Stroomtransformatoren voor alle elektronica

Een stroomtransformator is een elektrisch apparaat dat de elektrische stroom in een circuit meet en transformeert. Het wordt gebruikt om de stroom te controleren, meten of regelen.

Stroomtransformatoren worden vaak gebruikt in hoogspannings- en laagspanningssystemen om de stroom in een circuit om te zetten. Ze kunnen de stroom omzetten van hoge naar lagere waarden om deze geschikt te maken voor meet- of bedieningsapparaten. Stroomtransformatoren worden ook gebruikt in elektriciteitsnetten om de stroom te bewaken en beveiligingen te activeren wanneer de stroom een bepaalde limiet overschrijdt.

Daarnaast worden stroomtransformatoren gebruikt in de energietechniek om de stroom in elektrische machines, transformatoren en generatoren te meten. Ze worden ook gebruikt in de industrie, energietechniek, mijnbouw en vele andere toepassingen waar nauwkeurige meting en bewaking van stroom vereist is.

Een stroomtransformator is een elektrisch apparaat dat de stroom in een elektrisch circuit meet of omzet. Het wordt vaak gebruikt in elektriciteitsnetten of in industriële stroomvoorzieningen om de stroom te controleren of te regelen.

De werking van een stroomtransformator is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie. Een stroomtransformator bestaat uit een primaire en een secundaire wikkeling die magnetisch aan elkaar gekoppeld zijn.

In het primaire circuit wordt de te meten stroom door de primaire wikkeling van de stroomtransformator geleid. De stroom creëert een magnetisch veld rond de primaire wikkeling. Dit magnetische veld induceert een spanning in de secundaire wikkeling van de stroomtransformator.

Het niveau van deze spanning in de secundaire wikkeling hangt af van het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkelingen. De stroomtransformator is zo ontworpen dat de verhouding tussen de primaire en secundaire stroom constant blijft. Deze verhouding wordt de transformatieverhouding genoemd en wordt meestal aangegeven op de stroomtransformator.

De spanning in de secundaire wikkeling kan dan worden gemeten of verder worden verwerkt om de stroom in het primaire circuit te bepalen. Vaak wordt de secundaire spanning omgezet in een proportionele stroom door ze door een weerstand te sturen.

Een ander principe dat in sommige stroomtransformatoren wordt gebruikt is het Hall-effect principe. Hier wordt een Hall-sensor gebruikt om het magnetische veld rond de primaire wikkeling te meten. De gemeten magnetische fluxdichtheid wordt omgezet in een proportionele spanning, die vervolgens kan worden gebruikt als uitgangssignaal van de stroomtransformator.

In het algemeen maakt de werking van een stroomtransformator het mogelijk om hoge stromen te meten of om te zetten in lagere en beter beheersbare waarden, die vervolgens kunnen worden gebruikt om elektrische systemen te bewaken of te regelen.

Er zijn verschillende soorten stroomtransformatoren die verschillen in de manier waarop ze werken, het beoogde gebruik en hun eigenschappen. Hier volgen enkele van de meest voorkomende soorten stroomtransformatoren:

1. stroomtransformatoren met een ijzerloos ontwerp: Dit type stroomtransformator maakt geen gebruik van ijzeren kernen, maar is gebaseerd op Hall-effectsensoren. Ze zijn compact, licht en bieden een hoge nauwkeurigheid. Ze worden vaak gebruikt in elektronische apparaten en stroommeettoestellen.

2. stroomtransformatoren zonder ijzeren kern: Dit type stroomtransformator gebruikt een kern gemaakt van een materiaal met hoge permeabiliteit, zoals ferriet of nikkel-zink. Ze bieden een goede lineariteit en nauwkeurigheid, maar zijn groter en zwaarder dan stroomtransformatoren zonder ijzeren kern. Ze worden vaak gebruikt in voedingssystemen en beveiligingsrelais.

3. stroomtransformatoren met een ontwerp op basis van een ijzeren kern: Dit type stroomtransformator gebruikt een kern van zacht magnetisch materiaal zoals ijzer of siliciumstaal. Ze bieden een hoge nauwkeurigheid en goede lineariteit, maar zijn groter en zwaarder dan de andere typen stroomtransformatoren. Ze worden vaak gebruikt in stroommeters, distributietransformatoren en beveiligingsrelais.

