Was Transformatoren angeht, muss man die Grundlagen beherrschen!

2. Wie transformiert der Transformator die Spannung?

Transformatoren basieren auf elektromagnetischer Induktion. Sie bestehen aus einem Eisenkern, der mit Siliziumstahlblechen ummantelt ist, und zwei Spulensätzen, die um den Eisenkern gewickelt sind. Eisenkern und Spulen sind voneinander isoliert und nicht elektrisch verbunden.

Die Spule, die den Transformator mit der Stromversorgung verbindet, wird Primärspule (oder Primärseite) genannt, die Spule, die den Transformator mit dem angeschlossenen elektrischen Gerät verbindet, Sekundärspule (oder Sekundärseite). Wird die Primärspule eines Transformators an eine Wechselstromquelle angeschlossen, entstehen im Eisenkern sich ändernde Magnetfeldlinien.

Da die Sekundärspule um denselben Eisenkern gewickelt ist, durchschneidet das Magnetfeld die Sekundärspule, wodurch eine elektromotorische Kraft induziert wird. Dies führt dazu, dass an beiden Enden der Spule eine Spannung anliegt. Da die Magnetfeldlinien wechseln, ist auch die Spannung in der Sekundärspule wechselnd. Ihre Frequenz entspricht exakt der Netzfrequenz.

Theoretisch lässt sich bestätigen, dass das Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspule eines Transformators vom Windungsverhältnis der Primär- und Sekundärspule abhängt. Dies lässt sich durch folgende Formel ausdrücken: Primärspannung / Sekundärspannung = Windungszahl Primärspule / Windungszahl Sekundärspule. Je mehr Windungen, desto höher die Spannung. Hat die Sekundärspule weniger Windungen als die Primärspule, spricht man von einem Abwärtstransformator. Das Gegenteil ist ein Aufwärtstransformator.

3. Welche Arten von Transformatoren gibt es?

(1) Je nach Anzahl der Phasen unterscheidet man zwischen Einphasen- und Dreiphasentransformatoren.

(2) Nach Verwendungszweck unterscheidet man Leistungstransformatoren, Spezialleistungstransformatoren, Spannungsreglertransformatoren, Messtransformatoren (Spannungswandler, Stromwandler), Kleinleistungstransformatoren (für Geräte mit geringer Leistung) und Sicherheitstransformatoren.

(3) Hinsichtlich des Aufbaus gibt es zwei Typen: Kern- und Manteltransformatoren. Die Spulen sind als Doppel- und Mehrfachwicklungen ausgeführt und werden als Spartransformatoren eingesetzt.

(4) Nach der Kühlmethode unterscheidet man zwischen ölgekühlten und luftgekühlten Geräten.

4. Aus welchen Komponenten besteht der Transformator?

Die Komponenten eines Transformators bestehen hauptsächlich aus Eisenkernen und Spulen sowie Öltanks, Ölkissen, Isolierhülsen und Anzapfköpfen.

5. Wozu dient Transformatorenöl?

(1) Isolierwirkung;

(2) Wärmeableitung;

(3) Den Bogeneffekt eliminieren.

6. Was ist ein Spartransformator?

Der Spartransformator besitzt nur einen Spulensatz, wobei die Sekundärspule von der Primärspule abgezweigt ist. Neben der Übertragung elektromagnetischer Induktion überträgt die Sekundärspule auch elektrische Energie. Dieser Transformator benötigt weniger Siliziumstahlbleche und Kupferdrähte als herkömmliche Transformatoren und wird häufig zur Spannungsregelung eingesetzt.

7. Wie wird der Spannungsregler eingestellt?

Der Aufbau des Spannungsreglers ist derselbe wie der des Spartransformators, jedoch ist der Eisenkern zu einer Ringkernspule geformt und um den ringförmigen Eisenkern gewickelt.

Der Sekundärspulenabgriff verwendet einen verschiebbaren Bürstenkontakt, der ringförmig über die Spulenoberfläche gleitet, um eine gleichmäßige Spannungsregelung zu erreichen.

8. In welchem ​​Verhältnis stehen die Primärspule und die Sekundärspule des Transformators zueinander?

Wenn der Transformator unter Last betrieben wird, bewirkt die Änderung des Sekundärspulenstroms eine entsprechende Änderung des Primärspulenstroms. Gemäß dem Prinzip des magnetischen Potenzialausgleichs ist der Strom in Primär- und Sekundärspule umgekehrt proportional zur Windungszahl der Spule. Die Seite mit mehr Windungen führt einen geringeren Strom, die Seite mit weniger Windungen einen höheren.

Dies lässt sich durch folgende Formel ausdrücken: Primärspulenstrom / Sekundärspulenstrom = Sekundärspulenwindungen / Primärspulenwindungen.

