Elektrische transformatoren

Een transformator is een elektromagnetisch apparaat dat elektrische energie van de ene stroomkring omzet in een andere zonder de frequentie of het vermogen ervan te veranderen. Transformatoren helpen de efficiëntie en veiligheid van elektrische energiesystemen te verbeteren door de spanningsniveaus naar behoefte te verhogen of te verlagen. De transformator werkt alleen op een wisselsignaal aan zijn ingang, maar met toevoeging van enkele halfgeleiderelementen kan hij ook gelijkstroom (DC) signalen produceren. In dit artikel worden de belangrijkste typen, de bedrading en de toepassingen van transformatoren besproken, en wordt uitgelegd hoe een transformator kan worden gebruikt om gelijkstroom te produceren.

Inhoudsopgave

• De werking van een transformator
• Transformatorconstructie
• Elektrische transformatoren
• Bedrading en symbool van de transformator
• Gelijkstroomtransformatoren
• Isolatietransformator
• Transformator toepassingen

De werking van een transformator

Een transformator werkt volgens het principe van inductie, dat inhoudt dat een stroomvoerende geleider een magnetisch veld om zich heen veroorzaakt en omgekeerd. Een transformator bestaat uit twee stel draden (zie figuur 2):

• Primaire spoel (A): verzamelt vermogen
• Secundaire spoel (B): levert stroom

De primaire en secundaire spoelen zijn samen gewikkeld op een magnetische ijzeren circuitkern, maar deze spoelen maken geen contact met elkaar, zoals te zien is in figuur 2. De kern is gemaakt van een zacht magnetisch materiaal dat bestaat uit laminaten (Afbeelding 2 met label B) die aan elkaar zijn gekoppeld om kernverlies te beperken. Kernverlies is het energieverlies binnen de kern veroorzaakt door een wisselende magnetische flux. Een onstabiel magnetisch veld vernietigt uiteindelijk de werking van het kernmateriaal.

Wanneer de primaire spoel (figuur 2 A) op een stroombron wordt aangesloten, loopt er stroom door de spoel en wordt er een magnetisch veld geïnduceerd. Een deel van dit magnetische veld verbindt zich met de secundaire wikkelingen (Afbeelding 2 met label C) door wederzijdse inductie, waardoor een stroom en spanning wordt geproduceerd aan de secundaire zijde (belasting). De aan de belastingszijde geproduceerde spanning is evenredig met het aantal windingen in de secundaire spoel ten opzichte van dat in de primaire spoel. De spanning- en stroomtransformatie worden gegeven door:

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• V1: Spanning op de primaire spoel van de transformator
• V2: Spanning geproduceerd op de secundaire (belasting) spoel van de transformator
• N1: Aantal windingen in de primaire spoel
• N2: Aantal windingen in de secundaire spoel
• I1:Stroom in de primaire spoel
• I2:Stroom door de secundaire spoel

Transformatorconstructie

Afhankelijk van de wijze waarop de primaire en secundaire spoelen rond de centrale gelamineerde stalen of ijzeren kern zijn gewikkeld, zijn er twee basisontwerpen van transformatorbouw:

• Kerntype transformator: In een kerntransformator zijn de primaire en secundaire spoelen aan de buitenkant gewikkeld en omgeven door de kernring, zoals te zien is in figuur 3.
• Shell-type transformator: In een Shell-type transformator lopen de primaire en secundaire spoelen binnen de magnetische stalen kern, waardoor een schelp om de spoelen wordt gevormd, zoals te zien is in figuur 4.

Lees ons artikel over eenfasige transformatoren voor de volledige lijst van transformatoronderdelen en hun functies.

Kerntransformator constructie

Kerntransformatoren

In de kerntype transformatorconstructie is de ene helft van de spoel gewikkeld rond elk been van het magnetisch circuit van de transformator (figuur 3, gelabeld B). De helft van de secundaire spoel en de helft van de primaire spoel worden concentrisch over elkaar geplaatst op elk been. Dit vergemakkelijkt een verhoogde magnetische koppeling tussen de spoelen (figuur 3, gelabeld A). Hierdoor kunnen praktisch alle magnetische krachtlijnen gelijktijdig zowel de primaire als de secundaire spoel passeren. Bij dit type transformatorconstructie vloeit echter een klein percentage van de magnetische krachtlijnen buiten de kern (de zogenaamde lekflux).