4. rogowski-spoelen: Rogowski-spoelen zijn flexibele, open spoelen die de geleider omsluiten waar de stroom doorheen stroomt. Ze bieden een hoge bandbreedte, goede lineariteit en hoge nauwkeurigheid bij het meten van wisselstromen. Ze zijn compact, licht en eenvoudig te installeren en worden vaak gebruikt in toepassingen met grote stromen, zoals vermogenselektronica en industriële automatisering.

Het is belangrijk op te merken dat deze soorten stroomtransformatoren kunnen verschillen in hun specifieke kenmerken en toepassingsgebieden. Het kiezen van de juiste stroomtransformator hangt af van de specifieke vereisten van de toepassing, zoals de stroom, frequentie, nauwkeurigheid en grootte.

Het gebruik van stroomtransformatoren in voeding en meting biedt een aantal voordelen:

1. meten van hoge stromen: stroomtransformatoren maken het mogelijk om hoge stromen te meten die normaal gesproken niet rechtstreeks gemeten kunnen worden. Ze zetten de hoge primaire stroom om in een proportionele lagere secundaire stroom, die vervolgens kan worden gemeten.

2. veiligheid: stroomtransformatoren bieden een veilige manier om stroom te meten omdat ze de primaire stroom scheiden van gevaarlijke spanningen. Dit vermindert het risico op elektrische schokken en ongelukken.

3. lage spanningsval: stroomtransformatoren hebben een lage interne weerstand, waardoor de spanningsval tijdens het meten minimaal is. Dit is vooral belangrijk in toepassingen waar een nauwkeurige spanningsmeting vereist is.

4. nauwkeurigheid: stroomtransformatoren bieden een hoge nauwkeurigheid bij het meten van stroomniveaus. In combinatie met nauwkeurige meettoestellen kunnen ze nauwkeurige meetwaarden leveren.

5. compatibiliteit met meettoestellen: stroomtransformatoren zijn verkrijgbaar in verschillende maten en ontwerpen en kunnen worden aangepast aan verschillende meettoestellen en -systemen. Dit maakt eenvoudige integratie in bestaande voedings- en meetsystemen mogelijk.

6. flexibiliteit: stroomtransformatoren kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder industriële installaties, voedingssystemen, hernieuwbare energie en elektrische voertuigen. Ze kunnen worden gebruikt in zowel DC- als AC-systemen.

In het algemeen bieden stroomtransformatoren een betrouwbare en nauwkeurige manier om stroom te meten en te controleren in verschillende toepassingen. Ze spelen een belangrijke rol in het garanderen van een efficiënte en veilige stroomvoorziening.

Er kunnen zich verschillende uitdagingen en problemen voordoen bij het gebruik van stroomtransformatoren, waaronder

1. nauwkeurigheid: stroomtransformatoren moeten stromen nauwkeurig meten om nauwkeurige meetresultaten te leveren. Problemen zoals magnetische velden, temperatuurveranderingen en veroudering kunnen de nauwkeurigheid beïnvloeden. Dit kan verholpen worden door de transformatoren regelmatig te kalibreren en te inspecteren.

2. faseverschuiving: Stroomtransformatoren kunnen een faseverschuiving veroorzaken tussen de primaire en secundaire stroom. Dit kan leiden tot fouten in de vermogensmeting. Een manier om dit probleem op te lossen is om stroomtransformatoren te gebruiken met een kleine faseverschuiving of om de verschuiving te compenseren.

3. overbelasting: Als stroomtransformatoren overbelast worden, kan dit leiden tot defecten of schade aan het apparaat. Om dit probleem te vermijden, moeten de stroomtransformatoren gekozen worden in overeenstemming met de vereisten van de toepassing en de opgegeven belastingslimieten.

4. isolatieproblemen: stroomtransformatoren moeten veilig geïsoleerd zijn om mensen en apparatuur te beschermen tegen gevaarlijke spanningen. Isolatiefouten kunnen leiden tot stroomlekkage en gevaarlijke situaties. Regelmatige inspecties en tests van de isolatie kunnen helpen om dergelijke problemen op te sporen en te verhelpen.