9. Wie hoch ist die Spannungsänderungsrate des Transformators?

Die Spannungsänderungsrate des Spannungsreglers ist einer der wichtigsten Leistungsindikatoren des Transformators. Wenn der Transformator die Last mit Strom versorgt, sinkt die Spannung am Lastanschluss zwangsläufig ab. Der Spannungsabfall wird mit der Nennspannung verglichen, und die prozentuale Abweichung ergibt die Spannungsänderungsrate.

Sie lässt sich durch folgende Formel ausdrücken: Spannungsänderungsrate = [(Nennspannung der Sekundärseite - Klemmenspannung der Last) / Nennspannung der Sekundärseite] × 100 %. Bei einem normalen Leistungstransformator, der an eine Nennlast angeschlossen ist, beträgt die Spannungsänderungsrate 4 bis 6 %.

10. Wie kann sichergestellt werden, dass der Transformator eine Nennausgangsspannung aufweist?

Eine zu hohe oder zu niedrige Spannung beeinträchtigt den normalen Betrieb und die Lebensdauer des Transformators, daher muss die Spannung angepasst werden.

Die Spannungsregelung erfolgt durch Abgreifen mehrerer Stufen aus der Primärspule und deren Anschluss an den Stufenschalterkopf. Dieser ändert die Windungszahl der Spule durch Drehen der Kontakte. Durch Drehen des Stufenschalters kann die gewünschte Nennspannung eingestellt werden. Die Spannungsregelung sollte üblicherweise nach dem Abschalten der am Transformator angeschlossenen Last erfolgen.

11. Welche kleinen Transformatoren werden häufig verwendet? Wo werden sie eingesetzt?

Als kleine Transformatoren bezeichnet man einphasige Transformatoren mit einer Leistung von weniger als 1 kVA, die hauptsächlich als Leistungstransformatoren für die Steuerung elektrischer Geräte, als Leistungstransformatoren für elektronische Geräte und als Leistungstransformatoren für Sicherheitsbeleuchtung eingesetzt werden.

12. Welche Verluste treten beim Betrieb des Transformators auf? Wie lassen sich die Verluste reduzieren?

Die Verluste im Transformatorbetrieb setzen sich aus zwei Teilen zusammen:

(1) wird durch den Eisenkern verursacht. Wenn die Spule erregt wird, entstehen aufgrund der wechselnden Magnetfeldlinien Wirbelströme und Hystereseverluste im Eisenkern, die zusammenfassend als Eisenverluste bezeichnet werden.

(2) Sie wird durch den Widerstand der Spule selbst verursacht. Wenn Strom durch die Primär- und Sekundärspule des Transformators fließt, entstehen Leistungsverluste, die als Kupferverluste bezeichnet werden.

Die Summe aus Eisen- und Kupferverlusten ergibt die Transformatorverluste. Diese Verluste hängen von der Transformatorleistung, der Spannung und der Anlagenauslastung ab. Daher sollte bei der Auswahl eines Transformators die Anlagenleistung möglichst genau dem tatsächlichen Bedarf entsprechen, um die Anlagenauslastung zu optimieren. Zudem ist darauf zu achten, den Transformator nicht unter Teillast zu betreiben.

13. Wie lautet das Typenschild des Transformators? Welche technischen Hauptdaten sind auf dem Typenschild angegeben?

Das Typenschild des Transformators gibt Auskunft über Leistung, technische Spezifikationen und Einsatzmöglichkeiten und dient der Auswahl durch den Anwender. Üblicherweise sind folgende technische Daten besonders relevant:

(1) KVA Nennleistung. Das heißt, die Ausgangsleistung des Transformators im Nennbetrieb. Zum Beispiel: Einphasentransformator Nennleistung = U_Leitung × I_Leitung; Dreiphasentransformator Nennleistung = U_Leitung × I_Leitung.

(2) Nennspannung in Volt. Die Klemmenspannung der Primärspule und die Klemmenspannung der Sekundärspule (im lastfreien Zustand) sind jeweils angegeben. Die Klemmenspannung des Drehstromtransformators bezieht sich auf die Leiterspannung U_Leitung.

(3) Bemessungsstromstärke. Bezeichnet den Nennstrom I_Leitung, der unter den Bedingungen der Nennleistung und des zulässigen Temperaturanstiegs über einen längeren Zeitraum durch die Primär- und Sekundärspule fließen darf.

(4) Spannungsverhältnis. Bezeichnet das Verhältnis der Nennspannung der Primärspule zur Nennspannung der Sekundärspule.

(5) Verdrahtungsmethode. Einphasentransformatoren besitzen nur einen Satz Hoch- und Niederspannungsspulen und sind ausschließlich für den Einphasenbetrieb geeignet. Dreiphasentransformatoren hingegen sind in Stern- oder Dreieckschaltung ausgeführt. Neben den oben genannten technischen Daten sind die Nennfrequenz, die Phasenanzahl, die Temperaturerhöhung, der Impedanzanteil usw. des Transformators zu berücksichtigen.

