Artikelen Smit Trafo

Inleiding.

In het artikel “Beproevingsprotocol Smit Transformatoren (3 april 1913)” wordt verteld dat Kees Spoorenberg een ordner vond met historische meet gegevens. Omdat hij een artikel aan het schrijven is over de verliezen van transformatoren was dit een zeer welkome vondst.

We beschikten nog niet eerder over de gebruikelijke waarden van het nullast- en kortsluitverlies van de allereerste transformatoren. Hier was nauwelijks iets over gepubliceerd, Smit Periodieke Mededelingen kwam pas voor het eerst uit in 1925. Brochures waren er in die tijd nog niet, die zouden dan ook in slechte aarde vallen. Het ging immers om een industrieel product dat door ingenieurs aangeschaft werd en niet om een consumentenartikel. Wel vermeldden oude leerboeken de verliezen uit het begin van de vijftiger jaren van de vorige eeuw maar gegevens uit de prille beginperiode ontbraken.

De gegevens uit de bewuste ordner hebben we geanalyseerd en worden besproken in het hoofdstuk “Analyse van historische meetgegevens”

Tevens hebben wij begin 2019 aan een transformator uit 1923 verliesmetingen kunnen verrichten en de gegevens gebruikt voor reverse engineering. Dit wordt besproken in het hoofdstuk “Metingen aan een transformator uit 1923 en reverse engineering“

Beide acties hebben een grote bijdrage geleverd aan onze kennis van het verleden.

Bij deze danken wij Jan Wiggelman van Smit Transformator Service voor de tijd die hij heeft gespendeerd aan het voorbereiden en uitvoeren van de metingen, het ter beschikking stellen van de meetinstrumenten en de inbreng van zijn kennis. 

1: Analyse van historische meetgegevens.

Uit de ordner hebben wij een kleine veertig beproevingsprotocollen geselecteerd op basis van de destijds meest voorkomende standaard types bij de openbare nutsbedrijven. Om te bepalen wat “standaard” was hebben wij ons laten leiden door “Geschiedenis van de Provinciale Geldersche Electriciteits-Maatschappij 1915-1940” Hoofdstuk VIII De Leidingnetten der Vennootschap, ervan uitgaande dat de situatie in Gelderland niet sterk afwijkende was van het landelijk gemiddelde. De gegevens uit de beproevingsprotocollen zijn in een spreadsheet geplaatst om nader geanalyseerd te kunnen worden.

Hieronder twee voorbeelden.

Afbeelding: Origineel meetprotocol van de 50 kVA transformator uit het artikel “Beproevingsprotocol Smit Transformatoren (3 april 1913)”.


Afbeelding: Spreadsheet van dezelfde transformator ten behoeve nadere analyse.  


De beproevingsruimte van Smit Slikkerveer in 1910, waar een vergelijkbare transformator uit dit artikel zijn eerste beproeving onderging. Ze staan met de "ruggen" tegen elkaar,  dus niet uit te sluiten dat ze parallel gespannen werden. Bron: Archief Brush HMA Ridderkerk.


Beproeving van twee één anker omvormers met bijbehorende transformatoren van Smit bij de Heemaf (11-11-1931). Bron: Historisch Centrum Overijssel te Zwolle.

Afbeelding: Origineel meetprotocol van een 150 kVA transformator.


Afbeelding: Spreadsheet van dezelfde transformator ten behoeve nadere analyse. 

5-5A Fotonr.10396 Beproeving door Prof Nolen

Beproeving van een oude gramme dynamo van Willem Benjamin Smit uit 1883 bij de Technische Hogeschool in Delft . Datering 1939 (bron: archief Brush HMA). Links Professor Nolen. 

Met “Herleide waarden” wordt bedoeld een herleiding van het nullast- en kortsluitverlies betrokken op een referentievermogen van 160 kVA. Hiertoe zijn de verliezen met de ¾ macht van de verhouding van het referentievermogen tot het naamplaatvermogen vermenigvuldigd. Tegenwoordig een gebruikelijke en doorgaans juist gebleken methode. Deze ¾ macht wordt de “groeimacht” of de “groeiwet” genoemd.  Na analyse bleek echter dat dit voor de afzonderlijke verliezen een minder nauwkeurige benadering was maar voor de totale verliezen redelijk klopte. Zie later in dit hoofdstuk.

