De verliezen van de transformator

Het rendement van de transformator sept 2022

Het rendement als je energie transformeert

Een elektromotor zet elektrische energie om in mechanische energie, een elektriciteitscentrale zet thermische energie ( door verbranding van gas of kolen ) om in elektrische energie. Er zijn altijd verliezen als je energie omzet en dat druk je uit in het rendement van de omzetter. Een kolencentrale heeft maar een rendement van 40% ( zie ook Carnot rendement op Wikipedia ) maar een elektromotor wel 90%. De transmissie van een personenauto auto zet de mechanische energie met het hoge toerental van de motor om in mechanische energie met een laag toerental van de wielen, met een rendement van ca 85% tot 90%. Een transformator, zoals in een transformatorhuisje op de hoek van de straat, zet de elektrische energie bij een hoogspanning van 10.000 Volt om in elektrische energie met lage spanning van 380 Volt. Het rendement is daarbij 99% tot 99,5%.
Het vergelijken van rendementen is niet zonder risico, want je moet wel goed afspreken wat je wel of niet meeneemt. Het rendement van een elektrische auto is veel hoger dan van een benzineauto, maar het rendement van de elektriciteitsopwekking moet je dan wel meenemen in de vergelijking. Je moet altijd de hele keten bekijken.

Het verbeteren van het rendement van een transformator betekent dat je de het totale verlies moet verminderen. Je dient de nodige kennis van het product te hebben om alle stukken verlies te bepalen, wat bij elkaar opgeteld het totale verlies geeft. Het verlies van een transformator bestaat globaal uit drie stukken.

1. Het verlies in de kern van de transformator, wat ook wel het nullastverlies genoemd wordt. Deze verliezen heb je als er spanning op de transformator staat, maar hij nog geen energie omzet. Je kunt dat vergelijken met een auto die stil staat in de file. De motor draait en je verbrand benzine en er is dus verlies, maar het resulteert niet in mechanische energie want je rijdt geen meter.
2. Het verlies in het koper, terwijl er een stroom door heen loopt. Je berekend dat via de wet van Ohm. Je gaat er daarbij van uit dat het een gelijkstroom is, zoals de stroom uit een accu. Men noemt dit ook wel het gelijkstroomverlies.
3. Het verlies in allerlei metalen delen in de transformator, vanwege het wisselend magnetisch veld door de wisselstromen in de wikkelingen. Als een metaal in een wisselend magnetisch veld zit, dan lopen er stromen binnen in het metaal. Men noemt dat wervelstromen en dat resulteert in wervelstroomverliezen. Men noemt het ook wel wisselstroomverlies.Deze verliezen kennen we van het inductie koken. De bodem van de pan wordt warm door de wervelstromen die er daar in rond lopen. Het gelijkstroomverlies en het wisselstroomverlies opgeteld noemt men ook wel het lastverlies of kortsluitverlies. De laatste naam is de technische term en gerelateerd aan de meetmethode.

De nullast verliezen in de transformator

Deze verliezen heb je altijd als er spanning op de transformator staat en de transformator niet belast wordt. Er loopt een zeer kleine nullast stroom en de transformator heeft nul last. Deze verliezen zitten in het ijzer van de kern. Je kunt beter spreken van kernblik of “electrical steel”, want het is eigenlijk een ijzerlegering met een bepaalde functionaliteit. De verliezen worden veroorzaakt door het wisselen van het magnetische veld in het kernblik met een frequentie van 50 Hz.
Er is altijd veel onderzoek gedaan om het verlies van het kernblik te verlagen. Dit verlies wordt uitgedrukt in Watt per kg bij een referentie magnetische belasting ( een inductie van 1 T bij 50 Hz zie ook fig 1 ). Verlies kost geld en de warmte die daarbij ontstaat moet je ook nog afvoeren door te koelen. Het elektriciteitsbedrijf wil vooral zo laag mogelijke verliezen bij een nieuwe transformator. Die rekent uit wat 1 kW nullast verlies kost als de transformator altijd onder spanning staat gedurende zijn hele leven.

