Grunnprinsippa og oppbygging for en transformator

På et skip vil vi finne mange transformatorer. Er hovedspenningen om bord f.eks. høgspent eller 690 V eller 400 V så treng vi trafoer til å få spenninga ned til 230 V, som vi f.eks. bruker i innredning til lys og stikkontakter. Andre ting vi bruker trafoer til er styrestrøm til motorer.

I prinsippet består 1-fase transformatoren av en sluttet laminert jernkjerne med to hoveddeler, åk og ben. Rundt hvert ben er en eller flere elektriske ledere av isolert kobber eller aluminium viklet N antall ganger.

På en av viklingene tilføres det energi (primærsiden), mens det på den andre viklingen kan tappes ut energi (sekundærsiden). Primærviklingens vindingstall, eller antall ganger lederen er ført rundt benet, betegnes N1 og sekundærviklingens vindingstall N2.

Setter vi spenning på primærsiden U₁ så vil det flyte et magnetisk vekselfelt (fluks) i jernkjernen, som vil indusere en motspenning i primærviklingen. Magnetfeltet passerer også sekundærviklingen hvor det oppstår en indusert sekundærspenning, og en klemmespenning U₂ tatt ut av sekundærviklingen.

Forholdet mellom spenningene er ved tomgang lik forholdet mellom antall vindinger på spolene.

$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

• U₁ = klemmespenningen på primærsiden
• E₁ = den induserte spenning i primærviklingen
• U₂ = klemmespenningen på sekundærsiden
• E₂ = den induserte spenning i sekundærviklingen
• N₁ = antall vindinger i primærviklingen
• N₂ = antall vindinger i sekundærviklingen
• Φ = hovedfeltet som er bestemt av I₀ * N₁
• I₀ = transformatorstrømmen i tomgang
• n = vindingsforhold/vindingsforhold

Vindingsforhold og omsetningsforhold i enfase trafo

Figuren ovenfor viser et tomgangsbilde av transformatoren. Det vil alltid bli indusert den samme spenning pr. vinding både på primærsiden og sekundærsiden.

Ved en spole så er navnet på primær spenningen det man kaller selvinduksjonsspenningen, men i transformatorer så kalles den egentlig for motelektromotorisk kraft.

Forholdet mellom den primært og sekundært induserte spenning ved ubelastet transformator kalles transformatorens omsetningsforhold, og er lik forholdet mellom primære og sekundære vindingstall. Forholdet mellom antall primærvindinger og antall sekundærvindinger kaller vi vindingsforholdet (n). I en 1-fase-transformator er omsetninsforholdet lik vindingsforholdet.

Når transformatoren ikke er belastet så kan vi sette at U₁ = E₁ og U₂ = E₂

I en 1-fase-transformator er omsetningsforholdet / vindingsforholdet: $n = \frac{N_{1}}{N_{2}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$

I en 3-fase-transformator er omsetningsforholdet / vindingsforholdet: $n = \frac{N_{1}}{N_{2}} = \frac{U_{1fase}}{U_{2}\text{fase}} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$

Spenningen E₁ er motsatt rettet nettspenningen og oppfattes som en motspenning. Når transformatoren kjøres i tomgang og vi ser bort i fra tomgangstapene så kan vi sette

U₁ = E₁. Den lille forskjellen mellom U₁ og E₁ går med til å frembringe en primærstrøm stor nok til å bygge opp magnetfeltet i jernkjernen.

Primærstrømmen i tomgang kalles for transformatorens tomgangsstrøm, og dette er nesten en ren magnetiseringsstrøm som ligger 90° faseforskjøvet i forhold til nettspenningen.

Ved tomgang går det ingen strøm i sekundærviklingen og E₂ = U₂.

Transformatorens effektfaktor er ved tomgang alltid lav og den effekt transformatoren opptar er da meget liten.

De spenninger som angis på transformatorens dataskilt, gjelder alltid for ubelastet transformator. Dette gjelder både for 1-fasetrafoer og 3-fasetrafoer.

Nå vil nok de fleste transformatorer ha en toleranse på ca. 10 prosent innenfor spenningsområde.

Belastning av transformatorer

Først skal vi se på spenningene. Vi vet at det blir indusert den samme spenningen pr. vinding både på primærsiden og sekundærsiden. Klemmespenningen på primærsiden vil alltid være større enn den induserte spenningen i primærviklingen, altså U₁ > E₁. Klemmespenningen på sekundærsiden vil alltid være mindre enn den induserte spenningen i sekundærviklingen, altså E₂ > U₂. Transformatorens spenningsfall er ikke stort, men utgjør omtrent for begge viklinger ca. 3 til 10 %, avhengig av transformatorens størrelse og belastnings art.

