Transformator Inschakelstroom

De transformatorinschakelstroom is de ogenblikkelijke stroom die door de primaire wikkeling van de transformator wordt getrokken wanneer de transformator aanvankelijk onder spanning wordt gezet terwijl de secundaire zijde open blijft. De inschakelstroom, ook magnetiserende inschakelstroom genoemd, is van voorbijgaande aard en bestaat slechts gedurende enkele milliseconden. De inschakelstroom is twee tot tien maal hoger dan de standaard nominale stroom van de transformator. Dit artikel bespreekt de basisdefinitie van inschakelstroom van transformatoren, de oorzaken, de gevolgen en de oplossingen.

Inhoudsopgave

• Wat is de inschakelstroom van een transformator
• De oorzaak van de inschakelstroom van de transformator
• Hoe bereken ik de inschakelstroom van een transformator?
• Hoe meet ik de inschakelstroom van een transformator?
• Effecten van de inschakelstroom van de transformator
• Hoe kan ik de inschakelstroom van een transformator verminderen?
• FAQs

Wat is de inschakelstroom van een transformator?

De transformatorinschakelstroom is de ogenblikkelijke stroom die door de primaire wikkeling van de transformator wordt getrokken wanneer de transformator onder spanning wordt gezet terwijl de secundaire zijde open blijft. De secundaire zijde van een transformator wordt alleen bekrachtigd door de magnetische flux van de primaire zijde. Daarom loopt er geen stroom in de secundaire wikkelingen (dus heel even open-circuit) op het moment dat de primaire wikkeling van de transformator wordt bekrachtigd.

De inschakelstroom veroorzaakt geen permanente storing in de transformator. Toch veroorzaakt het een ongewenste schakeling in de stroomonderbreker (een elektrische schakelaar die is ontworpen om een elektrisch circuit te beschermen tegen schade veroorzaakt door kortsluiting of overstroom).

Tijdens de inschakelstroom is de maximale waarde die de magnetische flux bereikt meer dan het dubbele van de normale flux. De grootte van de inschakelstroom (figuur 2 met plaatje A) is 2-10 maal zo groot als de transformatorstroom bij volledige belasting (figuur 2 met plaatje B). Toroïdale transformatoren die minder koper gebruiken voor hetzelfde vermogen, kunnen tot 60 maal meer inschakelstroom hebben.

Hoe bereken ik de inschakelstroom van een transformator?

Gebruik de volgende vergelijking om de inschakelstroom in een transformator te berekenen:

Ip = 1.414 Vm / R

• IP: Inschakelstroom transformator
• Vm: Piekmagnitude van toegepaste spanning
• R: DC wikkelweerstand

Voorbeeld

Bereken de inschakelstroom van een transformator van 100 kVA, 440 V, met een gelijkstroomweerstand van de wikkeling van 0,5 ohm:

• Vm = 440V
• R= 0.5 ohm
• Daarom is Ip = (1,414 × 440) / 0,5 = 1244,3 Ampère

Vollaststroom van de transformator= (KVA × 1000) / Vm =227A.

Daarom is de inschakelstroom van de transformator ongeveer zes maal zo groot als de volledige belastingsstroom.

Hoe meet ik de inschakelstroom van een transformator?

Een stroomtang kan worden gebruikt om de inschakelstroom in een transformator te meten. Een stroomtang meet de stroom door een apparaat of draad zonder er fysiek contact mee te maken. De contactloze functie zorgt voor een veilige werkingsmogelijkheid voor het meten van zeer hoge stromen, die anders gevaarlijk kunnen zijn voor de gebruiker. Lees ons artikel over het gebruik van een stroomtang voor meer informatie.

De oorzaak van de inschakelstroom van de transformator

Wanneer een wisselspanning wordt aangelegd op een transformator waarvan de secundaire zijde is opengesloten, gedraagt de inrichting zich als een eenvoudige inductantie. De stroom loopt door de primaire wikkeling wanneer een transformator onder een wisselspanning staat. Volgens de inductiewet van Faraday creëert de stroom een magnetische flux rond de primaire wikkeling. De magnetomotorische kracht (MMF) drijft de flux door de kern, en de waarde ervan is evenredig met de stroom door de wikkeling. De MMF wordt gegeven door:

MMF = N × I

• MMF: Magnetomotorische kracht
• N: Aantal wikkelingen
• I: Wikkelingsstroom

Een deel van de magnetische flux passeert door de kern en verbindt zich met de secundaire wikkeling door wederzijdse inductie, waardoor een stroom op gang komt aan de secundaire zijde. Lees ons artikel over elektrische transformatoren voor meer informatie over hoe transformatoren werken.

De veranderingssnelheid van de magnetische flux in een transformatorkern is evenredig met de ogenblikkelijke spanningsval over de primaire wikkeling.

V = dɸ / dt

ɸ = Integraal ( V )

• V: Toegepaste wisselspanning
• ɸ: Magnetische flux geproduceerd

In een continu werkende transformator is de MMF evenredig met de wikkelingsstroom. Aangezien de flux evenredig is met de MMF, blijven de stroom en de flux in fase met elkaar. Aangezien in een spoel de spanning 90 graden voor de stroom staat, kan daaruit worden afgeleid dat de spanning 90 graden (of een kwart cyclus) voor de magnetische flux staat, zoals te zien is in figuur 3.