5 Interferentie: Externe interferentie zoals elektromagnetische interferentie kan de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van stroomtransformatoren beïnvloeden. Het gebruik van afgeschermde kabels, filters en maatregelen om interferentie te onderdrukken kunnen helpen om interferentie te verminderen.

6 Montage en bekabeling: Onjuiste montage of bekabeling van stroomtransformatoren kan leiden tot storingen. Het is belangrijk om de installatie-instructies van de fabrikant te volgen en ervoor te zorgen dat de aansluitingen correct worden gemaakt.

In het algemeen is het belangrijk om de vereisten van de toepassing te begrijpen, de juiste stroomtransformatoren te kiezen en regelmatig onderhoud en inspectie uit te voeren om potentiële problemen te identificeren en op te lossen.

Bij het werkingsprincipe van de stroomtransformator leidt een open secundair circuit tot gevaarlijke overspanningen tot meerdere kV, omdat de primaire stroom de kernstroom wordt. De magnetische flux neemt ongecontroleerd toe, wat spanningspieken genereert U₂ = N₂ × dΦ/dt van ＞5 kV.

Dit brengt bedienend personeel in gevaar door aanraakspanning en vernietigt de isolatie door deelontladingen. Bovendien leidt verzadiging tot extreme verhitting van de kern met temperaturen ＞150°C. Daarom zijn secundaire klemmen met kortsluitvoorzieningen die automatisch kortsluiten voordat de belasting wordt uitgeschakeld, verplicht volgens IEC 61869-2.

Een stroomtransformator zet primaire stromen galvanisch geïsoleerd om in lage secundaire stromen (meestal 1 A of 5 A). In het geval van verzadiging van de kern door overstroom, overschrijdt de fluxdichtheid 1,6-1,8 T, waardoor de permeabiliteit drastisch afneemt. De magnetisatiestroom neemt buitenproportioneel toe en de secundaire stroom brengt de primaire stroom niet langer lineair in kaart.

Verzadiging leidt tot vervormde secundaire stroom met een afgeplatte curvevorm en een verhoogde verhoudingsfout ＞10%. Dit brengt beveiligingssystemen in gevaar, omdat relais foutstromen niet correct detecteren. Oplossing: Overdimensionering van de kern (hogere ALF-factor), lage bedrijfsflux

De stroomtransformator werkt op basis van elektromagnetische inductie: de te meten primaire stroom genereert een magnetisch veld in de ijzeren kern, die een proportionele spanning induceert in de secundaire wikkeling. De transformatieverhouding n₁/n₂ bepaalt de stroomtransformatie, meestal 100:5 A of 1000:1 A.

De belastingsimpedantie aan de secundaire uitgang is doorslaggevend: een meetweerstand met hoge impedantie of een open secundair circuit leidt tot gevaarlijke overspanningen van meerdere kV. Daarom moeten secundaire klemmen van stroomtransformatoren altijd kortgesloten of belast blijven. De nauwkeurigheidsklasse (0,2 / 0,5 / 1,0) definieert de maximale transformatiefout - relevant voor beveiligings- en meettechnologie in midden- en hoogspanningsnetten en energiebeheersystemen.

Het doorstroomtransformatorprincipe is gebaseerd op een ringkerntransformator waarbij de primaire stroomgeleider één keer door de centrale opening wordt gevoerd en zo een primaire wikkeling vormt (n₁ = 1). De secundaire wikkeling met n₂-omwentelingen op de ferriet- of nanokristalkern genereert een proportioneel gereduceerde meetstroom volgens het transformatorprincipe.

Bij het doorgangstransformatorprincipe volgt de transformatieverhouding direct uit het aantal secundaire wikkelingen: een transformator met 1000 wikkelingen levert 100 mA bij 100 A primaire stroom (of 5 A bij 5000 A). De voordelen zijn eenvoudige installatie zonder kabelscheiding, compact ontwerp en hoge nauwkeurigheid in overeenstemming met IEC 61869. Gebruikt in energiemeettechnologie, beveiligingsrelais en vermogensbewaking.