Ein Spartransformator ist ein Transformator mit einer einzigen durchgehenden Wicklung und einer oder mehreren Anzapfungen, sodass ein Teil der Wicklung sowohl dem Eingang als auch dem Ausgang gemeinsam ist; er kann die Spannung effizient und platzsparend ändern, bietet jedoch normalerweise keine galvanische Trennung.
Prinzip der gemeinsam genutzten Wicklung
Der gemeinsame Abschnitt führt die Differenz zwischen Primär- und Sekundärströmen, während der Reihenabschnitt je nach Schaltung den Laststrom führt. Die Leistung wird teilweise durch Induktion und teilweise durch direkte elektrische Leitung über die gemeinsame Wicklung übertragen.
Aufwärts- und Abwärtsbetrieb
Wenn man die Quelle an die gesamte Wicklung und die Last an einen Abgriff anschließt, ergibt sich ein Abwärtstransformatorbetrieb; die Umkehrung dieses Verhältnisses ergibt innerhalb der ausgelegten Nennwerte einen Aufwärtstransformatorbetrieb. Polarität und Abgriffschaltung bestimmen, ob sich Spannungen addieren oder subtrahieren.
Warum Größe und Verluste geringer sein können
Wenn das Spannungsverhältnis nahe bei eins liegt, wird nur ein Teil der gesamten Scheinleistung induktiv übertragen. Dies kann im Vergleich zu einem zweiwickligen Transformator gleicher Durchgangsleistung Kupfer, Größe, Masse, Verluste, Spannungsabfall und Kosten reduzieren.
Die Isolationsbeschränkung
Eingang und Ausgang sind elektrisch verbunden. Ein Fehler, eine Überspannung, ein Neutralleiterproblem oder ein Isolationsfehler können sich auf eine Weise zwischen den Seiten übertragen, wie es ein Trenntransformator verhindern würde. Setzen Sie niemals einen Sparkondensator anstelle eines Transformators ein, wenn Sicherheit, Erdung, Lärmschutz oder ein separat abgeleitetes System eine Trennung erfordern.
Typische Anwendungen
Zu den Anwendungen gehören Motorstart, mäßige Spannungskorrektur, das Verbinden von Systemen mit ähnlichen Spannungen, variable Laborstromversorgungen, Bahnsysteme und Netzspannungsregelung. Jede erfordert eine Überprüfung von Erdung, Kurzschlussleistung, Stufenbereich und Schutz.
Variac und Regelautotransformatoren
Ein Variotransformator verwendet einen beweglichen Kontakt an einer freiliegenden oder zugänglichen Wicklung, um eine einstellbare Wechselspannung bereitzustellen. Seine Ausgangsspannung kann bei einer niedrigen angezeigten Spannung weiterhin gefährlich sein und am oberen Ende den Nenneingangswert überschreiten. Er ist kein Trenntransformator.
Bewertungen und Schutz
Geben Sie Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich, Frequenz, Durchgangs-kVA, Wicklungs- oder transformierte kVA, Strom an jeder Klemme, Anzapfungen, Impedanz, Kurzschlussleistung, Isolationspegel, Temperaturanstieg, Gehäuse, Kühlung und Erdung an. Koordinieren Sie den Schutz mit Einschalt- und Fehlerstrom.
Spartransformator im Vergleich zu Zweiwicklungstransformator
Wählen Sie einen Spartransformator für die effiziente Umwandlung zwischen nahe beieinander liegenden Spannungen, wenn eine elektrische Verbindung akzeptabel ist. Wählen Sie einen Zweiwicklungs-Transformator, wenn Isolation, unabhängige Erdung, Übersetzungsverhältnis, Fehlerbegrenzung oder Systemanforderungen die Vorteile von Größe und Wirkungsgrad überwiegen.
Ein durchgerechnetes Beispiel: 240 V auf 120 V
Betrachten Sie einen idealen Einphasen-Sparkondensator, der eine 120-V-, 10-A-Last aus einer 240-V-Quelle speist. Die scheinbare Leistung der Last beträgt 120 × 10 = 1.200 VA. Unter Vernachlässigung von Verlusten und Erregerstrom beträgt der Quellestrom 1.200 ÷ 240 = 5 A. Ein Abgriff auf halbem Weg entlang der effektiven Windungen sorgt für das erforderliche Spannungsverhältnis. Diese Zahlen erklären das Prinzip; sie sind weder eine Konstruktionszeichnung noch eine Auslegung für eine beliebige Wicklung.
Der Abschnitt zwischen der 240-V-Klemme und dem 120-V-Abgriff führt 5 A. Am Abgriff teilt sich der Strom zwischen der Last und dem gemeinsamen Wicklungsabschnitt auf. In diesem idealen Fall hat der Strom im gemeinsamen Abschnitt einen Betrag von 5 A und fließt in der entgegengesetzten Richtung, die für das Amperewindungs-Gleichgewicht erforderlich ist. Es ist daher falsch zu sagen, dass jeder Teil einer Sparkorrespondentenwicklung den vollen Laststrom von 10 A führt.