De cilindervormige spoelen hebben verschillende lagen, en elke laag is geïsoleerd van de andere. Materialen zoals papier, doek of mica worden gewoonlijk gebruikt voor isolatie. De laagspanningsspoelen worden naast de kern geplaatst, omdat zij gemakkelijker te isoleren zijn.

Shell-type transformatoren

In een shell-type transformator zijn de primaire en secundaire spoelen gewikkeld en gemonteerd in lagen die op elkaar gestapeld zijn met isolatie ertussen (figuur 4, gelabeld A). Zowel de primaire als de secundaire spoelen zijn gewikkeld op dezelfde centrale poot of poot, die tweemaal de doorsnede heeft van de twee buitenste poten. Een goed isolerend medium scheidt de beide spoelen. Aangezien de primaire en secundaire spoelen dicht bij elkaar zijn gewikkeld, heeft een schelpvormige transformator het voordeel dat de kernverliezen kleiner zijn en het totale rendement hoger.

Transformatorlaminaten

De laminaten die bij de bouw van transformatoren worden gebruikt, zijn dunne stroken geïsoleerd metaal die samengevoegd zijn tot een massieve maar gelamineerde kern. Het hebben van één grote massieve ijzeren kern als magnetisch kernmateriaal van de transformator geeft aanleiding tot kernproblemen zoals wervelstroomverliezen. Daarom is het essentieel dat de magnetische baan wordt opgesplitst in vele dunne vormen van geperst staal, laminaten genaamd.

De primaire en secundaire spoelen worden eerst gewikkeld op een spoelhouder met een rechthoekige, cilindrische of ovale doorsnede die past bij de constructie van de gelamineerde kern. De spoelvorm bepaalt de werkruimte, de verbindingswegen en de richting van de warmtestroom. De afzonderlijke laminaten worden uit grotere staalplaten geperst en gevormd tot dunne stalen strips die lijken op de letters "L", "E", "U" en "I", zoals te zien is in figuur 6.

Soorten transformatorkernen

Wanneer de laminaatstempels met elkaar worden verbonden, vormen zij de vereiste kernvorm. E"-stempels plus een eindafsluitende "E"-stempel geven bijvoorbeeld een E-E-kern, die één element vormt van een standaard transformatorkern van het shell-type, zoals te zien is in figuur 5. De afzonderlijke laminaten worden tijdens de constructiefase strak tegen elkaar aangedrukt om de reluctantie van de luchtspleet bij de verbindingen te verminderen, waardoor een sterk verzadigde magnetische fluxdichtheid ontstaat.

Elektrische transformatoren

Kerntransformator en shell-type transformator

Op basis van hun constructie worden transformatoren ingedeeld in transformatoren met een kern en transformatoren met een mantel.

Step-up transformator en step-down transformator

Op basis van hun doel worden transformatoren ingedeeld in step-up transformatoren en step-down transformatoren.

• Een step-up transformator verhoogt de spanning aan de secundaire spoelen ten opzichte van die aan de primaire zijde (met een daaruit voortvloeiende afname van de stroom).
• Een step-down transformator verlaagt de spanning aan de secundaire spoelen ten opzichte van die aan de primaire zijde (met een daaruit voortvloeiende verhoging van de stroom).

Eenfasige transformator en driefasige transformator

Op basis van de stroomvoorziening worden transformatoren ingedeeld in eenfasetransformatoren en driefasetransformatoren. Eenfasetransformatoren werken op een eenfasige stroomvoorziening, terwijl een driefasetransformator op een driefasige stroomvoorziening werkt.

Vermogenstransformator, distributietransformator en instrumentatietransformator

Op basis van hun gebruik worden transformatoren ingedeeld in:

• Stroomtransformator: Een vermogenstransformator is een conventionele hoogspanningstransformator die in netspanning wordt gebruikt.
• Distributietransformator: Een distributietransformator of diensttransformator is een transformator die zorgt voor de uiteindelijke spanningstransformatie in het elektriciteitsdistributiesysteem. Deze transformatoren verlagen de in de distributielijnen gebruikte spanning tot het door de klant gebruikte niveau.
• Instrumentatie transformator: Instrumententransformatoren zorgen voor isolatie en bescherming van relais en commerciële meetinrichtingen. Deze transformatoren meten ook een zeer hoge spanning die niet met een conventionele voltmeter kan worden gemeten. Er zijn twee soorten instrumenttransformatoren, namelijk stroomtransformatoren en spanningstransformatoren.

