Step-Up Vs. Step-Down Three-Phase Transformers

Business & Industry

Welkom bij Thomas Insights – elke dag publiceren we het laatste nieuws en analyses om onze lezers op de hoogte te houden van wat er in de industrie gebeurt. Meld u hier aan om de topverhalen van de dag rechtstreeks in uw inbox te ontvangen.

Een transformator (ook wel step-up en step-down transformatoren genoemd) is een apparaat dat wordt gebruikt om stroom- en spanningsniveaus in een wisselstroomcircuit (AC) aan te passen. Wanneer gebruikt als onderdeel van een wisselstroomtransmissiecircuit, worden transformatoren gebruikt om de transmissiespanning op te voeren naar een hogere waarde om vermogensverlies te beperken, en vervolgens om de spanning weer af te bouwen naar veilige niveaus voor gebruik door klanten en apparatuur. Deze transformatie van spanning wordt bereikt door elektromagnetische inductie.

Een eenvoudige eenfasetransformator heeft twee spoelen, een primaire en een secundaire, gewikkeld op een gemeenschappelijke magnetische kern. Wanneer elektrische stroom wordt toegepast op de primaire, wordt een spanning geïnduceerd in de secundaire. De verhouding tussen de primaire en secundaire spanning zal dezelfde zijn als de verhouding tussen het aantal windingen in de wikkeling van de primaire spoel en de wikkeling van de secundaire spoel, die de windingsverhouding wordt genoemd. Spanning en stroom hebben een omgekeerd evenredige verhouding, zodat de stroom in de secundaire wikkeling met dezelfde verhouding wordt verlaagd als de spanning is verhoogd, zodat het totale vermogen in de primaire en secundaire wikkelingen behouden blijft.

In elektriciteitstransmissiesystemen worden echter meestal driefasentransformatoren gebruikt. In gebalanceerde driefasige stroomkringen heeft de wisselspanning in elke fase een faseverschil van 120 graden ten opzichte van de volgende fase. Driefasige transformatoren bestaan uit drie primaire en drie secundaire wikkelingen, gewikkeld in een ster- of driehoeksconfiguratie. Dit type transformator werkt volgens hetzelfde basisprincipe als eenfasetransformatoren.

Hierna gaan we dieper in op de verschillen tussen driefasige step-up en driefasige step-down transformatoren.

Wat zijn step-up transformatoren?

Een step-up transformator wordt gebruikt om de transmissiespanning te verhogen om lijnverliezen te verminderen. Door de spanning te verhogen, neemt de lijnstroom evenredig af, en wordt het vermogensverlies door kabelweerstand verminderd. De kleinere stroomsterkte maakt het ook mogelijk de geleiders te verkleinen tot kleinere diameters. Gewoonlijk wordt elektriciteit opgewekt bij 11 kV en overgebracht bij 22 kV, of 44 kV en hogere spanningsniveaus. In dit stadium worden step-up transformatoren gebruikt om de transmissiespanning tot deze niveaus op te voeren. Een andere toepassing voor step-up transformatoren is in motorcircuits, waar ze worden gebruikt als starters voor elektromotoren, omdat de hogere spanning in staat is de motor te doen draaien en de startweerstand te overwinnen.

Omdat de waarde van de primaire stroom relatief hoog is, hebben deze transformatoren primaire wikkelingen die zijn gemaakt van dik, geïsoleerd koper. Behalve van het aantal primaire en secundaire wikkelingen hangt de secundaire spanning van een driefasige stroomkring ook af van het type wikkelingsconfiguratie dat wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, een delta-ster schakeling, waarbij de primaire wikkelingen in driehoek geschakeld zijn en de secundaire wikkelingen in ster geschakeld zijn, resulteert in een verhoging van de lijnspanning met een factor van 1,732, of de vierkantswortel van 3, maal de omwentelingsverhouding. Met deze factor moet rekening worden gehouden bij de berekening van de vereiste omwentelingsverhouding van een driefasentransformator om de gewenste waarde van de step-up spanning te bereiken.

Wat zijn step-down transformatoren?

Aan het einde van een transmissielijn moet de hoge transmissiespanning tot lagere waarden worden teruggebracht, omdat de stroomdistributie en uiteindelijk het stroomverbruik bij veel lagere spanningen plaatsvinden. Aangezien de meeste elektrische apparaten werken bij spanningen in de orde van grootte van 240 V, is het van essentieel belang dat de kV-transmissiespanning drastisch wordt verlaagd. In dergelijke gevallen worden driefasige step-down transformatoren gebruikt.

Gebaseerd op dezelfde principes als een step-up transformator, transformeren deze apparaten de hoogspannings-, zwakstroomvoeding in de primaire naar sterkstroom-, zwakstroomvoeding in de secundaire. De typische secundaire spanningen zijn van de orde van een paar honderd volts, en deze transformatoren zijn uitgerust met dikke koperwikkelingen in de secundaire spoelen om de hogere secundaire stromen aan te passen die uit het stepped-down voltage voortvloeien. In een ster-driehoek-configuratie wordt de spanning automatisch verlaagd met dezelfde factor van 1,732, of de vierkantswortel van 3, maal de omwentelingsverhouding.

De veelzijdigheid van driefasetransformatoren

Driefasetransformatoren worden universeel gebruikt in een breed scala van energiesystemen, in zowel transmissie- als distributiecircuits. Deze transformatoren kunnen ook worden gebruikt in elke industrie die gespecialiseerde driefasige apparatuur gebruikt. Aangezien zij zorgen voor de elektrische scheiding tussen twee delen van een stroomkring, kunnen zij de veiligheid sterk verbeteren en tegelijkertijd lichtere, compactere oplossingen mogelijk maken dan die van drie eenfasetransformatoren die dezelfde hoeveelheid vermogen leveren. Bovendien levert een gebalanceerde driefasetransformator vermogen met betere elektrische eigenschappen dan wat mogelijk is met drie onafhankelijke eenfasetransformatoren. Om deze redenen dienen driefasige transformatoren als integrale componenten in alle soorten moderne elektrische installaties.