Transformatorconstructie

De magnetische kring, beter bekend als de “transformatorkern”, is ontworpen om een pad te verschaffen waarlangs het magnetisch veld kan stromen, hetgeen noodzakelijk is voor de inductie van de spanning tussen de twee wikkelingen.

Dit type transformatorconstructie, waarbij de twee wikkelingen op afzonderlijke ledematen zijn gewikkeld, is echter niet erg efficiënt, omdat de primaire en secundaire wikkelingen goed van elkaar gescheiden zijn. Dit resulteert in een geringe magnetische koppeling tussen de twee wikkelingen en in grote hoeveelheden magnetische fluxlekkage uit de transformator zelf. Maar naast deze “O” vorm constructie zijn er verschillende soorten “transformator constructie” en ontwerpen beschikbaar die worden gebruikt om deze inefficiënties te overwinnen en een kleinere compactere transformator te produceren.

De efficiëntie van een eenvoudige transformator constructie kan worden verbeterd door de twee wikkelingen in nauw contact met elkaar te brengen waardoor de magnetische koppeling wordt verbeterd. Het vergroten en concentreren van het magnetische circuit rond de windingen kan de magnetische koppeling tussen de twee windingen verbeteren, maar heeft ook tot gevolg dat de magnetische verliezen van de transformatorkern toenemen.

Naast het verschaffen van een lage reluctantiebaan voor het magnetische veld, is de kern ontworpen om circulerende elektrische stromen in de ijzeren kern zelf te voorkomen. Circulerende stromen, “wervelstromen” genoemd, veroorzaken verwarming en energieverliezen in de kern, waardoor het rendement van de transformator afneemt.

Deze verliezen zijn voornamelijk te wijten aan spanningen die worden geïnduceerd in de ijzeren kring, die voortdurend wordt onderworpen aan de wisselende magnetische velden die worden opgewekt door de externe sinusvormige voedingsspanning. Een manier om deze ongewenste vermogensverliezen te verminderen is de transformatorkern op te bouwen uit dunne stalen laminaten.

In alle typen transformatorbouw wordt de centrale ijzeren kern opgebouwd uit een zeer doorlatend materiaal dat is opgebouwd uit dunne siliciumstaallaminaten. Deze dunne lamineringen worden samengevoegd om het vereiste magnetische pad met het minimum van magnetische verliezen te verstrekken. De weerstand van de staalplaat zelf is hoog, zodat elk wervelstroomverlies wordt beperkt door de laminaten zeer dun te maken.

De dikte van deze stalen transformatorlaminaten varieert van 0,25 mm tot 0,5 mm en aangezien staal een geleider is, zijn de laminaten en eventuele bevestigingsbouten, klinknagels of klinknagels elektrisch van elkaar geïsoleerd door een zeer dunne coating van isolerende vernis of door het gebruik van een oxidelaag op het oppervlak.

Transformator Bouw van de kern

In het algemeen is de naam die aan de bouw van een transformator wordt gegeven afhankelijk van de wijze waarop de primaire en secundaire wikkelingen om de centrale gelamineerde stalen kern zijn gewikkeld. De twee meest voorkomende en basisontwerpen van transformatorbouw zijn de “closed-core” transformator en de “Shell-core” transformator.

In de “closed-core” type (kernvorm) transformator zijn de primaire en secundaire wikkelingen buiten gewikkeld en omgeven de kernring. In de transformator van het “schelptype” (schelpvorm) lopen de primaire en secundaire wikkelingen binnen de stalen magnetische kring (kern) die een schelp rond de wikkelingen vormt, zoals hieronder afgebeeld.

Transformatorkernconstructie

In beide typen transformatorkernconstructie beweegt de magnetische flux die de primaire en secundaire wikkelingen verbindt, zich volledig binnen de kern, zonder verlies van magnetische flux door de lucht. In de kerntype transformatorconstructie is de ene helft van elke wikkeling gewikkeld rond elk been (of ledemaat) van het magnetische circuit van de transformator, zoals hierboven getoond.

De spoelen zijn niet gerangschikt met de primaire wikkeling op één been en de secundaire op het andere, maar in plaats daarvan zijn de helft van de primaire wikkeling en de helft van de secundaire wikkeling concentrisch over elkaar geplaatst op elk been om de magnetische koppeling te vergroten, waardoor praktisch alle magnetische krachtlijnen tegelijkertijd door zowel de primaire als de secundaire wikkelingen gaan. Bij dit type transformatorconstructie stroomt echter een klein percentage van de magnetische krachtlijnen buiten de kern, en dit wordt “lekstroom” genoemd.