De toenmalige beproevingsprotocollen vermelden geen wikkelingsweerstanden en de wikkelingstemperatuur waarbij gemeten is ontbreekt. Om het kortsluitverlies naar 75 oC om te rekenen (zoals de laatste 60 jaar gebruikelijk is) zijn daartoe aannames gedaan. Voorts bleek dat de verliezen van de wattmeters niet consequent werden afgetrokken en dat indien de meetstroom bij de kortsluitverliesmeting afweek van de nominale stroom men dit niet in rekening bracht. Men streefde er echter wel na om de meetstroom zo in te stellen dat deze nagenoeg gelijk was aan de nominale stroom.  Bovenstaande feiten beïnvloeden uiteraard de nauwkeurigheid doch zijn niet onoverkomelijk voor het onderzoek naar het niveau van de verliezen van de toenmalige transformatoren.

Met de gegevens uit de spreadsheets zijn de onderstaande grafieken gemaakt.

Opm : Het punt met nummer 8656 betreft de recente meting aan de 30 kVA uit 1923. Zie volgende paragraaf.

 

Grafiek 1.1: Po en Pk als functie van het vermogen.

Grafiek 1.2: De nullaststroom als percentage van de nominale stroom ( Io/Inom ) als functie van het vermogen. 

Conclusies:

  • Naarmate het vermogen toeneemt, neemt het kortsluitverlies meer toe dan het nullastverlies, zie grafiek 1.1 De transformator wordt dan relatief minder zwaar. Mogelijke oorzaken zijn de logistieke problemen in WO I waardoor het blik moeilijker te verkrijgen was en een beperking van het transportgewicht. De transformator was immers de zwaarste ondeelbare component van een transformatorhuisje en de transportmiddelen waren beperkt.
  • De groeimacht van Po is 0,64 die van Pk is 0,92 in deze kleine verzameling meetresultaten. Gemiddeld is dit 0,78, bijna gelijk aan de groeimacht van ¾
  • De verliezen zijn in dezelfde orde van grootte als die van de bij de openbare nutsbedrijven gebruikelijke transformatoren in de jaren vijftig van de vorige eeuw.
  • De nullaststroom, als percentage van de nominale stroom, neemt af met toenemend vermogen, zie grafiek 1.2. Dit geldt nog steeds bij de moderne transformatoren, alleen op een veel lager niveau. Ook is er een grote variatie, iets wat trouwens nog steeds zo is bij de moderne transformatoren.

2: Metingen aan een transformator uit 1923 en reverse engineering 

De transformator had de volgende gegevens:

Vermogen       :  30 kVA Voortdurend

Hoogspanning : 10250 – 10000 – 9750 – 9500 V Omklembaar.

Laagspanning :   380 V

Schakeling      :  YN zn 5

Koeling            : Natuurlijke olie koeling, zgn. ONAN koeling (gemeten zonder olie)

Trafo nr.          :  8656

Bouwjaar         :  1923

De constructieve details zijn te zien op de afbeeldingen. Een deel van de kastwand is ooit verwijderd om het binnenwerk te tonen. De aftakkingen in het sterpunt van de hoogspanningszijde zijn met een doorvoerisolator naar buiten gebracht zodat de sterpuntsverbinding aangesloten (omgeklemd) kon worden op de gewenste spanning. De draad van de hoogspanningswikkeling lijkt geïsoleerd te zijn met een katoen omspinning. Alvorens het nullastverlies bij volle bedrijfsspanning te bepalen is de isolatieweerstand tussen HS en LS + alle metalen delen met een Megger gemeten. De weerstand bleek nog dusdanig hoog te zijn dat er zonder risico gemeten kon worden. 

 
Detail van de hoogspanningswikkeling in een transformator van Smit met katoen wikkeling van Smit Draad uit de jaren twintig van de vorige eeuw.. Foto: Erik de Vries.

Resultaten van de nullastmeting.


Grafiek 1.2 Nullastverlies en nullaststroom als functie van de spanning in % van de nominale spanning, 380 V.

In grafiek 1.2 stijgen de verliezen gelijkmatig met de spanning, maar de nullaststroom stijgt eerst weinig en dan ineens sterk. Een verschijnsel dat zich nog steeds (ook bij het moderne kernmateriaal) voordoet. Een nullastverlies van 278 W bij nominale spanning mag voor die tijd als modaal beschouwd worden. De nullaststroom bij nominale spanning is 5,12 % van de nominale stroom is eveneens vrij normaal. ( zie ook grafiek 1.1 en 1.2 )

Grafiek 2.2 Nullaststroom per fase bij voeding op de in Z geschakelde LS-zijde.

