Wat is een elektrische transformator? Functie, ontwerp en werkingsprincipe

Als centraal punt van moderne energiesystemen, Stroomtransformator werking gaat veel verder dan eenvoudige spanningsomzetting. Een grondig begrip van de principes, constructie en ontwerpoverwegingen is essentieel voor het beheersen van elektriciteitstransmissie- en distributietechnologieën. Dit artikel analyseert systematisch de werkingsprincipes, kerncomponenten, verliesmechanismen en geavanceerde ontwerpconcepten van transformatoren.

I. Elektromagnetische inductie: De fysische basis van transformatorwerking

• De centrale rol van de Wet van Faraday:
  De essentie van de werking van elektrische transformatoren ligt in de wet van Faraday over elektromagnetische inductie, ontdekt door Michael Faraday. Deze wet stelt: De in een gesloten circuit geïnduceerde elektromotorische kracht (EMF) is gelijk aan de snelheid waarmee de magnetische flux door dat circuit verandert. Wiskundig gezien: e = -N * dΦ/dtwaarbij e = geïnduceerde EMF (volt), N = aantal windingen van de spoel, en dΦ/dt = veranderingssnelheid van de magnetische flux (webers/seconde). Het negatieve teken geeft aan dat de geïnduceerde EMF altijd tegengesteld is aan de verandering in flux (Wet van Lenz).

• De magie van wederzijdse inductie:
  Elektrische transformatoren berusten fundamenteel op wederzijdse inductie. Wanneer wisselstroom (AC) door de primaire wikkeling stroomt, genereert deze een in de tijd variërende magnetische flux (Φ). Deze flux wordt efficiënt opgesloten en gekanaliseerd door een magnetische kern, meestal gemaakt van gelamineerd ferromagnetisch materiaal (siliciumstaal). Wanneer deze flux zich verbindt met de fysiek geïsoleerde maar magnetisch gekoppelde secundaire wikkeling, induceert de Wet van Faraday een wisselstroom in de secundaire wikkeling.

• Zelfinductie: Rol en beperking:
  De veranderende stroom in de primaire wikkeling induceert ook een EMF in zichzelf (zelfinductie), die zich manifesteert als de inductie van de wikkeling. Terwijl zelfinductie cruciaal is voor het vestigen van het magnetische veld en het beperken van stroompieken, is wederzijdse inductie het belangrijkste mechanisme voor energieoverdracht.

• De Turns Ratio Wet: De sleutel tot spanningstransformatie:
  Als de primaire en secundaire wikkelingen perfect verbonden zijn door dezelfde wisselflux (ideale koppeling), zal de geïnduceerde EMF (e) in elke spoel is strikt evenredig met het aantal windingen (N). Daarom is de spanningsomvormingsverhouding gelijk aan de omwentelingsverhouding:
  V₂ / V₁ ≈ E₂ / E₁ = N₂ / N₁ = K
  Waar:

  • V₁, E₁, N₁: Primaire wikkeling ingangsspanning, geïnduceerde EMF, aantal windingen.

  • V₂, E₂, N₂: Uitgangsspanning secundaire wikkeling, geïnduceerde EMF, aantal windingen.

  • K: Draaiverhouding.

  • N₂/N₁ > 1 (K > 1) = Step-Up transformator.

  • N₂/N₁ < 1 (K < 1) = Step-down transformator.

II. Sleutelfactoren die de prestaties van transformatoren bepalen

1. Kernmateriaal: De magnetische snelweg:

   • Hoge doorlaatbaarheid (μ): Siliciumstaal (elektrostaal) wordt veel gebruikt vanwege de hoge permeabiliteit, waardoor de fluxdichtheid aanzienlijk toeneemt (B) voor een gegeven magnetiserende kracht (H) (B = μH), waardoor er minder opwarmstroom nodig is om de werkstroom op te wekken.

   • Ontwerp met weinig verlies: Siliciumstaal bevat vaak silicium (3-5%) om de weerstand te verhogen en wervelstroomverlies te verminderen. Het wordt koudgewalst met specifieke korreloriëntatie (GOES - Grain-Oriented Electrical Steel) om de magnetisatierichting te optimaliseren, waardoor het hysteresisverlies drastisch wordt verlaagd. Moderne amorfe metaallegeringen bieden nog lagere hysteresisverliezen, ideaal voor hoogrendement distributietransformatoren.