14. Wie wählt man einen Transformator aus? Wie bestimmt man die angemessene Leistung des Transformators?

Zunächst müssen die Netzspannung am Verbrauchsort, der tatsächliche Stromverbrauch des Nutzers und die Gegebenheiten vor Ort ermittelt werden. Anschließend erfolgt die Auswahl anhand der technischen Daten auf dem Typenschild des Transformators. Dabei sind Leistung, Spannung, Stromstärke und Umgebungsbedingungen des Transformators umfassend zu berücksichtigen. Die Leistung ist dabei von entscheidender Bedeutung. Sie richtet sich nach Leistung, Art und Betriebsdauer der elektrischen Geräte des Nutzers, um die benötigte Last zu bestimmen.

Im Normalbetrieb sollte die Leistungsaufnahme des Transformators etwa 75–90 % seiner Nennleistung betragen. Wird während des Betriebs eine tatsächliche Auslastung von unter 50 % gemessen, muss der Transformator mit zu geringer Leistung ausgetauscht werden. Ist die tatsächliche Auslastung höher als die Nennleistung des Transformators, muss der Transformator mit zu großer Leistung umgehend ausgetauscht werden.

Gleichzeitig wird bei der Auswahl des Transformators die Spannung der Primärspule entsprechend der Netzspannung und die Spannung der Sekundärspule entsprechend den elektrischen Geräten bestimmt. Optimal ist ein Niederspannungs-Drehstromnetzteil mit vier Leitern. Dieses ermöglicht die gleichzeitige Stromversorgung von Netz und Beleuchtung.

Bei der Auswahl des Stroms ist zu beachten, dass die Last die Anforderungen des Motors beim Anlauf erfüllen kann (da der Anlaufstrom des Motors 4 bis 7 Mal größer ist als der Anlaufstrom).

15. Warum kann der Transformator nicht überlastet werden?

Überlastbetrieb bezeichnet den Betrieb des Transformators, bei dem der auf dem Typenschild angegebene Stromwert überschritten wird.

Überlastung wird in normale und unfallbedingte Überlastung unterteilt. Erstere bezeichnet den Anstieg des Stromverbrauchs des Nutzers unter normalen Stromversorgungsbedingungen. Sie führt häufig zu einem Temperaturanstieg des Transformators, beschleunigt die Alterung der Transformatorisolierung und verkürzt dessen Lebensdauer. Daher ist ein überlasteter Betrieb des Transformators nicht zulässig.

Unter besonderen Umständen darf die Überlastung des Transformators in kurzer Zeit 30 % der Nennlast (Winter) und 15 % (Sommer) nicht überschreiten.

16. Welchen Tests sollte der Transformator während des Betriebs unterzogen werden?

Um den ordnungsgemäßen Betrieb des Transformators zu gewährleisten, sollten folgende Prüfungen regelmäßig durchgeführt werden:

(1) Temperaturprüfung. Die Temperatur ist ein entscheidender Faktor für den ordnungsgemäßen Betriebszustand des Transformators. Die Vorschriften schreiben vor, dass die Öltemperatur 85 °C nicht überschreiten darf (d. h. die Temperaturerhöhung 55 °C nicht überschreiten darf). Transformatoren sind üblicherweise mit speziellen Temperaturmessgeräten ausgestattet.

(2) Lastmessung. Um die Auslastung des Transformators zu verbessern und die Energieverluste zu reduzieren, muss während des Betriebs die tatsächliche Leistungsaufnahme des Transformators ermittelt werden. Die Messung erfolgt üblicherweise während der Spitzenlastzeiten der jeweiligen Jahreszeit. Zur direkten Messung wird ein Zangenamperemeter verwendet. Der Stromwert sollte 70 % bis 80 % des Nennstroms des Transformators betragen. Eine Überschreitung deutet auf eine Überlastung hin und erfordert sofortige Korrekturmaßnahmen.

(3) Spannungsmessung. Die Vorschriften schreiben vor, dass die Spannungsabweichung innerhalb von ±5 % der Nennspannung liegen muss. Wird dieser Bereich überschritten, ist die Spannung mittels Abgriffen auf den zulässigen Bereich zu bringen. Üblicherweise wird ein Voltmeter verwendet, um die Klemmenspannung der Sekundärspule und die Klemmenspannung des Endverbrauchers zu messen.

(4) Messung des Isolationswiderstands. Um den ordnungsgemäßen Betriebszustand des Transformators zu gewährleisten und so Isolationsalterung und Störungen vorzubeugen, muss der Isolationswiderstand regelmäßig gemessen werden. Für die Messung sollte der Transformator möglichst abgeschaltet und der Isolationswiderstand mit einem Schwingprüfgerät ermittelt werden. Der gemessene Widerstand darf nicht unter 70 % des vorherigen Messwerts liegen. Bei Verwendung des Schwingprüfgeräts kann die Niederspannungsspule mit einer Spannung von 500 Volt betrieben werden.