Shell-type transformatorkernen ondervangen deze lekstroom doordat zowel de primaire als de secundaire wikkelingen op hetzelfde centrale been of been worden gewikkeld, dat tweemaal de dwarsdoorsnede van de twee buitenste benen heeft. Het voordeel hier is dat de magnetische flux twee gesloten magnetische paden heeft om rond te stromen buiten de spoelen aan zowel de linker- als de rechterkant alvorens terug te keren naar de centrale spoelen.

Dit betekent dat de magnetische flux die rond de buitenste ledematen van dit type transformatorconstructie circuleert, gelijk is aan Φ/2. Aangezien de magnetische flux een gesloten weg rond de spoelen heeft, heeft dit het voordeel van het verminderen van kernverliezen en het verhogen van het totale rendement.

Transformator Laminaties

Maar u kunt zich afvragen hoe de primaire en secundaire wikkelingen rond deze gelamineerde ijzeren of stalen kernen worden gewikkeld voor dit type transformatorconstructies. De windingen worden eerst gewikkeld op een mal met een cilindrische, rechthoekige of ovale doorsnede, afhankelijk van de constructie van de gelamineerde kern. In zowel de schaal- als de kerntype transformatorconstructies worden, om de wikkelingen van de spoelen te monteren, de afzonderlijke laminaten uit grotere staalplaten gestanst of geponst en gevormd tot stroken van dun staal die lijken op de letters “E”, “L”, “U” en “I”, zoals hieronder afgebeeld.

Transformatorkerntypen

Deze laminaatstempels vormen, wanneer ze met elkaar worden verbonden, de vereiste kernvorm. Bijvoorbeeld, twee “E”-afstempelingen plus twee eindafsluitende “I”-afstempelingen om een E-I-kern te verkrijgen die één element vormt van een standaard transformatorkern van het schiltype. Deze afzonderlijke lamineringen worden tijdens de bouw van de transformator strak tegen elkaar gestoten om de terughoudendheid van de luchtspleet bij de verbindingen te verminderen, waardoor een sterk verzadigde magnetische fluxdichtheid ontstaat.

Transformatorkernlamineringen worden gewoonlijk afwisselend op elkaar gestapeld om een overlappende verbinding te verkrijgen, waarbij meer lamineringsparen worden toegevoegd om de juiste kerndikte te verkrijgen. Deze afwisselende stapeling van de lamineringen geeft de transformator ook het voordeel van verminderde fluxlekkage en ijzerverliezen. E-I kern gelamineerde transformatorconstructie wordt meestal gebruikt in scheidingstransformatoren, step-up en step-down transformatoren en in autotransformatoren.

Transformator Winding Arrangements

Transformatorwikkelingen vormen een ander belangrijk onderdeel van een transformatorconstructie, omdat zij de belangrijkste stroomvoerende geleiders zijn die rond de gelamineerde secties van de kern zijn gewikkeld. In een eenfasige transformator met twee wikkelingen zijn twee wikkelingen aanwezig, zoals afgebeeld. Degene die is verbonden met de spanningsbron en de magnetische flux creëert, wordt de primaire wikkeling genoemd, en de tweede wikkeling wordt de secundaire genoemd waarin een spanning wordt geïnduceerd als gevolg van wederzijdse inductie.

Als de secundaire uitgangsspanning lager is dan die van de primaire ingangsspanning, wordt de transformator een “step-down transformator” genoemd. Als de secundaire uitgangsspanning groter is dan de primaire ingangsspanning, wordt de transformator een “step-up transformator” genoemd.

Het type draad dat als de belangrijkste stroomvoerende geleider in een transformatorwikkeling wordt gebruikt, is koper of aluminium. Terwijl aluminiumdraad lichter en over het algemeen minder duur is dan koperdraad, moet een grotere dwarsdoorsnede van geleider worden gebruikt om dezelfde hoeveelheid stroom te dragen als met koper, zodat het hoofdzakelijk in grotere machtstransformatortoepassingen wordt gebruikt.