Figuren ovenfor viser en belastet transformator, og hvor viklingene er fysisk adskilt fra hverandre, dette kaller vi for galvanisk skille.

Vi skal nå se på transformatoren når den blir belastet, og hva som skjer med spenning, strøm og fluks. Det vil nå flyte en strøm (I₂) i sekundærviklingen, og denne strømmen vil lage et magnetfelt som prøver å svekke hovedfeltet dvs. rettet motsatt av hovedfeltet (Φ). På utsiden av primærviklingen og sekundærviklingen vil det nå oppstå såkalte sprede felt eller strøfelt.

Hovedfeltet vil nå bli svekket av feltet som er forårsaket av strømmen på sekundærsiden (I₂). Vi vet at det er hovedfeltet som skaper E₁ og E₂, og når hovedfeltet svekkes så vil de induserte spenninger på primær- og sekundærsiden også svekkes. Dette medfører at E₁ blir mindre i forhold til U₁ slik at U₁ får et større overskudd (eller potensial forskjell) til å drive primærstrømmen I₁ gjennom primærviklingen, som igjen er nok til å opprettholde hoved fluksen (Φ). I tomgang så er det tomgangsstrømmen (I₀) som driver hovedfeltet. For å skape det nødvendige hovedfeltet så er dette bestemt av I₀ * N₁ d.v.s. amperevindingstallet i tomgang. Vi kan si at amperevindingstallet driver feltet som en spenning driver en strøm.

Ved belastning har vi derfor fått I₂ * N₂ som søker å skape et felt motsatt rettet hovedfeltet.

Ved belastning vil strømmene I₁ og I₂ forårsake at vi får spenningsfall i transformatoren. Det er to typer spenningsfall og det er ohmske spenningsfall og induktive spenningsfall. Det ohmske spenningsfallet er forårsaket av resistansen i viklingene. Når det gjelder det induktive spenningsfallet så er dette hovedsakelig frembrakt på grunn av sprede feltene, som igjen er forårsaket av primære og sekundære amperevindinger. Da sprede feltene er vekselfelter induserer de selvinduktansspenninger som er proporsjonale med strømmen i viklingene. Disse selvinduktansspenningene blir induktive spenningsfall som legges sammen geometrisk med det ohmske spenningsfallet til et samlet spenningsfall for transformatoren.

Når man skal beregne på transformatorer er det ofte man tar utgangspunktet i den ideelle transformator hvor virkningsgraden er lik 1. Dette vil igjen medføre at vi ser bort i fra spenningsfall og tap i transformatoren. Transformatorens ytelse er alltid oppgitt i voltampere (VA).

1-fase trafo

$\frac{N_{1}}{N_{2}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$

$Omsetningsforhold = \ n = \frac{N_{1}}{N_{2}}\ \ \ \ \ \ n = \frac{U_{1}}{U_{2}}\ \ \ \ \ \ n = \frac{I_{2}}{I_{1}}$

$S = U * I\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P = U * I * \cos\varphi$

---

Dersom virkningsgraden er 1:

Tilsynelatende effekt primært (S₁) = tilsynelatende effekt sekundært (S₂)

Aktiv effekt primært (P₁) = aktiv effekt sekundært (P₂)

Dersom en må ta hensyn til virkningsgrad:

$S_{1} = \frac{S_{2}}{\eta}$

3-fase trafo

En 3-fase-trafo må vi koble i trekant eller stjerne, derfor må vi bruke fase spenningene når vi beregner.

$\frac{N_{1}}{N_{2}} = \frac{U_{1fase}}{U_{2fase}}$

$Omsetningsforhold = \ n = \frac{N_{1}}{N_{2}}\ \ \ \ \ n = \frac{U_{1fase}}{U_{2fase}}$

$S = U * I * \ \sqrt{3}$ $P = U * I * \cos\varphi * \ \sqrt{3}$

$S_{1} = \frac{S_{2}}{\eta}$

Spenningsfall i trafo

Spenningsfallene angis over henholdsvis kortslutningsresistans (e_r), kortslutningsreaktans (e_x), og kortslutningsimpedans (e_z) ved merkestrøm som relative eller prosentuelle verdier referert til merkespenningen. Små transformatorer har større spenningsfall enn store transformatorer.

---

Tap i transformatorer

Dette tapet kan beregnes som konstant dersom det er koblet spenning til transformatoren. Tomgangstapet måles ved full spenning uten belastning ved merkefrekvens. Belastningstap består av strømvarmetap fordi strømmen må flyte gjennom en resistans i viklingene, samt såkalte tilleggstap som blant annet skyldes lekkfelt rundt viklingene. Tapet som utvikles ved belastning forandrer seg i sum proporsjonalt med belastningen i 2. potens.