Volgens de in figuur 3 getoonde golven moet op het moment dat de spanning (figuur 3 met het label V) nul is, de corresponderende waarde van de stationaire flux (figuur 3 met het label F) het negatieve maximum (d.w.z. de minimumwaarde) zijn. Maar er is geen flux gekoppeld aan de transformatorkern voordat de voeding wordt ingeschakeld. Het is praktisch onmogelijk om flux te hebben op het moment dat de voeding wordt ingeschakeld. De waarde van de flux in de stationaire toestand kan niet onmiddellijk worden bereikt en vergt een tijd die niet nul is.

Indien de transformator dus wordt ingeschakeld op het moment dat de spanning nul is, begint de fluxgolf vanuit dezelfde oorsprong als de spanningsgolfvorm, zoals te zien is in figuur 4. De fluxwaarde aan het einde van de eerste halve cyclus van de spanningsgolf kan worden berekend met:

• ɸmax: Maximaal gecreëerde magnetische flux
• E sin⍵t: Wisselspanning toegepast op primaire zijde
• E: Omvang van de toegepaste spanning
• ⍵t: Fase van de toegepaste spanning

De transformatorkern is verzadigd boven de maximale waarde van de stationaire flux (figuur 4, gelabeld B). De kern raakt verzadigd na de maximale fluxwaarde, en de stroom die nodig is om de rest van de flux te produceren is zeer hoog. Daarom onttrekt de primaire wikkeling van de transformator een zeer hoge piekstroom aan de bron die bekend staat als de transformatorinschakelstroom (figuur 4 met het label A) of magnetiserende inschakelstroom van de transformator. Deze kortstondige stroom bestaat enkele milliseconden, waarna hij weer daalt.

De inschakelstroom van de transformator bestaat maar heel kort; deze stroom veroorzaakt dus geen permanente storingen in transformatoren. Hij verstoort echter de werking van de circuits die op de transformator zijn aangesloten en veroorzaakt onnodige schakelingen en spanningsovergangen.

Effecten van de inschakelstroom van de transformator

1. Hoge magnetiserende inschakelstroom in transformator maakt over dimensionering van automaten of zekeringen noodzakelijk.
2. Injectie van vervorming en ruis terug in de hoofdvoeding.
3. Boogvorming (elektrische stroom die van de ene aansluiting naar de andere springt) en defecten aan circuitcomponenten zoals schakelaars.
4. Onderbroken werking in zekering.
5. Stroomstoringen en harmonischen in het systeem en lagere stroomkwaliteitskenmerken.
6. Onregelmatige spanningsverdeling langs de transformatorwikkelingen.
7. Mechanische en elektrische trillingen langs de transformatorwikkelingen.

Hoe kan ik de inschakelstroom van een transformator verminderen?

De volgende methoden kunnen de inschakelstroom in een transformator verminderen:

Instellen van de ingangsspanningsfase

De transformatorinschakelstroom treedt op als de wisselspanning die de primaire wikkeling van de transformator bereikt, op nul begint wanneer de transformator onder spanning wordt gezet. Als de fase van de inkomende spanning op 90 graden begint (maximale amplitude), zal de corresponderende waarde van de stroom nul zijn, aangezien de stroom 90 graden achterloopt op de spanning in een spoel. Daarom is het aanpassen van de fasehoek van de ingangsspanning om de primaire wikkeling van de transformator op zijn positieve piekwaarde te bereiken een haalbare oplossing, zoals te zien is in figuur 5.

De inschakelstroom duurt echter slechts enkele milliseconden, en de transformatoren zijn fysiek ontworpen om de mechanische spanningen als gevolg van de inschakelstroom aan te kunnen. Het aanpassen van de fasehoek van de toegepaste spanning om de inschakelstroom te verminderen is gewoonlijk niet nodig of economisch. Een eenvoudige oplossing is het gebruik van een fasemeter om de fase van de inkomende spanning te controleren en de spanning alleen op de transformator toe te passen wanneer deze de maximumwaarde heeft bereikt. Door de voeding op het juiste moment te schakelen, kan de grootte van de transiënte inschakelstroom worden verminderd.

Gebruik een beveiligingscircuit tegen inschakelstroom

Thermistors kunnen worden gebruikt om de hoge startstroom in een transformator te beperken. Een thermistor heeft een zeer hoge weerstand bij omgevingstemperaturen en een lage weerstand bij hoge temperaturen. De thermistor is in serie geschakeld met de ingangslijn van de voeding. Wanneer het apparaat wordt ingeschakeld, beperkt de hoge weerstand dus de inschakelstroom die in het systeem kan vloeien. Omdat de stroom voortdurend loopt, stijgt de temperatuur van de thermistor, waardoor de weerstand aanzienlijk daalt. De thermistor stabiliseert dus de inschakelstroom, waardoor de constante stroom in het circuit kan stromen. Daarom kan de faseaanpassing van de inkomende spanning of het toevoegen van een beveiligingscircuit aan de transformator de piek van de inschakelstroom verminderen, zoals te zien is in figuur 6.

FAQs

Wat is de inschakelstroom van een transformator?

De transformatorinschakelstroom beschrijft een stroompiek die optreedt wanneer de transformator voor het eerst wordt ingeschakeld.

Wat veroorzaakt transformatorinschakelstroom?

Wanneer een transformator onder spanning wordt gezet, kan hij een grote inschakelstroom aan het systeem onttrekken doordat de magnetische flux in de kern uit fase is met de toegepaste spanning.

Hoe lang duurt de inschakelstroom van de transformator?

De inschakelstroom van de transformator is van voorbijgaande aard en kan tot enkele milliseconden duren.