Lees meer

De dwarsregel transformator; de “verkeersregelaar” voor het elektriciteitsnet

De energietransitie is de overstap van fossiele energie naar duurzame energie zoals zon, wind en water. Je hoort uitspraken zoals “vandaag is wel 80% van de elektriciteit duurzaam opgewekt”. Die elektriciteit wordt “ergens” opgewekt maar de gebruiker is “ergens anders ver weg“. De elektrische energie dient op elk gewenst moment bij elke gebruiker te komen, en de vraag is dan ook: hoe regel ik dan het transport. Denk eens aan het volgende realistische scenario: Het is bewolkt en windstil in Nederland, maar het waait flink in de Oostzee bij Duitsland. Het elektriciteitstransport over al die parallelle hoogspanningslijnen mag nergens leiden tot een overbelasting.
De eerste stap naar een oplossing is het net nog verder verzwaren. Als er nu ergens een 30 MVA transformator moet worden vervangen, dan heeft de nieuwe transformator een vermogen van 80 of 100 MVA. Staat er al een 500 MVA koppelnettransformator, zet er maar 2 extra naast.
De tweede stap is het inzetten van de dwarsregeltransformator. Deze transformator kan de energiestromen over parallelle lijnen optimaal regelen en zo het totale elektriciteitstransport maximaliseren. We gebruiken meestal het woord dwarsregelaar, dat spreekt en schrijft wat gemakkelijker.
Een dwarsregelaar was vroeger zelden nodig. Dit stukje geschiedenis van Smit begint daarom pas in 1995, want toen werd pas de eerste dwarsregelaar geleverd. De ontwikkelingen gaan heel snel, mede gestimuleerd door de energietransitie. Een dwarsregelaar is eigenlijk een normale transformator met kern en wikkelingen, alleen de wikkelingen zijn anders geschakeld. Het lijkt simpel, maar dat heeft wel veel invloed op het elektrisch en mechanisch ontwerp. Het is een technische uitdaging om een dwarsregelaar te maken door de beperkingen van zowel de regelschakelaar als het transport.
Twee praktijksituaties in Nederland worden beschreven waarbij een dwarsregelaar de oplossing was. Dat was in het 150 kV net van EZH in Zuid-Holland en in de 400 kV verbindingen naar Duitsland bij Meeden in Groningen.  

De dwarsregelaar, wat is het?
De regeltransformator ( zie bijlage A ) is al langer bekend en wordt veel toegepast in het 10 kV net. Die maakt een regelbare spanning die in fase is met de netspanning ( zie fig A.3 en A.4 ). Er zijn twee mogelijkheden om dat te doen, namelijk een directe en een indirecte ( zie fig A.1 en A.2 ) Een dwarsregelaar is een transformator die een regelbare spanning maakt die 90 graden in fase verschoven is t.o.v.de netspanning. Er zijn 4 mogelijkheden om dat te doen, maar welke wordt het?
We laten alleen de twee keuzes zien van de dwarsregelaars die in Nederland staan. 

Het eenvoudigste is de asymmetrische directe regeling ( fig 1 ). Als de dwarsspanning (horizontale rode pijltje) groot is t.o.v. de netspanning, dan is het verschil in ingaande (rode verticale pijl) en uitgaande spanning (schuine zwarte pijl) te groot. Je kunt ook zeggen dat de fasehoek ( phase shift in het engels ) boven een bepaalde grens komt. Je moet dan overstappen op een symmetrische directe regeling, die heeft dat nadeel dan niet.
De dwarsspanning van de regelwikkeling is in fase met de hoogspanningswikkeling die tussen de ander fasen zit. Deze twee groen omcirkelde wikkelingen ( zie fig 1 ) zitten om dezelfde kernpoot, alleen je maakt “gewoon” andere verbindingen in de transformator. Je ziet dat de regelwikkeling met bijbehorende bekabeling en de regelschakelaar rechtstreeks aan het net “hangen” en dus daarvoor ook geschikt moeten zijn.