Koppertapet skyldes resistansen i viklingene, og øker kvadratisk med belastningsstrømmen

$\mathrm{\Delta}P_{\text{cu}} = \ I^{2} * R$

Jerntap skyldes virvelstrømstap, hysteresetap og tap i spredefelt.

$\mathrm{\Delta}P = \ \mathrm{\Delta}P_{\text{jern}} + \ \mathrm{\Delta}P_{\text{cu}}$

Tapene i en transformator kan bestemmes indirekte ved å utføre to prøver før man setter transformatoren i drift:

• tomgangsprøve, bestemmer jerntapene
• kortslutningsprøve, bestemmer koppertapene

Tomgangsprøve

Tomgangsprøven utføres for å bestemme jerntapene i transformatoren. Under tomgang måler vi tomgangsstrømmen (I₀) og jerntapene som er satt sammen av hysteresetap og virvelstrømstap. Figuren under viser oppstillingen ved tomgangsmålingen.

Strømmen tilføres transformatoren fra en variac (auto trafo) hvor man får den ønskede spenning tilpasset transformatoren. Vanligvis ved denne prøven så tilfører man spenningen på lavspenningssiden hvis det er slik at den høyeste spenningen er over 230 V.

Amperemeteret vil nå måle tomgangsstrømmen (I₀), mens wattmeteret vil måle tomgangstapet $\mathrm{\Delta}P_{0}$. Den tilførte effekt som vi kan lese av på wattmeteret er da lik jerntap og viklingstap, og disse to tapene er forårsaket av tomgangsstrømmen. Viklingstap er koppertap

i den vikling som får tilført strømmen I₀, men denne er meget liten og derfor kan vi se bort i fra koppertap. Altså den effekten vi leser av i wattmeteret er effekten som tilsvarer transformatorens jerntap i watt, dette vil igjen si at transformatoren blir varm.

Tomgangsstrømmen (I₀) kan vi sette sammen av to strømkomponenter bestående av en aktiv strømkomponent og en reaktiv strømkomponent. Den aktive strømkomponenten (Ia) er meget liten og skyldes tap i trafojernet og i kopperviklingen. Den reaktive strømkomponenten (Iq) skaper feltet eller fluksen (φ), som igjen vil skape den induserte spenningen i viklingene (E1) og (E2).

Vi kan også bestemme tapene direkte ved å måle tilført effekt og avgitt effekt og så ta differansen.

---

Kortslutningsprøve

Ved kortslutningsprøven så tilkobles primærsiden en variac hvor vi kan regulere spenningen inn på transformatoren. Sekundærsiden blir kortsluttet ved hjelp av lasker eller ledninger. Oppkoblingen av kortslutningsprøven er vist i figuren under.

Normalt så legges kortslutningen på lavspentsiden, og spenningen og strømmen tilføres høyspenningssiden. Transformatoren skal nå tilføres en redusert spenning, for å oppnå en strøm i amperemeteret som skal tilsvare transformatorens merkestrøm ved full last. Merkestrømmen er den samme som nominell strømverdi.

Den tilførte effekten som nå kan leses av i wattmeteret kalles for kortslutningstapet eller viklingstapet. Dette tapet utgjør koppertapet i transformatoren når den går fullastet.

Den spenningen som skal til for å opprettholde den nominelle strømmen til transformatoren under denne prøven kalles for kortslutningsspenningen og kan avleses på voltmeteret. Hele denne spenningen går med til å dekke spenningsfallene i transformatoren.

$U_{k} = kortslutningsspenningen$

Kortslutningsspenningen blir som regel oppgitt i prosent og den er bare noen få prosent av den nominelle primærspenningen. Når den blir oppgitt i prosent så kalles den for «den prosentuelle kortslutningsspenningen».

Den prosentuelle kortslutningsspenningen: $\in \ = \frac{U_{k}}{U_{1N}} * 100\%$

---

Kjøling og kjølesystemer

Belastning / omgivelsestemperatur

Transformatorens merkeeffekt er referert til en maksimal omgivelsestemperatur (t_a maks), ofte 40°C eller 45°C. Dette er den maksimale temperaturen hvor transformatoren har de oppgitte egenskaper og kan levere sin oppgitte effekt. Ved høyere omgivelsestemperatur må belastningen reduseres. Motsatt vil en kunne belaste transformatoren litt mer ved lavere temperatur en t_a maks. Det er derfor viktig å ta hensyn til om transformatoren skal monteres i for eksempel et tett skap sammen med andre varmeavgivende apparater eller om den skal plasseres med mulighet for ventilasjon.

Nedenstående kurve viser transformatoreffekt/-merkeeffekt som funksjon av omgivelsestemperatur for de to vanligste isolasjonsklassene, klasse B (130°C) og klasse F (155°C).

