: Secundaire stroom
• IP: Primaire stroom

Wye-delta of ster-delta configuratie (Y-Δ)

In deze configuratie is de primaire wikkeling in ster geschakeld en geaard aan de nulleider. De secundaire wikkelingen zijn verbonden in het driehoekssysteem. Het wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het verlagen van de spanning aan de kant van het onderstation van de elektrische transmissie.

Secundaire en primaire lijnspanningen hebben een verhouding die 1/√3 maal de transformatieverhouding van het toestel bedraagt. Er is ook een 30-gradenverschuiving tussen primaire en secundaire lijnspanning.

Delta-wye of Delta-ster configuratie (Δ-Y)

De primaire wikkeling wordt aangesloten in het driehoekssysteem en de secundaire in de geaarde sterconfiguratie. Hij wordt hoofdzakelijk gebruikt in step-up transformatoren op de plaats waar de transmissielijn ontspringt. Secundaire en primaire lijnspanningen hebben een verhouding die √3 maal de transformatieverhouding van het toestel bedraagt. Er is ook een 30-gradenverschuiving tussen de primaire en secundaire lijnspanning, zoals bij de Wye-Delta transformator.

Er zijn nog twee andere configuraties naast de vier hoofdpermutaties. Deze andere zijn een product van het veranderen van primaire delta- en sterwikkelingen. Ze omvatten:

Open delta (V-V) aansluiting

In dit systeem zitten twee transformatoren. De V-V-verbinding komt in het spel wanneer een van de transformatoren is uitgeschakeld, maar een regelmatige belasting nog steeds vereist is. In dergelijke gevallen wordt de dienst voortgezet totdat deze moet worden gerepareerd of een vervanger moet worden geïnstalleerd.

Deze configuratie kan kleine driefasige belastingen ondersteunen waarbij de installatie van een volledige driefasige transformatorbank overbodig is. Het draagvermogen bedraagt 57,7% van de volledige delta-deltaverbinding.

Scott-T (T-T) verbinding

In dit 3-fasen transformatorwikkelsysteem worden twee transformatoren gebruikt. Eén heeft middenaftakkingen op primaire en secundaire wikkelingen, bekend als de hoofdtransformator. De andere transformator, de teasertransformator genoemd, heeft een aftakking van 0,87. De teasertransformator werkt op 87% van de nominale spanning.

Hij wordt gebruikt wanneer een driefasensysteem wordt gekoppeld aan een tweefasensysteem. De voeding van een elektrische oven die op een tweefasensysteem werkt, is een typische toepassing van een T-T-aansluiting.

Aansluiting voor delta met hoog been

Een hoogbenige driehoeksverbinding ontstaat wanneer de secundaire zijde van de driehoeksverbinding in het midden wordt afgetakt; deze aftakking wordt dan met de aarde verbonden. Een dergelijke configuratie levert een 3-fasige voeding (driehoekschakeling) en een 1-fasige voeding op.

Zowel commerciële als residentiële distributiesystemen maken gebruik van deze verbinding. De verbruikers kunnen 240 V (lijnspanning) ontvangen voor grote machines of 120 V (fasespanning) voor kleinere apparatuur of verlichting zonder dat een extra transformator nodig is.

Toepassingen

Driefasige transformatoren zijn veelzijdige machines die op vele gebieden hun toepassing vinden. Enkele van de meest voorkomende toepassingen zijn:

1. Bij de opwekking en transmissie van elektriciteit wordt gebruik gemaakt van driefasentransformatoren.

2. Driefasige transformatoren kunnen in vele bedrijfstakken spanningen verhogen/verlagen. Deze transformatoren worden op grote schaal gebruikt in de mijnbouw, de grafische industrie, de textielindustrie, de liftindustrie, de industriële automatisering en de petrochemische industrie, naast diverse andere sectoren.

3. Aangezien de driefasentransformator ruis en hoogfrequente pulsstoringen kan vrijstellen van zijn interne koppeling, zijn zij van essentieel belang bij de vervaardiging van precisie-bewerkingsmachines. Aanwezig in industriële belastingssystemen met hoog vermogen, zoals motoraandrijvingen en gelijkrichters, naast andere apparatuur.

FAQs

Kan een driefasentransformator een eenfasige bron gebruiken om driefasig vermogen te leveren?

Het is onmogelijk eenfasige ingangsspanningen te transformeren om driefasig vermogen te leveren aan de uitgang van de transformator. Fase-verschuivers of fase-omzetters zoals condensatoren en reactoren zijn nodig bij de omzetting van een eenfasig systeem in een driefasig systeem.

Kunnen driefasige transformatoren worden gebruikt bij frequenties hoger dan de nominale frequentie?

Het is mogelijk driefasige transformatoren te gebruiken bij frequenties hoger dan de nominale. Maar hoe hoger de frequentie voorbij de nominale waarde ligt, hoe minder de spanningsregeling.

Wat betekent impedantie als we het hebben over driefasige transformatoren?

Impedantie is een stroomweerstand/-beperkende eigenschap van de transformator, en wordt gewoonlijk uitgedrukt in een percentage. Deze parameter bepaalt de onderbrekingscapaciteit van een zekering of een vermogensschakelaar om de primaire wikkelingen van de transformator te beschermen.