   • Gelamineerde structuur: De kern is opgebouwd uit dunne, geïsoleerde siliciumstalen lamellen om grote wervelstroompaden te onderbreken en ze op te sluiten binnen afzonderlijke lamellen - een cruciaal proces voor het minimaliseren van kernverlies.

2. AC-voedingsfrequentie (f): De motor van verandering:

   • Geïnduceerde EMV e ∝ N * dΦ/dt. De fluxverandering dΦ/dt is recht evenredig met de voedingsfrequentie f. Voor dezelfde fluxdichtheid resulteert een hogere frequentie dus in een hogere geïnduceerde spanning, of maakt ze een kleinere kerndoorsnede mogelijk. Wereldwijde elektriciteitsnetten gebruiken voornamelijk standaardfrequenties van 50Hz of 60Hz.

3. Wikkelkoppeling: Efficiëntie garanderen:

   • Dichte koppeling is essentieel voor efficiënte transformatie. De door de primaire wikkeling gegenereerde flux moet zo volledig mogelijk aansluiten op de secundaire wikkeling (hoofdflux Φ_m).

   • Lekstroom (Φ_lekkage) is flux die er niet in slaagt om effectief te koppelen, waardoor lekinductantiewaardoor de spanningsval en verliezen toenemen en de efficiëntie en spanningsregeling afnemen.

   • Wikkelopstelling: Technieken zoals interleaved wikkelingen (primaire en secundaire lagen afgewisseld), speciale wikkelmethoden (spiraalvormig, doorlopende schijf) en geoptimaliseerde kernstructuren (shell-type biedt vaak strakkere koppeling dan core-type) zijn technische oplossingen om de lekstroom te minimaliseren en de koppelingscoëfficiënt te verbeteren.

Lees meer：De complete bedradingshandleiding voor transformatoren 2025

III. Anatomie van de bouw van de transformatorkern

1. Kern: De Flux Regisseur:

   • Materiaal: Siliciumstaal met hoge doorlaatbaarheid en laag verlies (Cold-Rolled Grain-Oriented - CRGO is standaard).

   • Structuur:

     • Type kern: De wikkelingen omringen de kern. Relatief eenvoudige structuur, betere koeling, gemakkelijker onderhoud. Wijd gebruikt voor transformatoren met hoog voltage, met hoog vermogen.

     • Type omhulsel: De kern omringt de wikkelingen. Hogere mechanische sterkte, lagere lekstroom, symmetrisch magnetisch pad, maar iets complexere fabricage/reparatie. Gebruikelijk voor medium-lage spanning, speciale toepassingen (oventransformatoren, gelijkrichtertransformatoren) en compacte ontwerpen met hoog rendement.

     • Wondkern: Doorlopende strook siliciumstaal gewikkeld in een kern. Naadloos magnetisch pad vermindert het verlies bij nullast en de ruis aanzienlijk. Voornamelijk gebruikt in hoogrendement distributietransformatoren.

2. Wikkelingen: De stroomdragers:

   • Materiaal: Elektrolytisch koper met hoge geleidbaarheid (standaard) of aluminium.

   • Soorten:

     • Concentrisch: Laagspannings- (LV) en hoogspanningswikkelingen (HV) zijn concentrisch over de kern geplaatst (LV vaak binnenin voor betere isolatie van HV). Voornamelijk gebruikt in kerntransformatoren.

     • Interleaved (sandwich): LV- en HV-windingen worden afwisselend gestapeld langs de hoogte van de kern. Wordt voornamelijk gebruikt in transformatoren van het shell-type om de lekinductie en axiale kortsluitkrachten te verminderen.

   • Belangrijke overwegingen: Geleiderdoorsnede (stroomcapaciteit), aantal windingen (windingsverhouding), isolatieontwerp (spanningsbestendigheid, koeling), mechanische sterkte (bestand tegen kortsluitkrachten).

3. Isolatiesysteem: De barrière voor veiligheid en duurzaamheid:

   • Kernfunctie: Componenten elektrisch isoleren bij verschillende potentialen (wikkelingen naar wikkelingen, wikkelingen naar aarde, wikkelingen naar kern), bestand zijn tegen elektrische, thermische en mechanische spanningen.

   • Isolatiematerialen:

     • Stevige isolatie: Isolatiepapier (kraftpapier, crêpepapier, Nomex®), gelamineerd hout (klemplaten, afstandhouders), epoxyhars (voor droge giethars transformatoren), polyesterfolie (tussenlaag, tussenring).

