Wat is een transformator en hoe werkt het?

In enkele van onze vorige artikelen hebben we de basisprincipes van de transformator en zijn verschillende typen besproken. Een van de belangrijkste en meest gebruikte transformatoren is de transformator. Het wordt op grote schaal gebruikt voor het verhogen en verlagen van de spanning bij respectievelijk het elektriciteitsproductiestation en het distributiestation (of onderstation).

Bekijk bijvoorbeeld het bovenstaande blokschema. Hier wordt de stroomtransformator twee keer gebruikt terwijl hij elektrische stroom levert aan een consument die ver weg is van het opwekkingsstation.

De eerste keer is bij de elektriciteitscentrale om de spanning te verhogen die door de windgenerator wordt gegenereerd.
De tweede is bij het verdeelstation (of onderstation) om de ontvangen spanning aan het einde van de transmissielijn te verlagen.

Vermogensverlies in transmissielijnen

Er zijn veel redenen om een vermogenstransformator in elektrische stroomsystemen te gebruiken. Maar een van de belangrijkste en eenvoudigste redenen om de vermogenstransformator te gebruiken, is het verminderen van vermogensverliezen tijdens het overbrengen van elektriciteit.

Laten we nu eens kijken hoe het stroomverlies aanzienlijk wordt verminderd door een stroomtransformator te gebruiken:

Ten eerste, de vergelijking van vermogensverlies P = I * I * R.

Hier I = stroom door de geleider en R = weerstand van de geleider.

Het vermogensverlies is dus recht evenredig met het kwadraat van de stroom die door de geleider of transmissielijn vloeit. Dus verlaag de grootte van de stroom die door de geleider gaat, hoe kleiner de vermogensverliezen.

Hoe we van deze theorie zullen profiteren, wordt hieronder uitgelegd:

Zeg aanvankelijke spanning = 100V en belasting trekt = 5A & geleverde stroom = 500watt. Dan moeten transmissielijnen hier een stroom van magnitude 5A van bron naar belasting voeren. Maar als we de spanning in de beginfase verhogen naar 1000V, hoeven transmissielijnen slechts 0,5A te dragen om hetzelfde vermogen van 500Watt te leveren.
Dus we zullen de spanning aan het begin van de transmissielijn verhogen met behulp van een vermogenstransformator en een andere vermogenstransformator gebruiken om de spanning aan het einde van de transmissielijn te verlagen.
Met deze opstelling wordt de grootte van de stroom door de 100 + kilometer transmissielijn aanzienlijk verminderd, waardoor het vermogensverlies tijdens de transmissie wordt verminderd.

Verschil tussen Power Transformer en Distribution Transformer

De voedingstransformator wordt meestal onder volledige belasting gebruikt, omdat deze is ontworpen voor een hoog rendement bij 100% belasting. Aan de andere kant heeft de distributietransformator een hoog rendement wanneer de belasting tussen 50% en 70% blijft. Distributietransformatoren zijn dus niet geschikt om continu op 100% belasting te draaien.
Omdat een voedingstransformator tot hoge spanningen leidt tijdens het op- en afstappen, hebben de wikkelingen een hoge isolatie in vergelijking met distributietransformatoren en instrumenttransformatoren.
Omdat ze hoogwaardige isolatie gebruiken, zijn ze erg omvangrijk en ook erg zwaar.
Omdat vermogenstransformatoren doorgaans niet rechtstreeks op woningen zijn aangesloten, ervaren ze minder belastingsfluctuaties, terwijl distributietransformatoren daarentegen zware belastingsfluctuaties ervaren.
Deze worden 24 uur per dag volledig geladen, dus koper- en ijzerverliezen vinden de hele dag plaats en blijven de hele tijd vrijwel hetzelfde.
De fluxdichtheid in de Power Transformer is hoger dan in de Distribution Transformer.

Werkingsprincipe van de transformator

Power transformator werkt volgens het principe van 'Faraday's wet van elektromagnetische inductie'. Het is de basiswet van elektromagnetisme die het werkingsprincipe van smoorspoelen, motoren, generatoren en elektrische transformatoren verklaart.

De wet stelt: ' Wanneer een gesloten of kortgesloten geleider in de buurt van een wisselend magnetisch veld wordt gebracht, wordt de stroom opgewekt in die gesloten lus' .

Laten we, om de wet beter te begrijpen, deze in meer detail bespreken. Laten we eerst eens kijken naar een scenario hieronder.

Beschouw een permanente magneet en een geleider wordt eerst bij elkaar gebracht.

Vervolgens wordt de geleider aan beide uiteinden kortgesloten met behulp van een draad zoals weergegeven in de afbeelding.
In dit geval zal er geen stroom vloeien in de geleider of de lus omdat het magnetische veld dat de lus doorsnijdt stationair is en zoals vermeld in de wet, kan alleen een variërend of veranderend magnetisch veld stroom in de lus forceren.
Dus in het eerste geval van het stationaire magnetische veld zal er geen stroming zijn in de geleiderlus.

dan blijft het magnetische veld dat de lus doorsnijdt, veranderen. Omdat er in dit geval een wisselend magnetisch veld aanwezig is, zullen de wetten van Faraday gaan spelen en daardoor kunnen we een stroom zien vloeien in de geleiderlus.

Zoals je in de figuur kunt zien, zien we nadat de magneet heen en weer beweegt een stroom 'ik' die door de geleider en de gesloten lus stroomt.

om het te vervangen door andere verschillende magnetische veldbronnen, zoals hieronder.

