Een stroomtransformator maakt het mogelijk om hoge stromen om te zetten naar een meetbaar stroombereik. De relais die in verschillende beveiligingssystemen zijn ingebouwd, zijn zo geïmplementeerd dat de stroom die wordt geleverd door een stroomtransformator kan worden gebruikt om ze aan te sturen. Het wordt ook moeilijk geacht om wisselstromen met een hoge magnitude te meten met behulp van normale ampèremeters met een laag bereik en daarom worden stroomtransformatoren gebruikt als een tussenstap voor meet- en isolatiedoeleinden.
Figuur 1. Diverse stroomtransformatoren. Afbeelding ter beschikking gesteld door Talema Group.
magnetisch componentenworden in het algemeen al tientallen jaren in verschillende vermogenselektronica gebruikt. Ze worden gebruikt voor de controle, overdracht en conditionering van elektrische energie in verschillende stadia en in meerdere vormen.
Ontwerpers zijn altijd op zoek naar nieuwere materialen, topologieën en processen om de prestaties te verbeteren. Er was een tijd in de geschiedenis waarin het ontwerpen van magnetisme meer als een kunst dan als een wetenschap werd beschouwd. Dit komt omdat het ontwerp grotendeels afhankelijk was van vallen en opstaan-technieken, empirische formules en overwegingen met vuistregels. Verder zijn er verschillende pogingen gedaan om het ontwerpproces te standaardiseren om het betrouwbaarder en herhaalbaarder te maken.
Lees verder om meer te weten te komen over het werkingsprincipe van een stroomtransformator en de belangrijkste betrokken concepten.
Stroomtransformatoren en circuitoverzicht
Stroomtransformatoren worden gebruikt om de stroom te meten die vloeit in circuits met een hoog vermogen, meestal voor meet- of feedbackcircuits. Het gebruik van stroomtransformatoren heeft de voorkeur boven het meten van stromen met behulp van stroomshunts in serie met het stroompad, vanwege de voordelen van een stroomtransformator zoals het bieden van isolatie tussen het stroomcircuit en het meetcircuit, een lagere bijdrage aan vermogensverliezen en een goede common-mode afwijzing [1]. Over het algemeen ondersteunt een transformator AC-koppeling, spanning en stroomniveautransformatie samen met DC-isolatie [2].
Figuur 2. Het gebruik van een stroomtransformator voor het meten van een hoge stroom. [3]
De praktische ontwerpoverwegingen voor stroomtransformatoren worden bepaald door het vermogen om de noodzakelijke waarden van primaire en secundaire wikkelingsstromen effectief te geleiden. Dit vertaalt zich in de juiste keuze van geleiders samen met het vermogen om een adequate vermogenskoppeling te bereiken. Idealiter zijn een strakke spanningsregeling zonder lekkage en zonder stroomverliezen - hysterese of werveling - evenals een lage algehele opwindende stroomvervorming gewenst.
Als aan al deze ontwerpdoelen volledig moet worden voldaan, kan het resulterende product omvangrijk zijn, wat ook weer niet de bedoeling is. Het is dus een buitengewoon moeilijke balans om op basis van deze overwegingen het best mogelijke ontwerp te bereiken.
Working Principle
Stroomtransformatoren behoren tot de familie van stroomtransducers die een secundaire stroom opwekken die evenredig is met de stroom die in grootte door de primaire zijde vloeit.
De primaire wikkeling is zo ontworpen dat deze bestaat uit een of meer windingen met een groot dwarsdoorsnedegebied en typisch in serie is verbonden met het circuit dat moet worden gedetecteerd op stroom [4].
De secundaire wikkeling heeft een groter aantal windingen en is gemaakt van een draad met een kleinere doorsnede. De secundaire wikkeling is verbonden met de bedieningsspoel van het relais of met het stroommeetinstrument.
Figuur 3. Weergave van een stroomtransformator [4]
Het toepassingsgebied voor een specifiek type stroomtransformator wordt bepaald door zijn precisie, de verhouding tussen primaire en secundaire stromen, het toegepaste type isolatie, mechanische constructie en externe bedrijfsomstandigheden.
De werking van de stroomtransformator is vergelijkbaar met die van conventionele vermogenstransformatoren, aangezien ze in wezen functioneren als step-up spanningstransformatoren. Meestal zal de waarde van de stroom lager zijn aan de hoogspanningszijde en vice versa. Dus wanneer de primaire zijde wordt bekrachtigd, zullen de ampère-windingen aan de primaire zijde een magnetisch veld in de kern produceren.
Een elektromotorische kracht wordt opgewekt in de secundaire zijde als gevolg van de opgewekte magnetische flux die op zijn beurt de secundaire stroom aandrijft. De ampère-windingen zijn gebalanceerd in primair en secundair, en ook de spanningsval over primair is veel minder, waardoor de primaire stroom onafhankelijk is van secundaire stroom.
Ontwerpinzichten voor stroomtransformatoren
Het ontwerp van de stroomtransformator is een compromis in kosten, gewicht, aantal windingen in de wikkeling en de algehele prestaties [1]. Het vergroten van het kerngebied verbetert de prestaties, maar heeft een nadelig effect op de kosten en de totale omvang. Ferriet- of stalen kernen worden gebruikt en grotere aantallen secundaire windingen hebben de voorkeur. Typisch, een goed stroomtransformatorontwerp richt zich op de lagere spanning aan de secundaire zijde, het gebruik van materiaal met hoge permeabiliteit, een hoog kernoppervlak en grote secundaire windingen.
Gebruikelijke overwegingen bij het kiezen van kernmaterialen zijn onder meer een laag kernverlies, een lage reluctantiewaarde en een lage fluxdichtheid. Papier, lak, tapematerialen en hun varianten worden gebruikt voor isolatiedoeleinden.
Een stroomtransformator kan van het gewikkelde type of van het staaftype zijn. In het geval van laagspanningstoepassingen van het gewikkelde type, worden secundaire windingen op een bakeliet gewikkeld, gevolgd door primaire windingen met geschikte isolatie tussen de lagen. In het staaftype vormt een enkele staaf de primaire wikkeling en passeert deze door het midden van de kern.
Figuur 4. Stroomtransformatoren kunnen van het staaf- of gewikkelde type zijn.
Belangrijkste referenties:
- L. Umanand, SR Bhat, "Design of Magnetic componenten voor geschakelde stroomomvormers ”, Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, "Hoogfrequente magnetische componenten", John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, "Transformer and Inductor Design Handbook", 2004.
- Current Transformer