     • Vloeibare isolatie: Minerale olie - Standaard, voor isolatie, koeling, vlamboogdemping en bescherming/behoud van vaste isolatie. Synthetische esters of silicone-oliën worden gebruikt waar een hogere brandveiligheid vereist is.

     • Gas Isolatie: SF₆ (zwavelhexafluoride) gebruikt in gasgeïsoleerde transformatoren (GIT).

   • Isolatieclassificatie:

     • Grote isolatie: Isolatie tussen componenten bij hoog potentiaalverschil: HV-LV wikkelingen, wikkelingen naar aarde (kern/tank), wikkelingen naar juk. Bestaat meestal uit barrièresystemen van oliepapier, gegoten isolatiecomponenten (hoekringen, barrières).

     • Kleine isolatie (interne isolatie): Isolatie binnen een wikkeling waar de potentiaalverschillen kleiner zijn: turn-to-turn, layer-to-layer, disk-to-disk. Vertrouwt op geleideremaille, papierwikkels, afstandhouders.

4. Tank: De beschermende en koelende behuizing:

   • Structuur: Stalen behuizing waarin het actieve deel (kern + wikkelingen) en de isolatievloeistof (in met olie gevulde types) zijn ondergebracht.

   • Belangrijkste onderdelen en systemen:

     • Restaurator: Expansiekamer voor olie, verbonden met de atmosfeer via een ontluchter (met silicagel of geactiveerd aluminiumoxide - open type), of met behulp van een stikstofdeken/afgedicht systeem (afgedicht type). Moderne ontwerpen geven de voorkeur aan membraan/lucht-cel afgedichte systemen.

     • Koelsysteem:

       • Radiatoren: Natuurlijke oliecirculatie, natuurlijke lucht (ONAN).

       • Fans: Geforceerde luchtkoeling (ONAF - Oil Natural Air Forced / OFAF - Oil Forced Air Forced).

       • Pompen: Geforceerde oliecirculatie (OFAN - Oil Forced Air Natural / OFAF / ODAF - Oil Directed Air Forced).

       • Koelers: Waterkoeling (OFWF - Oil Forced Water Forced) of gerichte oliestroom (ODAF / ODWF).

     • Bussen: Kritische externe interface! Leid interne HV/LV-wikkelingskabels veilig door de geaarde tankwand naar externe leidingen. Ingedeeld op isolatie:

       • Met olie geïmpregneerd: Traditioneel, betrouwbaar, voor hoge spanningen.

       • RIP (met hars geïmpregneerd papier) / RBP (met hars gebonden papier): Droog-type bussen, brandwerend, explosiebestendig, weinig onderhoud, steeds vaker gebruikt.

       • Capacitief gesorteerd: Bevatten geleidende lagen om de spanning van het elektrische veld gelijkmatig te verdelen, essentieel voor hoge spanningen.

     • Beschermingsapparaten:

       • Buchholz Estafette: Gemonteerd in de leiding tussen conservator en tank. Alarmeert of schakelt bij gasophoping (kleine storingen) of plotselinge oliesprongen (grote storingen).

       • Drukontlastingsinrichting (PRD): Gaat snel open om overdruk te ontluchten als gevolg van ernstige interne fouten of oververhitting, waardoor een tankbreuk wordt voorkomen.

       • Plotselinge Druk Relais (SPR): Detecteert snelle drukstijgingen in de tank (bijv. boogfouten) en werkt sneller dan een Buchholz-relais.

     • Bewakingsapparatuur: Oliepeilmeter, wikkelingstemperatuurindicator (WTI), olietemperatuurindicator (OTI), online monitors (DGA - analyse van opgeloste gassen, FRA - analyse van frequentierespons).

Lees meer：Basistransformatorwaarden uitgelegd kVA, spanning, frequentie & impedantie voor kopers en ingenieurs

 

IV. Verliezen en efficiëntie: De kosten van energieomzetting

1. Kernverliezen (verliezen zonder belasting): Bestaan in de magnetische kern wanneer de primaire wordt bekrachtigd.

   • Verlies door hysterese: Energie die als warmte verloren gaat door wrijving tijdens de cyclische omkering van magnetische domeinen in het kernmateriaal. Evenredig met frequentie f en het oppervlak van de hysteresislus (materiaalafhankelijk, gerelateerd aan de piekfluxdichtheid B_max). P_h ∝ f * B_max^n (n≈1.6-2.0).

