Elektrische energie vervoeren

Het elektriciteitsnet
De elektrische energie die je thuis verbruikt, komt uit een elektriciteitscentrale. Daar staan een grote dynamo’s die generatoren genoemd worden. De generatoren leveren een wisselspanning van 10.000 à 20.000 volt.

Het handige van een wisselspanning is dat hij gemakkelijk omgezet kan worden in een hogere of een lagere spanning. Je zegt dan dat de wisselspanning omhoog of omlaag wordt getransformeerd. Het apparaat dat de spanning transformeert, heet een transformator.De spanning van de generatoren wordt bij de centrale omhoog getransformeerd tot een hoogspanning van maximaal 400.000 V. De elektrische energie kan zo met het minste energieverlies vervoerd worden: hoe hoger de spanning, des te kleiner is het energieverlies in de leidingen.

Bovengrondse hoogspanningsleidingen vervoeren de elektrische energie naar verschillende verdeelstations. In die stations wordt de spanning weer naar beneden getransformeerd tot 10.000 V. Daarna wordt de elektrische energie via ondergrondse kabels vervoerd naar woonwijken en industrieterreinen.

In elke woonwijk staan één of meer transformatorhuisjes. In zo’n huisje wordt de spanning nog verder naar beneden getransformeerd: nu naar 230 volt. Daarna pas wordt de elektrische energie naar de woningen getransporteerd.

Transformatoren in huis
Het lichtnet levert een wisselspanning met een frequentie van 50 Hz. De spanning verandert volgens een golfpatroon dat zich 50 per seconde herhaalt: van 325 volt via 0 volt naar -325 volt en weer omhoog naar 325 V enzovoort.

Voor apparaten zoals een gloeilamp of een strijkijzer maakt het niet uit of ze op deze wisselspanning werken of op een gelijkspanning van 230 V. Daarom zeg je: de effectieve spanning van het lichtnet is 230 V.

Een (effectieve) spanning van 230 V is voor allerlei toepassingen nog te hoog. Daarom vind je in huis verschillende transformatoren die de spanning verder naar beneden brengen.

De werking van een transformator
In het plaatje zie je een eenvoudige transformator. De transformator bestaat uit een primaire spoel en een secundaire spoel die om een weekijzeren kern zijn bevestigd.

  1. Als de primaire spoel wordt aangesloten op een wisselspanning, loopt er een wisselstroom doorheen. Daardoor wordt de primaire spoel een elektromagneet. Doordat de stroom steeds van grootte en richting verandert, doet het opgewekte magneetveld dat ook.
  2. De weekijzeren kern wordt op deze manier gemagnetiseerd. De magnetiseri ng verandert mee met het magneetveld van de primaire spoeL
  3. Het gevolg is dat er ook in de secundaire spoel een veranderend magneetveld ontstaat. Dit magneetveld wekt een wisselspanning op tussen de uiteinden van de secundaire spoel.

De elektrische energie die de primaire spoel opneemt, wordt door de secundaire spoel weer afgegeven. Toch loopt er geen stroom van de primaire naar de secundaire spoel. De energie wordt vervoerd door het magneetveld; daar komt geen elektriciteit aan te pas. Je zegt daarom dat de spoelen magnetisch aan elkaar gekoppeld zijn.

Transformatoren en veiligheid

Transformatoren worden vaak gebruikt als veiligheidstransformator.
De beltransformator in het figuur hiernaast is een goed voorbeeld: hij zet de netspanning van 230 V om in een veilige spanning van 8 volt. De twee stroomkringen zijn elektrisch helemaal van elkaar gescheiden. Wat je ook doet met de secundaire stroomkring, je kunt nooit in aanraking komen met 230 V.

De spanning waarop de primaire spoel aangesloten wordt, noem je de primaire spanning of Up. De spanning die de secundaire spoel levert noem je de secundaire spanning of Us.

Met een transformator kun je een spanning omhoog transformeren (dan is Us groter dan Up) of omlaag transformeren (dan is Us kleiner dan Up). Een beltransformator transformeert de spanning natuurlijk naar beneden.

Of de spanning hoger of lager wordt, hangt af van het aantal windingen van de beide spoelen. Als de secundaire spoel meer windingen heeft dan de primaire spoel, wordt de spanning omhoog getransformeerd. Als de secundaire spoel minder windingen heeft dan de primaire spoel, wordt de spanning omlaag getransformeerd. Voor een transformator geldt:

In deze formule is Np het aantal windingen van de primaire spoel, en Ns het aantal windingen van de secundaire spoel. Je ziet:

Enzovoort.

Het rendement van een transformator
Transformatoren hebben een hoog rendement. Van de opgenomen elektrische energie wordt maar een klein deel omgezet in warmte. De secundaire spoel geeft bijna evenveel elektrische energie af als de primaire spoel opneemt. Grote transformatoren hebben een rendement dat boven de 99% ligt

Bij het maken van berekeningen wordt vaak aangenomen dat een transformator een rendement heeft van 100%. Voor zo'n ideale transformator geldt:

door de primaire spoel   door de secundaire spoel
  =  
opgenomen elektrisch vermogen   afgegeven elektrisch vermogen

 

In formulevorm:

of:

Je ziet: als de spanning omhoog wordt getransformeerd, is de stroom in de secundaire spoel lager en omgekeerd.

Voorbeeld
Een lasapparaat wordt aangesloten op een stopcontact. De secundaire spanning is 48 V. Door de primaire spoel kan maximaal 16 A lopen (anders slaat de stop door).
Bereken hoe groot de secundaire stroom op zijn hoogst kan worden.

Gegevens primaire spoel Gegevens secundaire spoel
Up = 230V Us​ = 48V
Ip​ = 16A Is = ...
   
Pp = Up x Ip Ps = Us x Is
Pp = 230 x 16 = 3680W Ps = 48 x Is
Voor een ideale transformator geldt:  
Pp = Ps  
3680 = 48 x Is  

 


Plus - De adapter
Om een mobieltje op te laden, heb je een adapter nodig. Zo'n adapter is een transformator die netjes is opgeborgen in een plastic omhulsel. Je sluit de adpater met een snoer aan op het stopcontact. De adapter levert een veilige spanning van bijvoorbeeld 8 of 12 volt.

Voor het opladen van een mobieltje of een mp3-speler is een gelijkspanning nodig. De adapters voor deze apparaten bevatten daarom behalve een transformator ook een gelijkrichter. Dat is een speciale schakeling die van een wisselspanning een gelijkspanning maakt.

Adapters zijn niet geschikt om grote stroomsterktes te leveren. Dan zouden ze te heet worden. Het vermogen dat ze kunnen leveren, is dus beperkt.

Voorbeeld
Bereken het maximale vermogen dat de adapter hiernaast kan leveren.

Voor het geleverde vermogen moet je kijken naar de output:

Pel = U x I = 2,4 x 0,24 = 0,58W