De temperatuurstijging van een transformator is een belangrijke factor bij de keuze en het gebruik van een industriële transformator. Een te hoge temperatuur kan de veroudering van de isolatie versnellen, de levensduur verkorten, de verliezen vergroten en uiteindelijk leiden tot een defect aan de transformator.
Voor droge transformatoren, is temperatuurbeheer bijzonder belangrijk omdat warmte via de lucht moet worden afgevoerd in plaats van via isolatieolie. Inzicht in de temperatuurstijging helpt ingenieurs bij het kiezen van het juiste transformatorvermogen, de juiste isolatieklasse, de juiste koelmethode en de juiste installatieomgeving.
In deze handleiding wordt uitgelegd wat de temperatuurstijging van een transformator inhoudt, waarom transformatoren oververhit raken, hoe de isolatieklasse van invloed is op de bedrijfstemperatuur en welke praktische maatregelen kunnen worden genomen om oververhitting te voorkomen.
Wat is temperatuurstijging bij transformatoren?
De temperatuurstijging van een transformator is het verschil tussen de temperatuur van de wikkeling of andere relevante onderdelen van de transformator en de omgevingstemperatuur.
Als de omgevingstemperatuur bijvoorbeeld 30 °C bedraagt en de temperatuurstijging in de wikkeling 100 °C is, dan is de geschatte temperatuur van de wikkeling:
30 °C + 100 °C = 130 °C
De temperatuurstijging is niet hetzelfde als de daadwerkelijke bedrijfstemperatuur. Er moet ook rekening worden gehouden met de omgevingstemperatuur.
Dit is met name van belang in industriële installaties. Een transformator die is ontworpen voor een bepaalde temperatuurstijging, kan normaal functioneren in een koele schakelruimte, maar kan te maken krijgen met hogere temperaturen wanneer hij wordt geïnstalleerd in een warme fabriek, een slecht geventileerde behuizing of een omgeving met hoge temperaturen.
Waarom wordt een transformator warm?
Een transformator produceert tijdens het gebruik onvermijdelijk warmte. De belangrijkste oorzaken hiervan zijn elektrische verliezen in de transformator.
1. Koperverlies
Er treedt koperverlies op doordat de stroom die door de wikkelingen vloeit, op elektrische weerstand stuit.
Naarmate de belasting van de transformator toeneemt, stijgt de wikkelingsstroom en nemen de koperverliezen ongeveer evenredig met het kwadraat van de stroom toe:
Koperverlies ∝ I²R
Dit betekent dat het gebruik van een transformator bij een belasting die aanzienlijk hoger ligt dan de nominale belasting, kan leiden tot een snelle toename van de warmteontwikkeling.
2. Kernverlies
In transformatorkernen treden verliezen op die worden veroorzaakt door een wisselende magnetische flux. Hiertoe behoren onder meer hysterese- en wervelstroomverliezen.
Er treden kernverliezen op zodra de transformator onder spanning staat, zelfs wanneer de transformator slechts licht belast is.
3. Harmonische stromen
Niet-lineaire belastingen zoals frequentieregelaars, UPS-systemen, gelijkrichters, schakelende voedingen en andere elektronische apparatuur kunnen harmonische stromen veroorzaken.
Harmonischen kunnen extra verliezen in transformatorwikkelingen en magnetische componenten veroorzaken, wat leidt tot hogere bedrijfstemperaturen.
Bij installaties met aanzienlijke niet-lineaire belastingen moet bij de keuze van de transformator rekening worden gehouden met harmonische omstandigheden, in plaats van uitsluitend uit te gaan van het nominale kVA-vermogen.
Temperatuurstijging van de transformator versus omgevingstemperatuur
De omgevingstemperatuur heeft een directe invloed op de bedrijfstemperatuur van de transformator.
Neem bijvoorbeeld een droge transformator met een nominale temperatuurstijging van 100 °C:
| Omgevingstemperatuur | Geschatte wikkelingstemperatuur |
|---|---|
| 20 °C | 120 °C |
| 25 °C | 125 °C |
| 30 °C | 130 °C |
| 40 °C | 140 °C |
| 50 °C | 150 °C |
Deze waarden zijn vereenvoudigde voorbeelden om de samenhang te verduidelijken. De werkelijke temperatuur van de transformator hangt af van het ontwerp, het isolatiesysteem, de belasting, de koelomstandigheden en de geldende norm.
Daarom moeten ingenieurs bij het aanvragen van een op maat gemaakte transformator de fabrikant informeren over de verwachte installatieomgeving.
Wat zijn de oorzaken van oververhitting van transformatoren?