Bedrading en symbool van de transformator

Bedradingsschema's voor transformatoren worden gewoonlijk afgedrukt op het typeplaatje van de transformator, dat traditioneel op het oppervlak van de transformatorbehuizing wordt aangebracht, of aan de binnenzijde van het deksel van de bedradingsruimten. De aansluitdraden zijn gemarkeerd met "H" (primaire aansluitdraden) en "X" (secundaire aansluitdraden). De H-spoelen zijn verbonden met de voeding en de X-spoelen met de belasting, zoals te zien is in figuur 6.

Sommige transformatoren hebben twee spoelen, zowel in de primaire als in de secundaire spoel. Deze transformatoren worden dubbelspanningstransformatoren genoemd, en de meervoudige spoelen bieden flexibiliteit bij het creëren van verschillende spanningen voor verschillende toepassingen.

Neem een dubbele spanningstransformator met een nominale spanning van 240/480 V aan primaire zijde en 120/240 V aan secundaire zijde. Elk van de twee primaire spoelen is geschikt voor 240 V. Elk van de twee secundaire spoelen heeft een nominale spanning van 120 V. De nominale primaire zijde van 240/480 V betekent dat elk van de 240 V-combinaties kan worden gebruikt om een nettospanning aan primaire zijde van 240 V of 480 V te verkrijgen. Evenzo betekent de classificatie 120/240V aan primaire zijde dat elk van de 120V-combinaties kan worden gebruikt om een netto spanning aan secundaire zijde van 120V of 240V te verkrijgen.

Om een transformator van 480 V naar 240 V (480 V aan primaire zijde en 240 V aan secundaire zijde) te ontwerpen, worden de primaire spoelen in serie geschakeld, met H1 en H4 verbonden met een voeding van 480 V. De spanning over HI en H2 is 240 V, en die over H3 en H4 is 240 V. In serie schakelen geeft dus een netto primaire spanning van 480 V. Terwijl elke primaire spoel de juiste 240 V ontvangt, ontvangt elke secundaire spoel 120 V. Door de secundaire spoelen in serie te schakelen ontstaat 240V over X1 en X4, zoals getoond in figuur 7.

Indien nodig kan de primaire zijde ook worden aangesloten op een 240 V-voeding. Sluit daartoe H1 en H3 of H2 en H4 aan op een 240V-voeding. Om een transformator van 480 V naar 120 V te ontwerpen (480 V aan primaire zijde en 120 V aan secundaire zijde), worden de primaire spoelen in serie geschakeld, met H1 en H4 aangesloten op een voeding van 480 V. De secundaire spoelen zijn parallel geschakeld (X1 tot X3 en X2 tot X4), zoals te zien is in figuur 8.

Let op: Het parallel schakelen van de spoelen moet met de nodige voorzichtigheid gebeuren om een kortsluiting te voorkomen die de transformator zal ruïneren wanneer hij onder spanning komt te staan. Gebruik een voltmeter om te controleren of de aansluiting correct is. Verbind X1 met X3, en verbind dan een voltmeter tussen X2 en X4. Zet de primaire onder spanning en lees de voltmeter af. Als de aansluiting correct is, zal de voltmeter nul aanwijzen. Als de voltmeter iets anders dan nul aangeeft, controleer dan alle primaire en secundaire aansluitingen om er zeker van te zijn dat ze precies zijn aangesloten zoals aangegeven door de fabrikant.

AC naar DC transformatoren

Een transformator is een statisch apparaat dat werkt volgens het principe van onderlinge inductie. Een wisselspanning moet worden aangelegd op de primaire spoelen van de transformator om een wisselende magnetische flux te creëren aan de primaire zijde die zich verbindt met de secundaire spoelen om een proportionele belastingsspanning te creëren. Een gelijkspanning produceert geen wisselend magnetisch veld of flux; daarom werkt een transformator niet met gelijkstroom. De wisselspanning aan de uitgang kan echter worden omgezet in een overeenkomstige gelijkspanning door aan de uitgang van de transformator geschikte halfgeleidercomponenten toe te voegen, zoals een diode en een condensator.