   • Wervelstroomverlies: Weerstandsverlies (I²R) van circulerende stromen die in de kern worden geïnduceerd door de wisselflux. Evenredig met het kwadraat van de frequentie (f²), het kwadraat van de piekfluxdichtheid (B_max²) en het kwadraat van de lamellendikte (t²). P_e ∝ f² * B_max² * t². Dunne, geïsoleerde lamellen zijn cruciaal.

   • Abnormaal (bovenmatig) verlies: Verlies gerelateerd aan de bewegingsdynamica van de domeinwand, meestal kleiner.

2. Koperverlies (belastingsverlies): Bestaan in de wikkelingen, toenemend met de belastingsstroom (evenredig met stroomkwadraat I²).

   • DC weerstandsverlies (I²R Verlies): Ohmse verliezen door stroom die door de geleiderweerstand loopt. P_cu_dc = I₁²R₁ + I₂²R₂.

   • AC weerstandsverlies (wervelstroom- en circulatiestroomverlies): Extra verlies als gevolg van verhoogde effectieve weerstand door skineffect (stroomverdringing aan het geleideroppervlak) en nabijheidseffect (wederzijdse beïnvloeding van aangrenzende geleiders) onder wisselstroomomstandigheden. Significant in grote transformatoren, gemitigeerd door gebruik te maken van getransponeerde geleiders of continu getransponeerde kabel (CTC).

3. Verdwaalde verliezen: Wervelstroomverliezen in structurele onderdelen (tankwanden, frames, bouten) veroorzaakt door lekstroom. Verminderd door magnetische shunts en niet-magnetische materialen.

4. Efficiëntie: Verhouding van uitgangsvermogen (P_uit) naar ingangsvermogen (P_in).
   η = (P_out / P_in) * 100% = [P_out / (P_out + P_core + P_cu + P_stray)] * 100%. Moderne grote energietransformatoren hebben een rendement van meer dan 99,7%. Er wordt voortdurend gestreefd naar een hoog rendement.

V. Moderne transformatortrends

• Digitalisering en integratie van slimme netwerken: Insluiten van sensoren (temperatuur, trillingen, gedeeltelijke ontlading, DGA, FRA) voor real-time conditiebewaking, voorspellend onderhoud, foutdiagnose en beoordeling van de levensduur (Digital Twin-concept).

• Verbeterde betrouwbaarheid en veerkracht: Strengere naleving van de normen voor kortsluitvastheid (IEC 60076-5), geavanceerde diagnosehulpmiddelen, robuust mechanisch ontwerp, redundantiestrategieën.

• Eco-ontwerp en duurzaamheid:

  • Minerale olie vervangen door synthetische estervloeistoffen (hoger brandpunt, biologisch afbreekbaar).

  • gebruiken Fluorvrije blusvloeistoffen (FFFK) in installaties.

  • Geluidsarme ontwerpen (akoestische barrières, geoptimaliseerde kernklemming).

  • Focus op levenscyclusanalyse (LCA) en verminderde koolstofvoetafdruk.

• Geavanceerde materialen:

  • Amorf metaal: Kernmateriaal met 60-80% lager nullastverlies dan CRGO, ideaal voor zeer efficiënte distributietransformatoren.

  • Supergeleidende wikkelingen met hoge temperatuur (HTS): Potentieel voor revolutionaire efficiëntiewinst (weerstand bijna nul) en vermogensdichtheid (in ontwikkeling/prototypestadium).

  • Nanocomposiet isolatie: Materialen ontworpen met nanodeeltjes om de thermische geleidbaarheid, diëlektrische sterkte en weerstand tegen gedeeltelijke ontlading te verbeteren.

Conclusie

De elektrische transformator is een perfecte kristallisatie van de elektromagnetische theorie in de technische praktijk. Van het basisprincipe van wederzijdse inductie op basis van de Wet van Faraday tot de zorgvuldig ontworpen kern, wikkelingen, isolatiesysteem, koeling en beschermingsapparatuur, is elke technologische vooruitgang gericht op het verbeteren van de efficiëntie, betrouwbaarheid en ecologische duurzaamheid. Inzicht in de werkingsprincipes, verliesmechanismen en kernconstructie is niet alleen essentiële kennis voor elektrotechnici, maar is ook van cruciaal belang om energiesystemen intelligenter, efficiënter en milieuvriendelijker te maken. Naarmate er nieuwe materialen, fabricageprocessen en digitale technologieën ontstaan, zal deze eeuwenoude hoeksteen van de elektrotechniek onmisbaar blijven in de huidige energietransitie.