Kleine kVA machts- en spanningstransformatoren die in laagspannings elektrische en elektronische kringen worden gebruikt neigen koperen geleiders te gebruiken aangezien deze een hogere mechanische sterkte en een kleinere geleiderafmeting hebben dan gelijkwaardige aluminiumtypes. Het nadeel is dat wanneer compleet met hun kern, deze transformatoren veel zwaarder zijn.

Transformatorwikkelingen en spoelen kunnen ruwweg worden ingedeeld in concentrische spoelen en sandwiched spoelen. Bij transformatorbouw van het kerntype worden de wikkelingen gewoonlijk concentrisch rond de kernpoot gerangschikt, zoals hierboven getoond, waarbij de primaire wikkeling met hogere spanning over de secundaire wikkeling met lagere spanning wordt gewikkeld.

Sandwiched of “pannenkoek”-spoelen bestaan uit platte geleiders die in een spiraalvorm zijn gewikkeld en worden zo genoemd vanwege de rangschikking van de geleiders in schijven. Afwisselende schijven worden spiraalvormig van buiten naar het midden gewikkeld, waarbij de afzonderlijke spoelen op elkaar worden gestapeld en van elkaar worden gescheiden door isolatiemateriaal, zoals papier of plastic folie. Sandwich spoelen en wikkelingen zijn gebruikelijker bij shell type core construction.

Helische wikkelingen ook bekend als schroef wikkelingen zijn een andere zeer veel voorkomende cilindrische spoel regeling gebruikt in laagspanning hoge stroom transformator toepassingen. De wikkelingen bestaan uit grote dwarsdoorsnede rechthoekige geleiders die op zijn kant met de geïsoleerde strengen worden gewonden die onophoudelijk parallel langs de lengte van de cilinder worden gewonden, met geschikte die afstandhouders tussen aangrenzende draaien of schijven worden opgenomen om het circuleren stromen tussen de parallelle strengen te minimaliseren. De spoel loopt naar buiten toe uit als een helix die lijkt op die van een kurkentrekker.

De isolatie die wordt gebruikt om te voorkomen dat de geleiders in een transformator kortsluiten, is gewoonlijk een dunne laag vernis of email in luchtgekoelde transformatoren. Deze dunne lak of emailverf wordt op de draad geverfd voordat deze om de kern wordt gewikkeld.

In grotere stroom- en distributietransformatoren worden de geleiders van elkaar geïsoleerd met behulp van met olie geïmpregneerd papier of doek. De gehele kern en de wikkelingen worden ondergedompeld en verzegeld in een beschermende tank die transformatorolie bevat. De transformatorolie werkt als een isolator en ook als een koelmiddel.

Transformator Dot Orientation

We kunnen niet gewoon een gelamineerde kern nemen en er één van de spoelconfiguraties omheen wikkelen. Wij konden maar wij kunnen vinden dat het secundaire voltage en de stroom out-of-fase met dat van het primaire voltage en de stroom kunnen zijn. De twee windingen van de rol hebben een verschillende richtlijn van met betrekking tot andere. Beide windingen kunnen met de wijzers van de klok mee of tegen de wijzers van de klok in om de kern zijn gewikkeld, dus om hun relatieve oriëntatie bij te houden worden “punten” gebruikt om een bepaald uiteinde van elke winding aan te geven.

Deze methode om de oriëntatie of richting van de wikkelingen van een transformator aan te geven wordt de “puntconventie” genoemd. Vervolgens worden de wikkelingen van een transformator zo gewikkeld dat de juiste faseverhoudingen tussen de wikkelspanningen bestaan, waarbij de polariteit van de transformator wordt gedefinieerd als de relatieve polariteit van de secundaire spanning ten opzichte van de primaire spanning, zoals hieronder getoond.

Transformatorconstructie met behulp van puntoriëntatie

De eerste transformator toont zijn twee “stippen” naast elkaar op de twee wikkelingen. De stroom die het secundaire punt verlaat is “in-fase” met de stroom die het primaire punt binnenkomt. De polariteiten van de spanningen aan de gestippelde uiteinden zijn dus ook in-fase, dus wanneer de spanning positief is aan het gestippelde uiteinde van de primaire spoel, is de spanning over de secundaire spoel ook positief aan het gestippelde uiteinde.