Eksempler ut ifra kurven:

---

Kurven viser transformatoreffekt/-merkeeffekt som funksjon av omgivelsestemperatur for de to vanligste isolasjonsklassene, klasse B (130°C) og klasse F (155°C).

---

Oppbygging / Valg av materiale

Transformatorkjernen er ofte bygd opp av jern eller ferritt. På større transformatorer består jernkjernen av meget tynne (0,3mm) kaldvalsede laminerte blikkplater, isolert fra hverandre med et isolerende stoff som tåler temperaturer over 800ºC. I mindre transformatorer benyttes også båndkjerner, pulverkjerner eller ferrittkjerner. Det finnes mange typer blikkvaliteter med forskjellige parametere. Blikk med høyere kvalitet er dyrere, derfor bør blikkvaliteten vurderes nøye ut ifra frekvens, jerntap, bygge størrelse mm.

På større transformatorkjerner skråklippes vanligvis hjørnene i 45º vinkel for å redusere tapene og tomgangsstrømmen. I tillegg blir kjernetverrsnittet laget tilnærmet en sirkel. For å holde sammen platene kan en bruke isolasjonsbånd, bolter i åket eller lim, alt etter transformatorens størrelse. Kjernen og stålkonstruksjonen har ved aktuelt temperaturområde nærmest ubegrenset levetid. Viklingene består som regel av spoler av isolerte kobber eller aluminiums ledere som plasseres med forskjellige metoder på transformatorers ben.

Valg av kobber eller aluminiums ledere skjer under konstruksjonsprosessen. Dette velges avhengig av bruksområde, tekniske krav og størrelse på transformatoren. Aluminium er mest vanlig ved store effekter dersom det skal benyttes folievikling. Aluminium krever større tverrsnitt enn kobber, noe som vil øke størrelsen på transformatorkjernen med 5–8%.

Den delen av transformatoren som er mest sårbar er isolasjonsmaterialene. Dette er materialer som plasseres mellom viklingene, og mellom viklingene og transformatorkjernen. Isolasjonsmaterialene består av organiske stoffer som papir, bomull, presspan, plast etc. og er stoffer som med tiden blir sprø og får redusert mekanisk holdfasthet. Presspan er en spesiell papp, sammenpresset av spesialbehandlet cellulose, til enkelte behov også iblandet bomullsfibere. Denne mekaniske nedbrytingen av isolasjonen kan til slutt ødelegge transformatoren. Disse nedbrytende prosessene påvirkes av spenning, temperatur, fuktighet og øvrige driftsforhold.

For å gi transformatorer et akseptabelt støynivå, samt øke isolasjonsevnen (og dermed levetiden), kan hele transformatoren impregneres i en lakk. Dette skjer enten ved dypp- impregnering eller vakuum- impregnering, luft eller varmeherdende. En annen mulighet er å støpe transformatoren inn i en plastmasse, f.eks. polyuretan.

---

Noratel FR- isolertransformator.

Skilletransformator:

Felles for slike transformatorer er at de frembringer "et nytt nett" der alle eventuelle jordfeil på forsyningssiden er eliminert på sekundærsiden.

Koblingsskjema 1-fase transformator. Primær og sekundær viklingene er galvanisk adskilt.

Tegningen viser en Noratel transformator med 2-kammer spoleform. Her ser vi tydelig at det er to adskilte viklinger (skille-/isolertransformator). I tillegg er det isolasjon utenpå de deler av viklingen som jernkjernen omslutter. Dette benyttes ofte på klasse II ransformatorer som forsterket isolasjon.

Koblingsskjema 3-fase transformator. Primær og sekundær viklingene er galvanisk adskilt.

Disse må kobles i stjerne eller trekant.

Isolertransformator:

---

Autotransformator:

I Norge har vi 3-fase 230 Volt distribusjonsnett, et såkalt IT-nett. I praksis betyr det et nett der alle fas­er er isolert fra jord. Det er bare Norge og Albania som har slike distribusjonsnett.

Resten av Europa benytter et såkalt TN-nett - et 3-fase-nett der N-leder (stjernepunktet) er kort­sluttet mot jord. Alle 1-fase-kurser (230 Volt) blir tatt ut mellom N-leder og en av fasene. Dermed er altså en av fasene kortsluttet til jord.

Å legge en fase til jord vil bety katastrofe i forhold til jordfeilproblemer på et norsk nett.

Hvis vi tenker autotransformator 3 x 230 / 3 x 400 Volt får vi følgende situasjon:
En autotransformator består av kun en vikling pr. fase, - det betyr at det er full "gjennomgang" på alle faser fra 230 - 400 Volt.
Ved "korrekt installasjon" av TN-S-nett skal N-leder jordes, noe som betyr at alle faser inn/ut av auto­transformatoren får direkte kobling mot jord.