Für dieses Beispiel beträgt die Spannung des Reihenabschnitts 120 V, sodass seine transformierte Scheinleistung 120 × 5 = 600 VA beträgt, während die Last 1.200 VA erhält. Der Rest wird über die direkte elektrische Verbindung übertragen. Diese geteilte Übertragung erklärt den materialtechnischen Vorteil. Reale Einheiten müssen zusätzlich die Wicklungserwärmung, Kontaktdaten, Isolierung, Verluste und Fehlerbelastung berücksichtigen; die Arithmetik allein kann keine kommerzielle Auslegung begründen.
Was ändert sich, wenn das Spannungsverhältnis nahe bei eins liegt?
Für einen idealen Abwärts-Spartransformator mit k = Vniedrig/Vhoch, beträgt der induktiv umgewandelte Anteil der Durchgangsleistung 1 − k. Bei einer Änderung von 240 V auf 220 V ergibt sich k ≈ 0,917, sodass der Anteil etwa 8,3% beträgt. Bei einer Änderung von 240 V auf 24 V ergibt sich ein Anteil von 90%. Folglich ist der Vorteil der gemeinsamen Wicklung bei einer moderaten Spannungsänderung am größten und nimmt mit steigendem Verhältnis ab.
Das bedeutet nicht, dass ein 240-zu-220-V-Gerät durch die Wahl eines anderen Anschlusses durch ein 240-zu-24-V-Netzteil ersetzt werden kann. Wicklung, Strompfad und Isolierung wurden für spezifische Anschlüsse ausgelegt. Es beweist auch keinen festen Wirkungsgrad und keine Kostenersparnis. Vergleichen Sie geprüfte Verluste und die komplett angebotene B einschließlich Gehäuse, Schutz und Stufeneinrichtung mit der Zweiwicklungsalternative.
Spark- oder Spartransformator versus Trenntransformator
| Entscheidung | Spartransformator | Trenntransformator |
|---|---|---|
| Elektrische Verbindung zwischen Quelle und Last | Gemeinsame Wicklung bietet einen leitfähigen Pfad | Die Wicklungen sind konstruktionsbedingt elektrisch getrennt |
| Geringfügige Spannungskorrektur | Oft eine kompakte Lösung, bei der eine gemeinsame Erdung akzeptabel ist | Möglich, im Allgemeinen mit mehr Material für dieselbe Durchgangsleistung |
| Unabhängige Sekundärreferenz | Kann nicht vorausgesetzt werden | Kann eine separat abgeleitete Anlage unterstützen, wenn sie korrekt ausgelegt ist |
| Variabler Laborausgang | Verstellbarer Abgriff kann die Spannung anpassen; Ausgang bleibt mit dem Netz verbunden | Isolierung allein impliziert keine einstellbare Ausgangsleistung |
| Fehlerstrom | Oft niedrige Impedanz; Systemstudie bleibt erforderlich | Das hängt von der angegebenen Impedanz und der vorgeschalteten Stromversorgung ab. |
Das OpenStax-Diskussion über elektrische Sicherheit und galvanische Trennung hilft, die Funktion eines getrennten Stromkreises zu erklären. Eine niedrige Ausgangsspannungseinstellung an einem Regel-Autotransformator ist kein Beweis dafür, dass einer der Ausgangsleiter in Bezug auf Erde sicher ist. Eine Anlage, die eine Schutztrennung erfordert, muss Geräte verwenden, die ausdrücklich für diesen Zweck konstruiert sind.
Wie ein Autotransformator-Anlasser funktioniert
Ein Anlasser für reduzierte Spannung legt während des Hochlaufens einen ausgewählten Bruchteil der Netzspannung an und schaltet den Motor dann auf seine Betriebsschaltung um. Im vereinfachten Modell beträgt bei einer zugeführten Spannungsfraktion $k$ der Anlaufstrom des Motors näherungsweise das $k$-Fache des Direkt-Einschaltstroms, während der Netzstrom durch einen idealen Spartransformator näherungsweise das $k$-Quadrat-Fache dieses Stroms beträgt. Das Anzugsmoment sinkt ebenfalls näherungsweise mit dem Quadrat der Spannung.
Der Vorteil ist eine geringere Netzstörung, aber das geringere Drehmoment muss dennoch die tatsächliche Last beschleunigen. Ein stark belastetes Fördersystem oder eine Maschine mit hoher Trägheit kann nicht allein anhand einer ansprechenden Stromreduzierung beurteilt werden. Die Auslegung muss die Beschleunigungszeit, die Umschaltmethode, die Starts pro Stunde, die thermische Beanspruchung und die mechanische Lastkurve berücksichtigen. Diese vereinfachten Zusammenhänge dienen als Grobauswahl; die Daten des Motorherstellers und die vollständige Starterauslegung sind für die Auswahl maßgebend.
Variabler Ausgang und Stromgrenzen
Ein Stelltransformator verwendet einen Kontakt, der sich entlang einer präparierten Wicklungsoberfläche bewegt. Die Ausgangsspannung kann normalerweise über ihren angegebenen Bereich variiert werden, und einige Ausführungen umfassen einen Bereich oberhalb der nominalen Eingangsspannung. Lesen Sie die genaue Skala und das Handbuch. Die Stromgrenzwerte für Kontakt, Wicklung und Klemmen gelten auch bei reduzierter Spannung: Eine Senkung der Ausgangsspannung erlaubt nicht unbedingt einen proportional höheren Ausgangsstrom.