De tweede transformator toont de twee stippen aan tegenovergestelde uiteinden van de wikkelingen, wat betekent dat de primaire en secundaire wikkelingen van de transformator in tegengestelde richting gewikkeld zijn. Het resultaat hiervan is dat de stroom die het secundaire punt verlaat 180o “uit-fase” is met de stroom die het primaire punt binnenkomt. De polariteiten van de spanningen aan de gestippelde uiteinden zijn dus ook uit-fase, zodat wanneer de spanning aan het gestippelde uiteinde van de primaire spoel positief is, de spanning over de overeenkomstige secundaire spoel negatief zal zijn.

Dan kan de constructie van een transformator zodanig zijn dat de secundaire spanning zowel “in-phase” als “out-of-phase” kan zijn ten opzichte van de primaire spanning. In transformatoren die een aantal verschillende secundaire wikkelingen hebben, die elk van elkaar elektrisch geïsoleerd zijn, is het belangrijk om de puntpolariteit van de secundaire wikkelingen te kennen, zodat zij met elkaar kunnen worden verbonden in serie-ondersteunende (secundaire spanning wordt gesommeerd) of serie-tegenwerkende (de secundaire spanning is het verschil) configuraties.

De mogelijkheid om de omwentelingsverhouding van een transformator aan te passen is vaak wenselijk om de effecten van variaties in de primaire voedingsspanning, de regeling van de transformator of variërende belastingsomstandigheden te compenseren. De spanningscontrole van de transformator wordt over het algemeen uitgevoerd door de omwentelingsverhouding en daarom zijn voltageverhouding te veranderen waarbij een deel van de primaire wikkeling aan de hoogspanningszijde wordt afgetapt toestaand voor gemakkelijke aanpassing. De aftakking wordt bij voorkeur aan de hoogspanningszijde uitgevoerd, omdat de spanning per winding daar lager is dan aan de secundaire laagspanningszijde.

Transformator primaire aftakkingsveranderingen

In dit eenvoudige voorbeeld zijn de primaire aftakkingsveranderingen berekend voor een wijziging van de voedingsspanning van ±5%, maar elke waarde kan worden gekozen. Sommige transformatoren kunnen twee of meer primaire of twee of meer secundaire wikkelingen hebben voor gebruik in verschillende toepassingen die verschillende spanningen uit een enkele kern leveren.

Transformatorkernverliezen

Het vermogen van ijzer of staal om magnetische flux te transporteren is veel groter dan in lucht, en dit vermogen om magnetische flux te laten stromen wordt permeabiliteit genoemd. De meeste transformatorkernen zijn gemaakt van staal met een laag koolstofgehalte, dat een permeabiliteit kan hebben in de orde van grootte van 1500 vergeleken met slechts 1,0 voor lucht.

Dit betekent dat een stalen gelamineerde kern een magnetische flux 1500 maal beter kan geleiden dan die van lucht. Wanneer echter een magnetische flux in een transformatorstalen kern vloeit, treden in het staal twee soorten verliezen op. De ene wordt “wervelstroomverliezen” genoemd en de andere “hysteresisverliezen”.

Hysteresisverliezen

Transformator Hysteresisverliezen worden veroorzaakt door de wrijving van de moleculen tegen de stroom van de magnetische krachtlijnen die nodig zijn om de kern te magnetiseren en die voortdurend van waarde en richting veranderen, eerst in de ene richting en dan in de andere door de invloed van de sinusvormige voedingsspanning.

Deze moleculaire wrijving veroorzaakt warmteontwikkeling, die een energieverlies voor de transformator betekent. Overmatig warmteverlies kan op den duur de levensduur verkorten van de isolatiematerialen die bij de vervaardiging van de wikkelingen en constructies zijn gebruikt. Daarom is koeling van een transformator belangrijk.

Ook zijn transformatoren ontworpen om bij een bepaalde voedingsfrequentie te werken. Het verlagen van de frequentie van de voeding zal resulteren in verhoogde hysterese en hogere temperatuur in de ijzerkern. Dus het verlagen van de voedingsfrequentie van 60 Hertz naar 50 Hertz zal de hoeveelheid aanwezige hysteresis verhogen, waardoor de VA capaciteit van de transformator afneemt.

Wervelstroomverliezen

Wervelstroomverliezen van de transformator daarentegen worden veroorzaakt door de stroom van circulerende stromen die in het staal worden geïnduceerd door de stroom van de magnetische flux rond de kern. Deze circulerende stromen worden opgewekt omdat de kern zich ten opzichte van de magnetische flux gedraagt als een enkele lus van draad. Daar de ijzeren kern een goede geleider is, zullen de door een massieve ijzeren kern geïnduceerde wervelstromen groot zijn.