I Norge vil dermed E-verket registrere jordfeil på alle 1-fase-nett koblet mot autotransformatoren.
Det finnes bare en mulig løsning for å unngå slike problemer - Isolertransformator.

---

Skilletransformator (Isolertransformator)

En autotransformator kan ikke benyttes dersom det er aktuelt å endre fra IT- til TN-nett / eller omvendt.

Teoretisk kan en tenke at en elektrisk motor kun har behov for 3-faser 400 Volt. I så fall ingen styring/over­våkning basert på 230 Volt 1-fase strømtilførsel, for eksempel ingen kontaktor for start.

I Europa benyttes det ofte autotransformatorer - fordi alle installasjoner er basert på TN-S nett.
Dette medfører at mange maskiner/utstyr for 400 Volt blir levert fra Europa til Norge sammen med en autotransformator for å tilpasse 3x230 Volt.
Vår erfaring er at ingen ute i Europa har kunnskaper om 3x230 Volt IT-nett, og dermed kan det ofte opp­stå farlige situasjoner.

Norske nett opplever store og kostbare problemer med jordfeil, og E-verkene ser store fordeler i å in­stallere isolertransformatorer der det er fornuftig.
Målet er på denne måten å forsøke å redusere antall jordfeil, og på den måten unngå ulykker som brann og elektriske støt som kan få dramatiske følger.

Strømtransformator:

---

Forskjellen mellom strøm- og spennings­transformator

I motsetningen til en spenningstransformator, hvor man opererer med konstant spenning, har man ved strømtransformatorer en konstant strøm. Det betyr at strømmen vil være (tilnærmet) konstant selv om man varierer belastningen, i motsetningen til en spenning­stransformator, der utgangsstrømmen øker når belast­ningen øker.

Faktum er at man kan kortslutte utgangen på en strømtransformator uten at det har noen konsekvenser. Strømmen er uansett konstant. Faktisk er strømtrans­formatoren i en tomgangssituasjon når den har kort­sluttet utgang. Dette er det stikk motsatte av en spen­ningstransformator, som er i en tomgangssituasjon når sekundærklemmene er åpne (ingen tilkopling). De fleste som har litt kjennskap til strøm, er sikkert klar hva som vil skje om man kortslutte utgangen på en spen­ningstransformator. Ettersom spenningstransformato­ren prøver å opprettholde sin konstante spenning ut, vil strømmen øke voldsomt, og dersom det ikke er en sikring som løser ut, vil spenningstransformatoren raskt gå varm og «brenne opp». Her ligger den største prak­tiske forskjellen mellom de to transformatortypene.

Byrde og overstrømsiffer

Strømtransformatoren er altså i tomgang når vi kort­slutter utgangen. For å belaste den må vi erstatte ko­rtslutningen med en belastning i form av en motstand. I terminologien for strømtransformatorer kalles belast­ningen for en «byrde». (Man tilkobler en byrde og ikke en belastning.) Byrden oppgis i VA. Ettersom strømmen er konstant, vil byrden øke med økende motstand.

Byrden blir da 5 V x 5 A = 25V A. Hvis man øker mot­standen i byrden til 2,0 ohm, øker spenningen over byrden til 10 V og byrden blir da 10 V x 5 A = 50 VA.

Fortsetter man å øke motstanden i byrden, vil spennin­gen over byrden øke i takt og strømtransformatoren vil etter hvert gå i metning. (Spenningen på sekundær­siden, over byrden, avspeiler også spenningsforholdet på primærsiden og strømtransformatoren vil gå i metning på samme måte som en spenningstransformator når primærspenningen blir for høy.)

Det som da skjer, er at transforma­toren kjøres inn og ut av dyp metning for hver periode av strømmen og det induseres meget høye spenning­spulser over sekundærklemmene. I tillegg til å kunne ødelegge isolasjonen i transformatoren vil disse høye spenningstransientene også kunne være livsfarlige for personer som måtte komme i kontakt med terminalene.

Derfor er regelen:

En strømtransformator som ikke har sin nominelle byrde tilkoplet skal ha sekundærklemmene kortsluttet.

Normalt skal ikke en strømtransformator gå i metning ved nominell strøm og nominell byrde og det er der­for av betydning at man tar hensyn til metningspunk­tet når man konstruerer denne type transformatorer. Det som skjer når en strømtransformator går i metning er at en økning i primærstrømmen ikke korrekt trans­formeres over til sekundærsiden. (Det oppstår en øket transformeringsfeil.) Dette er en situasjon som oppstår gradvis ettersom man beveger seg inn i metningsområ­det og det er et definisjonsspørsmål når man anser at transformatoren har gått i metning. Ofte definerer man metningspunktet der hvor transformeringsfeilen har økt til 10%.