Nu worden een wisselspanningsbron en een geleider gebruikt om een wisselend magnetisch veld op te wekken.
Nadat de geleiderlus in de buurt van het magnetische veldbereik is gebracht, kunnen we een EMF over de geleider zien gegenereerd. Vanwege deze geïnduceerde EMF zullen we een stroom 'I' hebben.
De grootte van de geïnduceerde spanning is evenredig met de veldsterkte die wordt ervaren door de tweede lus, dus hoe hoger de magnetische veldsterkte, hoe hoger de stroom in de gesloten lus.

Hoewel het mogelijk is om een enkele geleider te gebruiken die is opgesteld om de wet van Faraday te begrijpen. Maar voor betere praktische prestaties heeft het gebruik van een spoel aan beide zijden de voorkeur.

Hier loopt een wisselstroom door de primaire spoel1 die het wisselende magnetische veld rond de geleiderspoelen opwekt. En wanneer de spoel2 binnen het bereik van het magnetische veld komt dat wordt gegenereerd door de spoel1, wordt een EMF-spanning gegenereerd over spoel2 vanwege de wet van Faraday van elektromagnetische inductie. En vanwege die spanning in spoel2 vloeit er een stroom 'I' door het secundaire gesloten circuit.

Nu moet je onthouden dat beide spoelen in de lucht hangen, dus het medium van geleiding dat door het magnetische veld wordt gebruikt, is lucht. En de lucht heeft een hogere weerstand in vergelijking met metalen in het geval van magnetische veldgeleiding, dus als we een metalen of ferrietkern gebruiken om als medium voor elektromagnetische velden te fungeren, kunnen we elektromagnetische inductie grondiger ervaren.

Dus laten we nu het luchtmedium vervangen door het ijzermedium voor een beter begrip.

Zoals te zien is in de afbeelding, kunnen we een ijzeren of ferrietkern gebruiken om het magnetische fluxverlies tijdens krachtoverbrenging van de ene spoel naar de andere spoel te verminderen. Gedurende deze tijd zal de magnetische flux die in de atmosfeer wordt gelekt aanzienlijk minder zijn dan de tijd dat we luchtmedium gebruikten, aangezien een kern een zeer goede geleider van het magnetische veld is.

Zodra het veld is gegenereerd door spoel1, zal het door de ijzeren kern stromen en de spoel2 bereiken en vanwege de wet van Faradays wekt spoel2 een EMF op die wordt gelezen door de galvanometer die over spoel2 is aangesloten.

Als u nu zorgvuldig observeert, zult u merken dat deze opstelling vergelijkbaar is met een enkelfasige transformator. En ja, elke transformator die vandaag aanwezig is, werkt volgens hetzelfde principe.

Laten we nu eens kijken naar de vereenvoudigde constructie van de driefasige transformator.

Transformator in drie fasen

Het skelet van de transformator is ontworpen door gelamineerde metalen platen uit te zetten die worden gebruikt voor het dragen van magnetische flux. In het diagram kun je zien dat het skelet grijs is geverfd. Het skelet heeft drie kolommen waarop windingen van drie fasen zijn gewikkeld.
De wikkeling met lagere spanning wordt eerst gewikkeld en dichter bij de kern gewikkeld, terwijl de wikkeling met hogere spanning bovenop de wikkeling met lagere spanning wordt gewikkeld. Onthoud dat beide wikkelingen gescheiden zijn door een isolatielaag.
Hier vertegenwoordigt elke kolom één fase, dus voor drie kolommen hebben we driefasige wikkeling.
Deze hele opstelling van skelet en wikkeling is ondergedompeld in een afgesloten tank gevuld met industriële olie voor een betere warmtegeleiding en isolatie.
Na het wikkelen werden de eindklemmen van alle zes de spoelen via een HV-isolator uit de verzegelde tank gehaald.
De klemmen zijn op een redelijke afstand van elkaar gefixeerd om vonkoverslagen te voorkomen.

Kenmerken van Power Transformer

Nominaal vermogen	3 MVA tot 200 MVA
Primaire spanningen typisch	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Secundaire spanningen typisch	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV of aangepaste specificatie
Fasen	Een- of driefasige transformatoren
Nominale frequentie	50 of 60 Hz
Tikken	On-load of off-load kraanwisselaars
Temperatuurstijging	60 / 65C of aangepaste specificatie
Type koeling	ONAN (oil natural air natural) of andere soorten koeling zoals KNAN (max 33kV) op aanvraag
Radiatoren	Op tank gemonteerde koelradiatorpanelen
Vector groepen	Dyn11 of een andere vectorgroep volgens IEC 60076
Voltage regulatie	Via on-load tap-wisselaar (standaard met AVR-relais)
HV- en LV-terminals	Type luchtkabeldoos (max. 33 kV) of open bussen
Installaties	Binnen of buiten
Geluidsniveau	Volgens ENATS 35 of NEMA TR1

Toepassingen van Power Transfer

De vermogenstransformator wordt voornamelijk gebruikt bij het opwekken van elektriciteit en bij verdeelstations.
Het wordt ook gebruikt in scheidingstransformatoren, aardingstransformatoren, zes-puls en twaalf puls-gelijkrichtertransformatoren, zonne-PV-parktransformatoren, windparktransformatoren en in Korndörfer autotransformatorstarter.
Het wordt gebruikt voor het verminderen van vermogensverliezen tijdens elektrische krachtoverbrenging.
Het wordt gebruikt voor het verhogen van de hoogspanning en het verlagen van de hoogspanning.
Het heeft de voorkeur tijdens consumentenzaken op lange afstand.
En de voorkeur in gevallen waar de belasting 24x7 op volle capaciteit draait.