In grafiek 2.2 zijn de nullaststromen per fase nagenoeg gelijk, terwijl bij een Y-schakeling de midden poot een duidelijk lagere nullaststroom heeft dan de buitenpoten. Het vermoeden is dat dit komt omdat we voeden op een Z-configuratie die de ongelijkheid verdeeld (de Io die we meten op een fase, bekrachtigt twee poten voor de helft ).  

 
Kees Spoorenberg en Erik de Vries doen de nullastmeting in het lab van Smit Transformatoren Service. Rechtsvoor, de bewuste transformator met duidelijk zichtbare doorvoeringen voor de aftakkingen in het sterpunt van de hoog spanningswikkeling.

Hieronder vergelijkbare foto's van lang vervlogen tijden bij Smit (1926),


Beproevingen en testen van transformatoren bij Smit in 1926. Bron: Stichting Willem Smit Historie Nijmegen.

 
Beproevingen en testen van transformatoren bij Smit in 1926. Bron: Stichting Willem Smit Historie Nijmegen. 


Bijgaand een foto van de eerste spantransformator waarschijnlijk voor de eerste 50 kV transformatoren gebouwd rond 1923. De wikkeling 50 kV werd beproefd met 150 kV maar de doorvoering moest 250 kV bij beregening kunnen houden. 

Resultaten van de kortsluitmeting.

Een opmerking vooraf: De y-assen in de navolgende grafieken beginnen niet bij nul.

Grafiek 3.1 De hoogspanning en de nominale stroom als functie positie van de doorverbinding op de doorvoeringen voor de aftakkingen. In de huidige techniek en daarmee samenhangend taalgebruik: “de stand van de aftakschakelaar” We zullen het hierna gemakshalve “HS-stand” noemen.

 
Grafiek 3.2 De kortsluitweerstand (ohmse deel van de kortsluitimpedantie) en de kortsluitreactantie ( het inductieve deel van de kortsluitimpedantie ) bij 15 oC als functie van de HS-stand.

 

Grafiek 3.3 Het kortsluitverlies en kortsluitspanning in % bij 15 oC  (de toenmalige referentie temperatuur) als functie van de HS-stand

Onderstaande tabel toont de uit de metingen (bij 20,6 oC) berekende kortsluitverliezen (Pk) en de kortsluitspanningen (Uk) bij een referentie temperatuur van 15 oC zoals destijds gebruikelijk was en bij 75 oC, de thans gangbare temperatuur. Met “temperatuur” wordt hier bedoeld de gemiddelde temperatuur van de hoog- en laagspanningswikkelingen.

Opvallend is de sterke stijging van de kortsluitspanning tussen 15 en 75 oC. Bij transformatoren met een groter vermogen of met lagere kortsluitverliezen gaat men er al snel van uit dat de kortsluitspanning bij 75 oC nagenoeg gelijk is aan die tijdens de meting, ca. 20 oC. Dat is bij dit soort transformatoren (gering vermogen en relatief hoog kortsluitverlies) dus onjuist. De oorzaak is gelegen in de grote bijdrage van de ohmse component in de kortsluitimpedantie. Zie grafiek 3.2

Eveneens opvallend is dat het extraverlies (het gemeten kortsluitverlies verminderd met het product van de gemeten wikkelingsweerstand en de nominale stroom) in vergelijking met grotere transformatoren uiterst gering is. Bij deze gemiddeld voor de vier HS-standen 2,93 % van het kortsluitverlies en bij de hoofdstand (10 kV): 2,92 % bij 15 oC . In de oude praktijk bij vermogens van een factor tien groter is dit percentage 10 tot 15 %

Het kortsluitverlies ligt in dezelfde orde van grootte als van alle 30 kVA ‘s, 10/ 0,380 kV transformatoren in die tijd ( zie grafiek 1.1 ). De kortsluitspanning is een eis van de klant, we zien dat bij de meeste transformatoren van 20 tot 150 kVA men een kortsluitspanning van ca. 3 tot 4 % hadden. Een populaire eis, ingegeven door een mix van, een minimum aan spanningsval door belasting, het afschakelvermogen aan LS-zijde en het constructief haalbare. 

De transformator is gemeten, de meetkabels zijn nog aangeklemd, maar de spanning is er af. We kijken tegen de opengewerkte kastwand waar voor de bescherming van het binnenwerk een stuk plexiglas voor zat. Van links naar rechts, Kees Spoorenberg, Jan Wiggelman en Erik de Vries.

 

Reverse engineering.