Lees meer

De bestorming van de Amerikaanse transformatormarkt door Smit

Auteur : Piet Waterhout – Hoofd Projecten in 1978

Er was eens …… een jonge Italiaan, die kort na W.O.II naar Zürich trok om aan de ETH te gaan studeren voor werktuigbouwkundig ingenieur. Hij ontmoette daar een Amerikaans meisje, dat gerelateerd was aan het befaamde geslacht Rockefeller. Na voltooien van zijn studie keerde hij met haar terug naar Italië, waar ze enige tijd later zouden trouwen. De jonge ingenieur trad in dienst bij GMT (Grande Motori di Triëst), een fabriek van grote dieselmotoren in Triëst, tegenwoordig onderdeel van Wärtsilä. Om zijn jonge vrouw een plezier te doen en om het avontuur trok het jonge paar na enige tijd naar de VS, waar hij vertegenwoordiger werd van GMT. Zijn naam: Giorgio Caciopuotti.
Er was eens …….. in het roerige Rusland net na W.O. I met de strijd tussen de bolsjewieken (de rooien) en de aanhangers van de tsaar (de witten) een jong “wit” echtpaar dat geen hoop op een goede afloop had en vluchtte met hun zoontje naar Japan. Het joch bleek een talenwonder, had het Japans snel onder de knie en zwierf op latere leeftijd over de wereld en verdiende al handel drijvend een goede boterham. Op zijn reizen door Zuid-Amerika had hij zijn moeilijk uit te spreken Russische naam veranderd in een naam met een wat lokalere kleur. Zijn naam werd toen: George Mendoza.

Het duurde niet lang voordat de twee boven geïntroduceerde personen elkaar hadden gevonden en samen een handelskantoor begonnen met Giorgio als president en George als vice-president onder de naam AMLICO: American Ligurian Company. Het kantoor handelde in alles wat los en vast zat, voornamelijk met import van kapitaalgoederen uit Italië. In hun portefeuille zat o.a.de vertegenwoordiging van een Italiaanse transformatoren fabriek Savigliano. Op een voor AMLICO ongelukkig moment werd deze fabriek overgenomen door de machtige Amerikaanse energiereus General Electric en toen was het afgelopen met de import van Italiaanse transformatoren: geen concurrentie van een dochter op de thuismarkt! AMLICO wilde haar opgedane ervaringen echter continueren en ging op zoek naar een andere leverancier van grote transformatoren.
Het was in deze tijd, dat de kersverse - gelet op het aantal dienstjaren - CEO van SMIT Transformatoren - drs. Ruud Nieuwenhuis - zich aan het oriënteren was om de afzet van “droge” transformatoren te vergroten. Deze apparaten werden in de fabriek van SMIT in Ede gefabriceerd en hadden in tegenstelling tot de gewone transformatoren geen olie of andere vloeistof als koel- en isolatiemiddel. De beide wikkelingen werden gegoten in giethars en de markt voor deze transformatoren met hun specifieke kenmerken was klein en hun prijs relatief hoog.
Tijdens een reis door de VS om het product te promoten kwam Ruud in contact met AMLICO, die hem de vraag voorlegde of SMIT geïnteresseerd zou kunnen worden om via AMLICO de Amerikaanse markt te betreden. Om ons op weg te helpen gaven de heren Ruud een dik boek mee, opdat wij ons een beeld konden vormen van die Amerikaanse markt.
Als gevolg van de op instignatie van Ruud uitgevoerde grote reorganisatie van enige jaren geleden, was o.a. de afd. Constructie opgeheven en was ik belast met de leiding van de afdeling Projecten. Deze afdeling fungeerde als schakel tussen afdeling Verkoop en de afdelingen Berekening, Constructie en Bedrijf. (Ik zei altijd, dat wij de wensen van de klant vertaalden naar andere afdelingen van het bedrijf). Op zekere dag kreeg ik een telefoontje of ik langs wilde komen bij Ruud. Hij vertelden mij over zijn recente bezoek aan de VS en het verzoek van AMLICO. Hij overhandigde mij het BOEK en verzocht mij om het te bestuderen en te onderzoeken of wij met enig succes op de Amerikaanse markt zouden kunnen opereren.