Hvis vi ser grovt på det, har vi to typer strømtransfor­matorer: Måletransformatorer og relétransforma­torer. Disse konstrueres forskjellig når det gjelder met­ningspunktet. En måletransformator er normalt tilkoblet måleinstrumenter av et eller annet slag for å registrere og måle strømverdiene innen transformatorens arbeidsområde, som normalt er innenfor 5%-120% av nominelt angitt strøm. Hvis det skulle skje en feil slik at strøm­men på primærsiden øker ut over den nominelle ver­dien, vil denne strøm økningen også bli transformert til sekundærsiden der måleinstrumentene er tilkoblet. Blir strøm økningen for stor vil den kunne ødelegge in­strumentene. Ved å lage strømtransformatoren slik at den går i metning før sekundærstrømmen blir ødeleggende, kan man beskytte instrumentene.

La oss anta at strømtrafoen på 1000/5A, nevnt ovenfor, er klasse 1,0 og har en nominell byrde på 25 VA og at det er ønskelig at trafoen skal gå i metning før strøm­men har øket 5 ganger (en maksimumsverdi), altså før sekundærstrømmen har øket til 5 A x 5 = 25 A. Da må transformatoren konstrueres slik at den går i metning før spenningen over byrden blir 25 V. (25 A x 1,0 ohm = 25V) Dette angis på følgende måte i spesifikasjonen: 1000/5A 25 VA kl.1,0 Fs5

I motsetningen til en måletransformator, blir en relé­transformator normalt koblet til en utrustning med et beskyttelsesrelé som skal tre i funksjon dersom det skjer en feil/kortslutning i strømnettet. En slik feil kan være opphav til meget store strømmer og det er vik­tig at transformatoren ikke går i metning før den har utløst beskyttelses reléet. Av den grunn angir man for relétransformatorer hvor mange ganger nominell strøm de skal tåle før de går i metning (en minimumsverdi). La oss anta at vår trafo på 1000/5 A 25 VA hadde vært en relétransformator som vi ønsket først skulle gå i metning ved mer enn 20 ganger nominell strøm (5 A x 20 = 100 A). Da ville spesifikasjonen kunne se ut som følger: 1000/5A 25VA kl.5P20

I dette tilfellet må transformatoren konstrueres slik at den først går i metning ved en spenning over byrden på mer enn 100V (100A x 1,0 ohm = 100V)

De angitte grenseverdiene for forholdet mellom nom­inell strøm og metningsstrøm kalles generelt for «over­strømsiffer». På engelsk brukes uttrykket ALF (Accuracy Limiting Factor).

For relétransformatorer skal det alltid oppgis over­strømsiffer i spesifikasjonen.

Skal du bestille en strømtrafo må leverandøren vite:

• Ønsket omsetningsforhold – primærstrøm og sekundærstrøm (f.eks. 500 A / 5 A).
• Senterhull i transformatoren / dimensjon på primærlederen – skal det brukes skinne eller kabel? (Eksempel: skinne 10×50 mm eller innvendig diameter > 50 mm).
• Ønsket belastning (effekt) (VA) og nøyaktighetsklasse.
  (Eksempel: 20 VA, klasse 0.5 – se IEC 60044–1).
• Overstrøms faktor må oppgis for reletrafoer og kan oppgis for måletrafoer.
• Avstand mellom primærledere i et 3-fase system
• Dersom spesielle festeløsninger ønskes (f.eks. festeskruer, DIN-skinnefester osv.)
• Spesifiser om det er en måletransformator eller en reletransformator (dette fremgår ofte av den oppgitte klasseangivelsen)

Minimum spesifikasjon av strømtrafoer:

En minimumsspesifikasjon for en reletransformator med omsetningsforhold 1000 A til 5 A, belastning 30 VA, nøyaktighetsklasse 5 %, overstrømsfaktor 20 (20 ganger merkestrøm) og senterhull med min. 50 mm diameter, kan formuleres slik:

1000/5A 30VA kl.5 P20 ID>50mm

En tilsvarende spesifikasjon for en måletransformator i en vindustransformator-applikasjon, med forhold 400 A til 5 A, belastning 10 VA, nøyaktighetsklasse 0,5 %, overstrømsfaktor 5 (5 ganger merkestrøm) og senterhull med min. diameter 30 mm, kan se slik

400/5A 10VA kl.0,5 Fs5 ID>30mm

Nøyaktighetsklasser

I tillegg til byrde i VA og eventuelt angivelse av over­strømsiffer skal spesifikasjonen for en strømtransfor­mator alltid inneholde angivelse av nøyaktighetsklassen. Definisjonen av de forskjellige nøyaktighetsklassene er angitt i IEC 60044–1.

