Hochwertiger Leistungstransformator vom chinesischen Hersteller mit IEC-Standards

Was ist ein Transformator?

Transformator ist ein elektrisches Gerät, das das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nutzt, um die Spannung von Wechselstrom zu ändern, normalerweise einschließlichAufwärts- und Abwärtstransformatoren. Beim Aufbau und Abbau der Spannung halten die Transformatoren ihre Frequenz unverändert, indem sie das Windungsverhältnis zwischen der Primär- und Sekundärwicklung variieren. Sein Hauptwirkmechanismus besteht darin, dass, wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, ein variierendes Magnetfeld im Kern erzeugt wird, das wiederum eine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung induziert und dadurch die Umwandlung zwischen Spannung und Strom ermöglicht: Eine Erhöhung der Spannung verringert den Strom, eine Verringerung der Spannung erhöht den Strom, und im Idealfall bleibt die Gesamtleistung konstant. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Übertragungsverluste bei der Stromversorgung über große Entfernungen erheblich zu reduzieren und gleichzeitig sicher angepasste Spannungen für verschiedene Geräte am Einsatzort bereitzustellen. Typische Anwendungen reichen von riesigen Transformatoren in Umspannwerken, Verteilungstransformatoren an Strommasten bis hin zu Miniaturtransformatoren in Ladegeräten für Mobiltelefone. Dies ist jedoch besonders zu beachtenEin Transformator arbeitet nur mit Wechselstrom und kann keinen Gleichstrom umwandeln.

Was ist das Funktionsprinzip eines Transformators?

Das Funktionsprinzip eines Transformators basiert auf demGesetz der elektromagnetischen Induktion. Wenn ein Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er einen magnetischen Wechselfluss im Kern. Dieser Wechselfluss verbindet gleichzeitig die Primär- und Sekundärwicklungen und induziert in jeder Wicklung eine elektromotorische Kraft (EMF). Durch diese elektromagnetische Induktion überträgt der Transformator elektrische Energie und wandelt die Spannung um, wobei zwischen den beiden Wicklungen nur eine magnetische Kopplung und keine direkte elektrische Verbindung besteht.

Die Spannungstransformationsbeziehung ist:

U₁/U₂ = N₁/N₂ = k

Dabei sind U₁, U₂ die Primär- und Sekundärspannungen, N₁, N₂ die Anzahl der Windungen in den Wicklungen und k das Windungsverhältnis. Wenn die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung hat, dann der Transformatortritt aufStromspannung; wenn es weniger Windungen hat, estritt zurückStromspannung.

Konstruktion und Schlüsselkomponenten

Ein Transformator besteht hauptsächlich aus dem aktiven Teil wie zKern, Wicklungen, Isolierung und Leitungen, Tank, Kühlsystem, Schutzvorrichtungen und Buchsen. Der Kern und die Wicklungen, auch Spulen genannt, sind die wesentlichsten Komponenten.

1. Kern (Magnetkreis)

Der Kern stellt den magnetischen Pfad bereit und besteht aus Kernschenkeln (vertikale Abschnitte, auf denen die Wicklungen montiert sind) und Joche (horizontale Abschnitte, die den magnetischen Pfad schließen). Um Wirbelstromverluste und Hystereseverluste zu reduzieren, ist der Kern typischerweise gestapelt aufgebautSiliziumstahllaminierungen, jeweils mit Isolierlack oder einer Oxidschicht überzogen, um sie voneinander zu isolieren. Kernkonfigurationen sind hauptsächlichKerntyp(Wicklungen umgeben die Kernschenkel, wie es bei Leistungstransformatoren üblich ist) undMuscheltyp(Der Kern umgibt die Wicklungen, was zu einem geringen Streufluss und einer hohen mechanischen Festigkeit führt und häufig in Präzisionsinstrumenten und kleinen Geräten verwendet wird.)