Het BOEK bleek een opsomming te zijn van alle Amerikaanse energiebedrijven, die één of meer transformatoren van groot vermogen en hoge spanning in bedrijf hadden (vandaag de dag vind je die informatie op Internet!). Het was zeer interessante lectuur en na enig rekenwerk was mijn conclusie, dat met maar 1% van deze markt in handen onze omzet in grote transformatoren tenminste zou verdubbelen. Over het prijsniveau was helaas geen informatie te vinden, maar daar konden we op een andere manier achter komen. 

Lees meer

Shunt spoelen – verleden, heden en toekomst

Hoe houd ik spanning uit het stopcontact stabiel? Als hij te hoog is branden de lampen door of worden de zonnepanelen afgeschakeld. Als hij te laag is loopt het motortje van de ventilator niet aan en kan zelfs doorbranden. Er is dus een bovengrens en een ondergrens van de spanning.

Dat is niet alleen thuis bij het stopcontact, maar ook elders in het elektriciteitsnet. De spanning moet stabiel zijn onder allerlei omstandigheden, wel of geen zon op de zonnepanelen, wel of geen wind bij de windmolen, wel of geen koude winterdag. Een oplossing is het gebruik van shuntspoelen. Deze oplossing was al bekend en werd “vroeger” af en toe toegepast.

De energietransitie maakt een veelvuldige toepassing echter noodzakelijk. Het ontwerp, de constructie, de fabricage en de beproeving van een shuntspoel vereisen dezelfde vaardigheden als bij een transformator. Smit Transformatoren is zich intensiever op dit marktsegment gaan richten. Er is nu een redelijke omzet van shuntspoelen, alhoewel in omvang wel geringer dan van transformatoren.  De elektriciteitsbedrijven doen daarmee een aanzienlijke investering voor een betrouwbaar en stabiel elektriciteitsnet. 

Waarom zijn er eigenlijk shuntspoelen? 

De waarde van de spanning in het hoogspanningsnet moet dus binnen zekere grenzen blijven. Niet te laag en niet te hoog. Vroeger was de spanning te regelen door de bekrachtiging van de generator in de elektriciteitscentrale te variëren. Dat was gemakkelijk, want die centrales waren ook nog eens netjes verspreid over het land.

De spanning aan het begin van een lange lijn kan heel anders zijn dan aan het einde en kan dus buiten zijn toegestane grenzen komen. Een laag energietransport resulteert in een hogere spanning aan het eind van de lijn,  ook wel “Ferranti effect” genoemd. Dit is voor het eerst vastgesteld in 1887 ( zie ook Wikipedia ).  Je kunt deze hoge spanning verlagen door een spoel aan te sluiten aan het eind van de hoogspanningslijn.  Zo’n spoel noemt men een shuntspoel of ook wel laadstroom compensatiespoel.   Shuntspoelen bestaan al heel lang, maar men had er niet zo veel behoefte aan. 

De veranderingen in het elektriciteitsnet, zoals vermogenstransporten over grote afstanden en de energietransitie met windparken op zee, maken de inzet van shuntspoelen noodzakelijk.  De netspanning blijft dan overal binnen de toegestane grenzen.

Je gebruikt een shuntspoel wel heel anders dan een transformator. Je schakelt de shuntspoel in als de belasting van het net laag is en dus de spanning aan het einde van de lijn hoog is, bijvoorbeeld ‘s nachts.  De shuntspoel werkt dus als een belasting die kan worden ingeschakeld als er weinig vraag naar energie is. De belasting wordt overdag weer hoog en dan schakel je de shuntspoel weer uit. De shuntspoel wordt dus veel in- en uitgeschakeld en krijgt dus daarom veel schakeloverspanningen te verduren. De spoel wordt ook afwisselend warm en koud. Dit intervalbedrijf is veel zwaarder dan het “rustige” continubedrijf van de transformator.

Lees meer