For relétransformatorer finnes det to nøyaktighetsklasser: Klasse 5P og klasse 10P. Disse angis foran overstrøm­sifferet. For eksempel slik: 1000/5A 30VA kl.5P20.

Vernetransformator:

SELV:

SELV beskriver en spenning som ikke overstiger 50 VAC eller 120 VDC (rippelfri) mellom ledere, eller mellom enhver leder og jord i en strømkrets som er isolert fra nettspenningen med en vernetransformator. Med "rippelfri" menes normalt en RMS rippel spenning med ikke mer enn 10% av DC komponenten.

SELV-strømkrets:

Beskriver en ekstra-lavspenningskrets med beskyttende skille fra andre kretser, og som ikke har eller krever noen form for jordingstilkobling.

PELV-strømkrets:

Beskriver en ekstra-lavspenningskrets med beskyttende skille fra andre kretster, og som på grunn av funksjonelle årsaker skal ha jordingstilkobling.

FELV-strømkrets:

En ekstra-lavspenningskrets som av funksjonelle årsaker ikke oppfyller kravene for SELV eller PELV.

Sikkerhetsklasser for transformatorer

Dette er en beskrivelse av sikkerhetsklasser (beskyttelsesklasser) for elektrisk utstyr, og i dette tilfellet transformatorer, definert i henhold til IEC 61140 (og beslektede standarder som EN 61558 for transformatorer).

Disse klassene angir hvordan beskyttelse mot elektrisk støt er oppnådd, og de gjelder for alt elektrisk utstyr – ikke bare transformatorer – og beskriver hvordan brukeren er beskyttet ved en isolasjonssvikt.

Sikkerhetsklasser for beskyttelse mot elektrisk støt:

Klasse	Beskrivelse
Klasse I	Beskyttelse basert på grunnisolasjon og en beskyttelsesjording. Hvis isolasjonen svikter, skal en jordet kapsling lede strømmen bort via jordleder.
Klasse II	Beskyttelse ved dobbel eller forsterket isolasjon. Ingen jordforbindelse er nødvendig eller tillatt. En slik transformator har et dobbelt lag med isolasjon mellom strømførende deler og berør bare deler.
Klasse III	Beskyttelse basert på at utgangen er en SELV-krets (Safety Extra Low Voltage), maks 50 VAC eller 120 VDC. Ingen jordforbindelse er nødvendig. Hele systemet holdes på et trygt spenningsnivå.

Disse klassene har ikke direkte med isolasjon mellom primær og sekundær vikling å gjøre, men heller hvordan hele konstruksjonen beskytter mennesker mot elektrisk støt.

Relevante standarder:

• IEC 61140 – Beskyttelse mot elektrisk støt
• EN/IEC 61558 – Sikkerhet for transformatorer, kraftforsyninger m.m.
• IEC 60364 – Lavspenningsinstallasjoner, for klassifisering av forsyningssystemer og jordingsmåter.

Transformatorens merkeverdier

IP beskyttelsesgrader

Tilleggsbokstav

En eventuell tilleggsbokstav angir beskyttelse av personell mot direkte kontakt med strømførende deler.

(Når den faktiske personbeskyttelsen mot direkte kontakt med strømførende deler er bedre enn det som angis av det første tallet).

A - Med håndens bakside (Ø 50mm).

B - Med fingeren (Ø 12mm, L=80mm).

C - Med et Ø 2,5mm, L=100mm redskap.

D - Med en Ø 1mm, L=100mm ledning.

Definisjoner

Transformator

---

Autotransformator

Skilletransformator

Isolertransformator:

!!!turkisbox "
En isolertransformator er en skilletransformator med beskyttende skille mellom primær og sekundær viklingene.

Vernetransformator

Måletransformator

SELV

Transformator sikkerhetsklasser

Transformatorens merkeverdier

Eksempel på beregning av enfase trafo:

Løsningsforslag

a)

$n = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{400}{230} = 1,74$
$n = \frac{N_{1}}{N_{2}}\ \ \ \ \rightarrow \ \ \ \ \ N_{2} = \frac{N_{1}}{n} = \frac{600}{1,74} = \underline{\underline{345\ vindinger}}$

---

b)

$P_{2} = \ S_{2} * \cos\text{φ } = 60 * 0,91 = \underline{\underline{54,6 W}}$     $\cos\varphi = 0,91\ \rightarrow \sin\varphi = 0,415$
$Q_{2} = \ S_{2} * \sin\varphi = 60 * 0,415 = \underline{\underline{24,9\ VAr}}$

c)

$S_{1} = \frac{S_{2}}{\eta} = \frac{60}{0,95} = \underline{\underline{63,16\ VA}}$
$P_{1} = \ S_{1} * \cos\text{φ } = 63,16 * 0,91 = \underline{\underline{57,48\ W}}$
$Q_{1} = \ S_{1} * \sin\varphi = 63,16 * 0,415 = \underline{\underline{26,21\ VAr}}$

d)

$I_{h1} = \frac{S_{1}}{U_{1}} = \frac{63,16}{400} = \underline{\underline{0,16\ A}}$
$I_{h2} = \frac{S_{2}}{U_{2}} = \frac{60}{230} = \underline{\underline{0,26\ A}}$

Noratel – FR trafo.