Beispielsweise kann ein auf 5 A begrenztes Gerät nicht automatisch 50 A liefern, wenn seine Ausgangsspannung auf ein Zehntel der Nennspannung heruntergeregelt wird. Der häufige Fehler besteht darin, die gesamte VA-Angabe auf dem Typenschild bei jeder Reglerstellung als verfügbar anzusehen. Die Belastung, der Bürstenkontakt und das thermische Design müssen überprüft werden. Variable Spartransformatoren wandeln zudem keinen Wechselstrom in Gleichstrom um und ändern nicht die Frequenz.
Was in eine Beschaffungsspezifikation gehört
Weisen Sie bei jedem Angebot die Anschluss-kVA (Terminal-kVA) getrennt von den intern transformierten kVA aus. Wenn das eine angeboten wird, während der Käufer das andere erwartet, können zwei Angebote vergleichbar erscheinen, obwohl sich ihre tatsächlichen Belastungskapazitäten unterscheiden.
Geben Sie an, ob es sich bei der Last um eine kontinuierliche Spannungsregelung, eine variable Prüfstromversorgung, einen Motorstart oder eine Netzankopplung handelt. Identifizieren Sie alle Klemmen- und Stromwerte, Phasenzahl und Frequenz, den Stufenbereich, die Isolationsanforderung, die Sternpunktschaltung und die zulässige Erwärmung. Berücksichtigen Sie das erwartete Lastprofil sowie alle Anlauf- oder zyklischen Belastungen. Eine Motorstart-Nennleistung kann nicht einfach als kontinuierliche kVA behandelt werden.
Fordern Sie die tatsächliche Anschlusszeichnung, die Impedanz-, Verlustdaten, die Anforderungen an Schutzeinrichtungen und die Installationsanweisungen an. Überprüfen Sie den Ausgangsbereich unter Last und die zulässige Netzspannungsschwankung. Bei Industrieanwendungen sollte die Überprüfung ermitteln, wie sich ein Wicklungs- oder Neutralleiterfehler auf die angeschlossenen Geräte auswirkt. Anforderungen von OSHA an elektrische Installationen Betonen Sie die Notwendigkeit, Ausrüstung innerhalb ihrer vorgesehenen Nennwerte und gemäß den Anweisungen zu verwenden.
Zugehörige Transformator-Anleitungen und Produktkontext
Überprüfen Sie die Leitfaden zu Transformer-Grundlagen zu den zugrundeliegenden Prinzipien. Zu benachbarten Fragen lesen Sie Was macht ein Abspanntransformator? Funktionsweise und Verwendung und Was ist ein Trenntransformator? Sicherheit, Verwendung und Auswahl. Für die Spezifikationen von Verteilungsanlagen siehe die 35-kV-Ölleistungs-Transformator; den tatsächlichen Produktumfang und die Nennwerte bestätigen, bevor Sie ihn in einem Projekt verwenden.
Video: Das zugrundeliegende Transformer-Prinzip
G. K. Agrawal veranschaulicht das hier besprochene elektrische Prinzip. Diese Hintergrunderklärung ergänzt den Artikel; sie dient weder dem Nachweis noch der Autorisierung von Feldarbeiten.
Häufig gestellte Fragen
Bietet ein Sparkondensator (Autotransformator) eine galvanische Trennung?
Normalerweise nicht. Seine Spartwicklung erzeugt eine leitende Verbindung zwischen Quelle und Last. Verwenden Sie ein geeignetes Design mit getrennten Wicklungen, wenn eine Trennung erforderlich ist.
Warum ist ein Autotransformator bei ähnlichen Spannungen kleiner?
Nur ein Teil der Durchgangsleistung wird induktiv übertragen; den Rest überträgt die galvanische Kopplung. Der materielle Vorteil ist am größten, wenn das Spannungsverhältnis nahe bei eins liegt.
Kann ein Regeltransformator (Autotransformator) bei niedriger Spannung unbegrenzten Strom liefern?
Nein. Die Stromgrenzen für Wicklung, Bürsten und Anschlüsse gelten weiterhin. Eine Reduzierung der Ausgangsspannung führt nicht automatisch zu einer Erhöhung des zulässigen Stroms im umgekehrten Verhältnis.
Ändert ein Sparkondensator die Frequenz?
Nein. Er ändert die Wechselspannung je nach Anschluss und Anzapfung, während er normalerweise die Quellfrequenz beibehält. Er ist kein AC/DC-Wandler.
Warum reduziert ein Motorschalter sowohl Drehmoment als auch Strom?
Eine reduzierte Motorspannung verringert das elektromagnetische Drehmoment im vereinfachten Anlaufmodell näherungsweise proportional zum Quadrat der Spannung. Die tatsächliche Last muss dennoch innerhalb der zulässigen thermischen Beanspruchung beschleunigen.