De vraag die je jezelf stelt. Kun je op basis van elektrische metingen, enige afmetingen van de transformator aan de buitenkant, ervaringsgetallen en natuurkundige wetten het ontwerp van de transformator reconstrueren. Dit kun je doen met een Smit transformator uit 1923, maar ook met een transformator van een andere fabriek. Je kunt je dan achterhalen wat de filosofie is bij het ontwerp en daar wordt je nooit dommer van.

Als eerste stap maak je met installatiedraad om elke poot een meetwikkeling met 2 windingen.  Je meet dan de overzetverhouding tussen HS en deze meetwikkeling en dan weet je dus het aantal windingen in de HS ( = 2940 ). Je doet hetzelfde met de LS ( = 126 rekening houdende met de “Z”schakeling ).

Als tweede stap bepaal je de opbouw van de kern. In dit geval is de kerndoorsnede opgebouwd uit 2 blikbreedtes van 100 mm en 60 mm met respectievelijk stapelhoogtes van 60 mm en 20 mm. De kerndiameter, dus de omschreven cirkel waarbinnen deze stapels blik zich bevinden, is dan 117 mm     Opm : Een moderne kern van een nettransformator bestaat uit ca 9 blikbreedtes om de vulfactor van het blik in de omschreven cirkel zo hoog mogelijk te krijgen.

Als derde stap bepaal je de nettodoorsnede van het blik. Dat is minder, omdat de blikjes van elkaar geïsoleerd zijn met papier, wat uiteindelijk een ijzerdoorsnede geeft van 7560 mm2.

Als vierde stap bepaal je de topwaarde van inductie in de kern. Die kun je  berekenen, want je weet nu het windingtal, de spanning en de ijzerdoorsnede. Via de wet van Faraday bereken je dan 1,2 Tesla. De verwachting was trouwens tussen 1,0 en 1,1 Tesla

Als vijfde stap bepaal je het kerngewicht uit de afmetingen van de kern en die bedraagt 135 kg. Het nullastverlies is 278 W, dus 278 W/ 135 kg = 2,1 W/ kg (bij nominale inductie). Bij 1,0 Tesla (10000 Gauss)  is het verlies 190 W en dus 1,41 W/kg. Zie ook grafiek 4.1 ( De lijn “Totaal verlies” is van toepassing ).

 

Grafiek 4.1 Epsteinmetingen aan blik, meestal uitgevoerd door de leverancier van het blik.

In de grafiek (4.1) van prof. Nolen wordt voor 1923 1,3 W/ kg vermeld, maar het blik kan ook uit 1922 stammen en dan komt het alweer dichter bij 1,41 W/ kg.

Een gelijksoortig proces kun je ook doen met de wikkelingen en dan resulteert dan in een kopergewicht bedraagt: 59,7 kg. De vulfactor van de wikkelingen (dus welk deel van de wikkeling is gevuld met koper ) is ca 0,60, en dat is een hoog getal. Je wikkelt tenslotte met ronde draad dat geïsoleerd is met omsponnen katoen en zo’n waarde bereik je alleen maar als je goed en nauwkeurig kunt wikkelen.

 

Als eindconclusie van de analyse van metingen van de eerste Smit transformatoren, de recente meting aan de 30 kVA uit 1923 en de reverse engineering kun je stellen.

De kern van nr 8656 was of “state of the art” in 1922. De epsteinmeting is nagenoeg gelijk aan de uitkomst van de  verliesmeting en dat betekent dat je een goede kern kunt maken.

De recente metingen van de 30 kVA uit 1923 liggen mooi in lijn met de historische data, dus meten, en dat is een vak, was ook op niveau.

Tevens weet je nu ook dat de wikkelingen nauwkeurig gewikkeld moeten zijn, gegeven de vul factoren van HS en LS.

Men kon de transformator op klantspecificatie , ontwerpen, in serie ( bijv. 5 stuks) bouwen en beproeven ( proefspanning en meting) . Met andere woorden men beheerste het vak, daarbij was het ontwerp in elektrische en mechanische zin gebaseerd op een standaard bouwwijze.  Hiermee vermeed men ingewikkelde storingsgevoelige constructies.

 

April 2019

Kees Spoorenberg
Erik de Vries  

Reacties mogelijk gemaakt door CComment

Cloud tag

Laatste artikelen

Laatste reacties

      LEES MEER

Wie is online

We hebben 138 gasten en geen leden online

Statistieken

Aantal bekeken pagina's
5312066
DMC Firewall is a Joomla Security extension!