2. Wicklungen (Stromkreis)

Wicklungen sind der Stromkreis des Transformators, unterteilt inPrimärwicklung und Sekundärwicklung. Sie bestehen aus Kupfer- oder Aluminiumdraht mit hochfester Isolierung. Die Wicklungen sind meist konzentrisch angeordnet (Unterspannungswicklung neben dem Kernschenkel platziert, Oberspannungswicklung außen herum gewickelt). Bezüglich der Isolierung verwenden moderne Öltransformatoren meist eineÖl-Papier-Barriere-Verbunddämmsystembestehend aus Pressspan, Kabelpapier und Transformatorenöl. Die Dicke des Pressspans beträgt typischerweise 2–5 mm und ermöglicht so eine zuverlässige Isolierung bei hohen Spannungen.

Das Obige beschreibt das elektromagnetische Kernsystem, und die folgenden Hilfssysteme sind auch für Öltransformatoren sehr wichtig:

Tank:Ein externer Behälter zur Aufnahme von Eisenkernen und Wicklungen sowie zum Einfüllen von Transformatoröl. Transformatoren mit großer Kapazität sind in der Regel mit externen Kühlern oder Kühlrohren ausgestattet, um die Wärmeableitung zu verbessern.

Transformatoröl:Es dient sowohl als Isoliermedium (mit besserer Isolierleistung als Luft) als auch als Kühlmedium (die vom Transformatorkern und der Wicklung erzeugte Wärme wird durch die Konvektion des Öls an die Öltankwand übertragen). Transformatorenöl wird je nach Fließpunkt in verschiedene Qualitäten eingeteilt, z10, 25 und 45um sich an unterschiedliche klimatische Bedingungen anzupassen.

Konservator (Ölausgleichsbehälter):Ein horizontaler Kraftstofftank, der über dem Hauptkraftstofftank installiert und durch Rohre verbunden ist. Es trennt Öl durch eine Membran von der Luft. Basierend auf den Eigenschaften, dass sich Öl bei Temperaturänderungen ausdehnt und zusammenzieht, speichert es Öl bei höheren Temperaturen und liefert Öl bei niedrigeren Temperaturen, wodurch der Kontakt zwischen Öl und Luft verringert und Feuchtigkeitsaufnahme und -alterung verhindert wird.

Buchsen:Führen Sie Hoch- und Niederspannungskabel aus den isolierten Anschlüssen des Transformatorgehäuses. Sie sorgen für elektrische Isolierung und mechanische Unterstützung.

Schutzeinrichtungen:Einschließlich Last- oder Laststufenschalter, Bucher-Relais (Gasrelais), explosionsgeschützte Auslassanschlüsse (Sicherheitsauslassanschlüsse), Dehydrierungs-Atemschutzgeräte (Silikon-Atemschutzgeräte), Temperaturmesselemente und zugehörige Instrumente. Diese Geräte können in der Regel Echtzeitüberwachung und umfassenden Schutz bieten.

Arten von Transformatoren

Transformatoren können in mehrere Aspekte eingeteilt werden:

1. Je nach Anwendung

Leistungstransformatoren:Leistungstransformatoren werden hauptsächlich zur Spannungsumwandlung und Stromübertragung/-verteilung in Energiesystemen eingesetzt und machen über 80 % aller Transformatoren aus.

Verteilungstransformatoren:Unter Verteilungstransformatoren versteht man in der Regel Transformatoren unter 35 kV (hauptsächlich 10 kV/0,4 kV), die Endverbraucher direkt mit Strom versorgen.

Spezielle Transformatoren:Einschließlich Prüftransformatoren für Spannungsfestigkeitsprüfungen, Instrumententransformatoren (einschließlich Spannungswandler, Stromwandler für Messung und Schutz), Gleichrichtertransformatoren für Wechselstrom zu Gleichstrom, die für Elektrolyse, Galvanisierung, Gleichstromantrieb, Ofentransformatoren, Bergbautransformatoren usw. verwendet werden.

2. Je nach Kühl- und Isoliermedium

Öltransformatoren:Der in Öl getauchte Eisenkern und die Wicklung des Transformators sind vollständig in mineralisches Isolieröl getaucht, das eine hervorragende Wärmeableitung und Isolationsleistung, einen hohen Wirkungsgrad und relativ niedrige Kosten aufweist. Öltransformatoren werden häufig in Freiluft-Umspannwerken und Industrieparks eingesetzt, erfordern jedoch Brand- und Explosionsschutzmaßnahmen.