Een gelijkrichter is een schakeling die wisselstroom (AC) omzet in gelijkstroom (DC). Een half- of een volgolvige gelijkrichter kan worden gebruikt om een wisselspanning om te zetten in gelijkspanning. Een wisselspanning (figuur 9, label A) wordt aangelegd op de primaire spoelen van de step-down transformator (figuur 9, label B). Een overeenkomstige spanning wordt geïnduceerd op de secundaire spoelen. De diode (figuur 9 met het opschrift D) wordt voorwaarts gericht (ON-status) en geleidt stroom, waardoor stroom door de belastingsweerstand (figuur 9 met het opschrift R) begint te lopen.

Een diode laat de stroom in één richting lopen. Tijdens de negatieve cyclus van de ingangsspanning wordt een overeenkomstige negatieve spanning geïnduceerd in de secundaire zijde, en de diode geleidt niet. Er loopt dus geen stroom door de uitgangsweerstand tijdens de negatieve cyclus van de ingangsspanning, aangezien de diode zich gedraagt als een open circuit (zie figuur 10). Daarom geeft de uitgang alleen afwisselend positieve cycli.

Voor praktische toepassingen wordt aan de uitgang een condensator parallel met de weerstand aangesloten (zie figuur 11). De condensator werkt als een filter om de pulserende uitgangsspanning af te vlakken tot het juiste DC-niveau (zie figuur 12). Lees ons artikel over AC naar DC transformatoren voor meer details.

De golfvormen op verschillende punten van de gelijkrichter zijn afgebeeld in figuur 12.

• V_i: Wisselende ingangsspanning toegepast
• V_o1: Uitgang van de diode bestaande uit afwisselend positieve halve cycli
• V_o2: Condensatoruitgang die een vloeiender versie is van diode-uitgang, waardoor een nauwkeurige gelijkspanning ontstaat.

Isolatietransformator

Isolatietransformatoren worden gebruikt om twee elektrische circuits in een elektrisch systeem te isoleren. Een scheidingstransformator is vergelijkbaar met een conventionele transformator met een gelijk aantal windingen in de primaire en secundaire spoelen, waardoor een gelijke spanning in de primaire en secundaire zijde ontstaat. Isolatietransformatoren worden gebruikt in elektrische apparaten zoals computers, televisies, solid-state relaisschakelingen, en industriële vermogenselektronica.

Om twee stroomkringen, "A" en "B", fysiek te isoleren, worden de primaire spoelen van de scheidingstransformator aangesloten op stroomkring "A" en de secundaire spoelen op stroomkring "B" De elektrische voeding van het eerste circuit bekrachtigt de primaire spoel van de scheidingstransformator, die op zijn beurt een spanning en stroom opwekt in de secundaire spoel door wederzijdse inductie. Aangezien een scheidingstransformator de waarde van stroom en spanning op de secundaire spoelen niet verandert, ontvangt stroomkring "B" dezelfde grootte van secundaire stroom en spanning. De stroomkringen A en B zijn dus elektrisch geïsoleerd, maar toch wordt er energie tussen beide overgedragen, waarbij de scheidingstransformator als medium tussen beide fungeert.

Transformator toepassingen

1. Step-down transformatoren worden gebruikt in huishoudelijke apparaten, omvormers, stroomdistributienetwerken en transmissielijnen om de spanning te verlagen tot het gewenste niveau.
2. Opvoertransformatoren worden gebruikt om elektrische energie te verdelen. Deze transformatoren worden ook gebruikt om elektromotoren, röntgenapparaten en microgolfovens te laten werken.
3. Instrumenttransformatoren zoals stroomtransformatoren en spanningstransformatoren worden gebruikt voor het meten van extreem hoge spanningen in transmissielijnen en ook als isolatieapparaten in commerciële meetapparatuur.
4. Eenfasetransformatoren worden gebruikt om het vermogen van omvormers in woningen op te voeren of om signalen over lange afstanden af te zwakken, ter ondersteuning van zowel huishoudelijke als licht-commerciële elektronische apparaten.
5. Driefasige transformatoren worden gebruikt voor de opwekking van elektrische energie en voor distributienettoepassingen. Zij worden aangetroffen in industriële belastingen met hoog vermogen, zoals motoraandrijvingen, gelijkrichters en andere apparatuur.