Wervelstromen dragen niets bij tot de bruikbaarheid van de transformator, maar in plaats daarvan verzetten zij zich tegen de stroom van de geïnduceerde stroom door als een negatieve kracht weerstandsverhitting en vermogensverlies binnen de kern te veroorzaken.

Lamineren van de ijzeren kern

Wervelstroomverliezen binnen een transformatorkern kunnen niet volledig worden geëlimineerd, maar zij kunnen sterk worden verminderd en beheerst door de dikte van de stalen kern te verminderen. In plaats van één grote massieve ijzeren kern te hebben als het magnetische kernmateriaal van de transformator of spoel, wordt de magnetische baan opgesplitst in vele dunne geperste stalen vormen die “laminaties” worden genoemd.

De laminaties die in een transformatorconstructie worden gebruikt, zijn zeer dunne stroken geïsoleerd metaal die aan elkaar worden gevoegd om een massieve maar gelamineerde kern te produceren, zoals we hierboven hebben gezien. Deze lamineringen worden geïsoleerd van elkaar door een laag van vernis of papier om het efficiënte weerstandsvermogen van de kern te verhogen waarbij de algemene weerstand wordt verhoogd om de stroom van de wervelstromen te beperken.

Het resultaat van al deze isolatie is dat het ongewenste geïnduceerde wervelstroom power-loss in de kern zeer wordt verminderd, en het is om deze reden waarom de magnetische ijzerkring van elke transformator en andere elektromagnetische machines allen gelamineerd zijn. Het gebruik van laminaten in een transformatorconstructie vermindert de wervelstroomverliezen.

De energieverliezen, die als warmte optreden zowel door hysteresis als door wervelstromen in het magnetische pad, staan algemeen bekend als “transformatorkernverliezen”. Aangezien deze verliezen optreden in alle magnetische materialen als gevolg van wisselende magnetische velden. Verliezen in de transformatorkern zijn altijd aanwezig in een transformator wanneer de primaire wikkeling onder spanning staat, zelfs als er geen belasting op de secundaire wikkeling is aangesloten. Ook deze hysterese en de wervelstroomverliezen worden soms “transformatorijzerverliezen” genoemd, omdat de magnetische flux die deze verliezen veroorzaakt constant is bij alle belastingen.

Koperverliezen

Maar er is ook een ander type energieverlies in verband met transformatoren dat “koperverliezen” wordt genoemd. De koperverliezen van transformatoren zijn hoofdzakelijk te wijten aan de elektrische weerstand van de primaire en secundaire wikkelingen. De meeste transformatorspoelen zijn gemaakt van koperdraad die een weerstand in Ohms, ( Ω ) heeft. Deze weerstand verzet zich tegen de magnetiserende stromen die erdoorheen vloeien.

Wanneer een belasting wordt aangesloten op de secundaire wikkeling van de transformator, vloeien er grote elektrische stromen in zowel de primaire als de secundaire wikkeling, elektrische energie en vermogen ( of de I2 R ) verliezen treden op als warmte. Over het algemeen variëren de koperverliezen met de belastingsstroom, ze zijn bijna nul bij nullast, en maximaal bij vollast wanneer de stroom maximaal is.

Een transformator VA rating kan worden verhoogd door een beter ontwerp en een betere transformatorconstructie om deze kern- en koperverliezen te verminderen. Transformatoren met hoge spannings- en stroomwaarden vereisen geleiders met een grote doorsnede om hun koperverliezen te helpen minimaliseren. Het verhogen van de snelheid van warmteafvoer (betere koeling) door geforceerde lucht of olie, of door het verbeteren van de isolatie van de transformator zodat deze bestand is tegen hogere temperaturen kan ook een transformator VA rating verhogen.

Dan kunnen we een ideale transformator definiëren als hebbend:

• Geen Hysteresis-lussen of Hysteresis-verliezen → 0
• Eindige Weerstand van het kernmateriaal geeft nul Wervelstroomverliezen → 0
• Geen wikkelingsweerstand geeft nul I2*R koperverliezen → 0

In de volgende tutorial over Transformatoren zullen we kijken naar Transformatorbelasting van de secundaire wikkeling ten opzichte van een elektrische belasting en het effect bekijken van een “NO-belasting” en een “ON-load” aangesloten transformator heeft op de stroom van de primaire wikkeling.