Trockentransformatoren:Der Eisenkern und die Wicklung des Trockentransformators sind nicht in Öl getaucht; Sie verwenden Luft oder feste Isoliermaterialien wie Epoxidharzguss. Trockentransformatoren sind feuerbeständig und leckagefrei und eignen sich für Innenräume mit strengen Brandschutzvorschriften, wie z. B. Hochhäuser, Rechenzentren, Einkaufszentren und Krankenhäuser.

Gasisolierte Transformatoren:Gasisolierte Transformatoren sind auf dem Markt relativ selten und verwenden im Allgemeinen synthetische Gase wie SF₆ als Kühl- und Isoliermedium, die für besondere Betriebsbedingungen geeignet sind.

3. Nach Anzahl der Windungen

Zweiwicklungstransformator:Zweiwicklungstransformatoren sind in Stromversorgungssystemen weit verbreitet und verfügen über eine Hochspannungswicklung (Mittelspannung) und eine Niederspannungswicklung (eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung).

Dreiwicklungstransformator:Ein Dreiwicklungstransformator verfügt über drei Wicklungen pro Phase, die an unterschiedliche Spannungsebenen angeschlossen sind (z. B. Hochspannungsseite, Mittelspannungsseite, Niederspannungsseite). Dieser Transformator wird üblicherweise in Umspannwerken verwendet, die mehrere Spannungsebenen erfordern.

4. Je nach Kern-/Wicklungskonfiguration

Kerntransformator:Die Wicklung des Kerntransformators umgibt die Schenkel des Eisenkerns (der Eisenkern ist von der Wicklung umgeben). Dieses Produkt ist einfach aufgebaut, kostengünstig und wird häufig in Energiesystemen eingesetzt.

Manteltransformator:Der Kern eines Manteltransformators umgibt die Wicklung (die Wicklung umgibt den Kern). Es verfügt über diese Eigenschaften wie geringen Streufluss, hohe mechanische Festigkeit und kompakte Größe und wird häufig in Präzisionsinstrumenten und Kleingeräten verwendet.

5. Nach Anzahl der Phasen

Einphasentransformatoren für einphasige Lasten oder zur Bildung von Dreiphasengruppen und Dreiphasentransformatoren.

6. Gemäß der Spannungsregelungsmethode

Off-Circuit-Stufenschalter (ohne Last) (erfordert Abschalten) und Laststufenschalter (automatische Spannungsregelung unter Last).

7. Je nach elektrischem Anschlusstyp

Trenntransformator (Trenntransformator):Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Trenntransformators sind nur durch magnetische Kopplung elektrisch voneinander isoliert. Dieser Transformatortyp weist eine äußerst hohe Sicherheit auf und wird häufig in medizinischen Geräten und Präzisionsinstrumenten verwendet, um Stromschläge und elektromagnetische Störungen zu verhindern.

Spartransformator:Primär- und Sekundärwicklung teilen sich einen Teil der Wicklung und verfügen sowohl über eine magnetische Kopplung als auch über eine direkte elektrische Verbindung. Kompakt, klein, geringe Verluste, aber keine Isolierung zwischen Primär- und Sekundärseite. Wird für den Motorstart und die Spannungsregelung verwendet (z. B. Laborvariac).

Wie werden Leistungstransformatoren klassifiziert?

Nennkapazität (Sn, in kVA oder MVA):Die Scheinleistung, die ein Transformator bei Nennspannung und Nennstrom kontinuierlich liefern kann. Es ist der wichtigste Parameter für die Auswahl eines Transformators. Chinesische Leistungsklassen folgen der R10-Serie und erhöhen sich um den Faktor 1,26 (100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 kVA usw.). Bei einer sinnvollen Kapazitätsauswahl wird zunächst die maximale Gesamtlast berechnet und dann die nächsthöhere Kapazität ausgewählt, sodass der Lastfaktor etwa 60–70 % beträgt, was sowohl einen langfristig sicheren Betrieb als auch Wirtschaftlichkeit gewährleistet.