Het feit dat een transformator bij hoge temperatuur werkt, betekent niet altijd dat de transformator zelf defect is. Verschillende externe factoren en bedrijfsomstandigheden kunnen bijdragen aan oververhitting.
Overbelasting
Bij continu gebruik boven het nominale vermogen nemen de wikkelingsverliezen en de temperatuur toe.
Als een transformator voortdurend dicht bij of boven zijn nominale kVA-waarde werkt, kan het beter zijn om een grotere transformator te kiezen dan alleen de koeling te versterken.
Slechte ventilatie
Droge transformatoren zijn afhankelijk van luchtcirculatie om warmte af te voeren.
Verstopte ventilatieopeningen, onvoldoende vrije ruimte of installatie in een slecht ontworpen behuizing kunnen de warmteafvoer aanzienlijk verminderen.
Hoge omgevingstemperatuur
Transformatoren die zijn geïnstalleerd in warme productieruimtes, schakelruimtes, buitenbehuizingen of slecht geventileerde ruimtes, kunnen bij hogere temperaturen werken dan verwacht.
Harmonische belastingen
Frequentieregelaars, UPS-systemen, gelijkrichters, data-apparatuur en andere niet-lineaire belastingen kunnen ervoor zorgen dat de transformator warmer wordt.
Als de transformator voor een groot deel niet-lineaire belastingen voedt, moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met harmonische verstoringen.
Onevenwichtige ladingen
Bij driefasige transformatoren kan een aanzienlijke fase-onbalans leiden tot een ongelijkmatige belasting en extra warmteontwikkeling.
Door de fasestromen te controleren, kunt u vaststellen of één fase aanzienlijk meer belasting draagt dan de andere.
Verkeerde keuze van transformator
Een transformator kan oververhit raken wanneer de spanning, frequentie, kVA-capaciteit, belastingskenmerken, koelconfiguratie of omgevingsomstandigheden niet aansluiten bij de daadwerkelijke toepassing.
Hoe beïnvloedt de isolatieklasse de temperatuur van een transformator?
De isolatieklasse is een belangrijk aandachtspunt bij het ontwerp van droge transformatoren.
Veel voorkomende isolatieklassen zijn onder meer Klasse F en Klasse H.
Isolatiesystemen van klasse F zijn ontworpen voor een hoger thermisch vermogen dan isolatiesystemen voor lagere temperaturen, terwijl klasse H een nog hogere thermische waarde biedt.
Een hogere isolatieklasse betekent echter niet dat een transformator zomaar bij een te hoge temperatuur mag worden gebruikt.
Er moet rekening worden gehouden met de temperatuurstijging, het isolatiesysteem, de omgevingstemperatuur, de belasting en het thermisch ontwerp.
Voor industriële toepassingen onder veeleisende bedrijfsomstandigheden biedt de keuze voor een geschikt isolatiesysteem extra thermische marge en kan dit bijdragen aan de betrouwbaarheid op lange termijn.
Hoe kan oververhitting van de transformator worden voorkomen?
Er zijn verschillende praktische maatregelen waarmee de bedrijfstemperatuur van een transformator kan worden verlaagd.
1. Kies het juiste kVA-vermogen
Kies een transformator niet uitsluitend op basis van de huidige gemeten belasting.
Houd rekening met de verwachte belastingstoename, de startomstandigheden van de motor, de inschakelduur, harmonische belastingen en toekomstige uitbreidingen.
Een transformator met de juiste capaciteit kan efficiënter werken en een redelijke thermische marge behouden.
2. Zorg voor voldoende ventilatie
Zorg voor voldoende vrije ruimte rondom de transformator en zorg ervoor dat de ventilatieopeningen niet worden geblokkeerd.
Bij installaties in een behuizing moet het ontwerp van de behuizing voorzien in een geschikte methode voor warmteafvoer.
3. Regel de omgevingstemperatuur
Installeer transformatoren waar mogelijk in een goed geventileerde schakelruimte.
In geval van omgevingen met hoge temperaturen dient u de verwachte omgevingstemperatuur met de fabrikant van de transformator te bespreken voordat u het ontwerp definitief vaststelt.
4. De temperatuur van de transformator controleren
Door de temperatuur te bewaken kunnen afwijkende bedrijfsomstandigheden worden opgespoord voordat deze tot ernstige storingen leiden.
Afhankelijk van de toepassing kan de bewaking bestaan uit temperatuursensoren, indicatoren voor de temperatuur van de wikkelingen, alarmen of andere beveiligingsvoorzieningen.
5. Controleer de belasting en de fasebalans
Meet de werkelijke stroom op alle fasen en vergelijk de belasting met het nominale vermogen van de transformator.