Innkapslet enfaset skilletransformator, konstruert og testet i henhold til EN61558–2-4.
FR-transformatorene har separate isolerte viklinger, er støpt i selvslukkende polyuretan og innkapslet i plast. For fast installasjon, enkel og rask montering i skap eller tavler. Produsert i henhold til krav fra DNV, Lloyd's Register of Shipping og Bureau Veritas, som inkluderer omgivelsestemperatur på 45 °C. Konstruksjonsklasse II. Modellene FR60B, FR78B og FR84B leveres med integrert, valgfritt DIN-skinnefeste. Beskyttet mot utilsiktet berøring, konstruert for montering i skap eller tavler.
Industriell skilletransformator beregnet for installasjon i prosessindustri, skipsbygging og tavler. Egnet for installasjoner som krever beskyttende skille mellom inn- og utgang.

Eksempel på beregning av trefase trafo:

---

Løsningsforslag

a)

$S_{1} = \ \sqrt{3} * U_{1} * I_{1} = \ \sqrt{3} * 3300 * 10 =\underline{57158\ VA}$

$S_{2} = \ S_{1} * \eta = 57158 * 0,95 = \underline{54300 VA} = \underline{\underline{54,300\ kVA}}$

$P_{2} = \ \sqrt{3} * U * I * \cos\varphi = \ S_{2} * \cos\varphi = 54,300 * 0,91 = \underline{\underline{49,413\  kW}}$

b)

$Y - \ I_{1fase} = \frac{I_{h1}}{\sqrt{}3} = \frac{10}{\sqrt{}3} = \underline{ \underline{5,77\ A}}$
$Y - U_{1\ fase} = U_{1\ h} = \underline{ \underline{3300\ V}}$

c)

$\mathrm{\Delta} - I_{2h} = \frac{P_{2}}{\sqrt{3} * U_{2} * \cos\varphi} = \frac{49413}{\sqrt{3} * 400 * 0,91} = \underline{ \underline{78,36\ A}}$
$\mathrm{\Delta} - \ U_{2\ fase} = \frac{U_{2h}}{\sqrt{3}} = \frac{400}{\sqrt{3}} = \underline{ \underline{230,94\ V}}$

d)

$n = \frac{U_{1\ fase}}{U_{2\ fase}} = \frac{3300}{230,94} = \underline{ \underline{14,29 \approx 14}}$

Noratel type 3LT-AFWF.

Noratel introduserer en helt ny serie transformatorer med vannkjølte kapslingsløsninger for distribusjons- og omform-transformatorer, både lav- og mellomspenning.
AFWF-designet bygger på velprøvd teknologi, med Noratels vekt på høy grad av tilpasning for fleksible mekaniske løsninger og enkel installasjon på stedet.

AFWF-designet transporterer varmetap effektivt bort fra transformatoren og omgivelsene, slik at en stabil omgivelsestemperatur opprettholdes uavhengig av plassering eller årstid.
Designet reduserer også behovet for kjøleeffekt fra omgivelsene.

---

Bruksområder

Typiske bruksområder er skipsbygging, offshore og prosessindustri, der det stilles krav til lav varmeutvikling fra omgivelsene.

Tekniske detaljer:

• Konstruert i henhold til IEC60726 og IEC60076-standarder – CE-merket
• Isolasjonsklasse F/H
• Lavt støynivå
• Standard effekter fra 400 kVA til 5000 kVA, andre størrelser på forespørsel
• Spenningsområde opp til 12 kV
• AFWF-design
• Ferskvannskjøler (maks 38 °C på tilført vann)
• Lekkasjesikring, vannmåler og PT100-sensorer i både transformator og kapslet luftrom
• Kabelinnføring fra bunnen eller tilpasses etter ønske
• Effektiv viftebasert radiator-kjøling – opptil 30 % økt ytelse
• Radiatorkjølere med enkelt- eller dobbeltkjølerør
• Driftsspenning til internbruk tas fra hoved transformator eller integrert styrestrømtransformator
• Design basert på 5 standard kapslingsstørrelser