Als één fase aanzienlijk zwaarder wordt belast dan de andere, onderzoek dan de stroomverdeling stroomafwaarts.
6. Houd rekening met harmonische omstandigheden
Als de transformator een groot aantal frequentieregelaars, UPS-systemen, gelijkrichters of elektronische belastingen voedt, moet u de harmonische situatie beoordelen.
In sommige toepassingen kan een transformator die speciaal is ontworpen voor niet-lineaire of harmonischrijke belastingen geschikter zijn.
Hoe testen fabrikanten de temperatuurstijging van transformatoren?
Transformatorfabrikanten beoordelen de temperatuurstijging als onderdeel van het ontwerp- en testproces.
Bij het testen kan de transformator onder gecontroleerde omstandigheden worden ingeschakeld en kan de temperatuur op de juiste plaatsen worden gemeten, waaronder de wikkelingen en andere relevante onderdelen.
Voor industriële projecten dienen klanten vóór de productie de toepasselijke transformatornorm, het nominale vermogen, de spanning, de frequentie, het isolatiesysteem, de koelmethode en de vereiste tests te bevestigen.
De precieze testvereisten zijn afhankelijk van het type transformator, de geldende normen en de projectspecificaties.
Wanneer moet een hoge transformatortemperatuur worden onderzocht?
Een zekere temperatuurstijging is normaal tijdens het gebruik van de transformator. De belangrijkste vraag is of de temperatuur in overeenstemming is met het ontwerp en de bedrijfsomstandigheden van de transformator.
Onderzoek wordt aanbevolen wanneer u het volgende opmerkt:
- De temperatuur is aanzienlijk hoger dan verwacht
- Snelle temperatuurstijgingen
- Herhaalde warmtealarmen
- Transformator die op of boven de nominale capaciteit werkt
- Ongewone geluiden of geuren
- Verkleuring of zichtbare slijtage van de isolatie
- Slechte ventilatie of een geblokkeerde luchtstroom
- Aanzienlijke onbalans tussen fase en belasting
- Stijgende temperatuur na het aansluiten van nieuwe niet-lineaire belastingen
Als de transformator onder dezelfde belastingsomstandigheden plotseling warmer is geworden, moet de oorzaak worden onderzocht in plaats van zomaar aan te nemen dat een hogere temperatuur normaal is.
De juiste transformator kiezen voor uw toepassing
De temperatuurprestaties van een transformator hangen niet alleen af van het op het typeplaatje vermelde kVA-vermogen.
Houd bij het specificeren van een industriële droge transformator rekening met het volgende:
- Nominaal vermogen en verwachte belasting
- Primaire en secundaire spanning
- Eenfasige of driefasige configuratie
- een frequentie van 50 of 60 Hz
- Omgevingstemperatuur
- Installatiehoogte en omgeving
- Koelmethode
- Isolatieklasse
- Harmonische belastingsomstandigheden
- Eisen inzake behuizing en ventilatie
- Vereiste beveiliging en monitoring
- Toepasselijke normen en testvoorschriften
Voor toepassingen met afwijkende spanningsvereisten, hoge omgevingstemperaturen, niet-lineaire belastingen of beperkte inbouwruimte kan een op maat gemaakt transformatorontwerp een betere oplossing bieden dan de keuze voor een standaardmodel.
Op maat gemaakte droge transformatoren van Voltnex Power
Voltnex Power produceert droge transformatoren en scheidingstransformatoren voor toepassingen in de industrie, de commerciële sector, automatisering, machinebouw en stroomdistributie.
Onze transformatoroplossingen kunnen op maat worden gemaakt op basis van spanning, vermogen, frequentie, isolatie-eisen, behuizingsconfiguratie, koelingsvereisten en toepassingsomstandigheden.
Typische industriële toepassingen zijn onder meer CNC-machines, productielijnen, bedieningspanelen, bedrijfsgebouwen, automatiseringssystemen, projecten op het gebied van hernieuwbare energie en spanningsomzettingssystemen.
Geef bij het aanvragen van een offerte voor een transformator de volgende gegevens op: nominaal vermogen in kVA, primaire spanning, secundaire spanning, fase, frequentie, installatieomgeving en type belasting. Bij toepassingen waarbij frequentieregelaars, UPS-systemen, gelijkrichters of andere niet-lineaire belastingen betrokken zijn, dient u de informatie over de belasting te vermelden, zodat de transformator correct kan worden beoordeeld.
Een correct gespecificeerde transformator met een passend thermisch ontwerp kan zorgen voor een stabiele werking, een langere levensduur en een grotere betrouwbaarheid in veeleisende industriële omgevingen.