Nennspannung (kV):Die Primärspannung entspricht der Netzspannung; Die Sekundärspannung ist typischerweise 5 % oder 10 % höher als die Low-Side-Busspannung (je nach Impedanzspannung und Kapazität), um den Netzspannungsabfall auszugleichen und die Spannungsqualität des Endbenutzers sicherzustellen.

Kurzschlussimpedanz (Impedanzspannung, Uk%):Der Prozentsatz der Primärspannung, der erforderlich ist, um den Nennstrom durch die Sekundärseite fließen zu lassen, wenn die Sekundärseite kurzgeschlossen ist. Es handelt sich um eine kritische Eigenschaft, die sich auf die Höhe des Kurzschlussstroms und die Spannungsregelung auswirkt.

Leerlaufverlust (Po, kW):Die von der Sekundärseite eines Transformators im Leerlaufzustand bei Nennfrequenz und Nennspannung aufgenommene Wirkleistung setzt sich hauptsächlich aus Kernverlusten (magnetischen Verlusten) zusammen, die von der Fertigungsqualität und den Eigenschaften des Siliziumstahlmaterials abhängen. Durch den Einsatz von Hochleistungs-Siliziumstahl und dreidimensional gewickelten Kernen können die Leerlaufverluste deutlich reduziert werden.

Lastverlust (Pk, kW):Die verbrauchte Wirkleistung, wenn die Sekundärseite kurzgeschlossen ist und in der Primärseite Nennstrom fließt. Er besteht hauptsächlich aus Kupferverlusten in den Wicklungen und ist proportional zum Quadrat des Lastfaktors.

Effizienz (η):Ausgangswirkleistung dividiert durch Eingangswirkleistung. Große Leistungstransformatoren haben einen sehr hohen Wirkungsgrad; Beispielsweise kann ein 380-MVA-/500-kV-Generator-Aufwärtstransformator η ≥ 99,75 % erreichen.

Vektorgruppe (z. B. Dyn11, Yyn0):Gibt die Anschlussart (Y – Stern, D – Dreieck, Z – Zickzack) der Hoch- und Niederspannungswicklungen und deren Phasenverschiebung an. Es wirkt sich auf die Erdungsmethode des Neutralleiters des Systems und den Nullstrompfad aus.

Kühlmethode:Zum Beispiel ONAN (Oil Natural Air Natural), ONAF (Oil Natural Air Forced), OFWF (Oil Forced Water Forced). Die aus vier Buchstaben bestehenden Codes geben das Kühlmedium und die Zirkulationsmethode an (ON: natürliche Ölzirkulation; OF: erzwungene Ölzirkulation; OD: ölgesteuerte erzwungene Zirkulation; AN: natürliche Luft; AF: erzwungene Luft; WF: erzwungene Wasserzirkulation).

Wie wählt man die passenden Transformatoren aus?

Bei der Auswahl eines geeigneten Transformators sollten neben der Bestimmung der Nennkapazität und der Spannungspegel auch die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:

Lasteigenschaften:Für typische Industrie- und Privatlasten verwenden wir im Allgemeinen Standard-Leistungstransformatoren mit zwei Wicklungen. Wenn mehrere Spannungsebenen erforderlich sind, sollte ein Transformator mit drei Wicklungen ausgewählt und die Nennkapazität jeder Wicklung angemessen zugewiesen werden. Für Orte mit strengen Brandschutzanforderungen, wie Rechenzentren und Hochhäuser, sollte Trockentransformatoren Vorrang eingeräumt werden.

Installationsumgebung:Öltransformatoren mit feuerfesten Trennwänden werden normalerweise für Umspannwerke im Freien bevorzugt, während Trockentransformatoren für Innenbereiche bevorzugt werden sollten.

Kapazitätsgrenzen:In Innenumspannwerken sollte die maximale Leistung eines einzelnen Öltransformators 1250 kVA nicht überschreiten; In vorgefertigten Umspannwerken sollte die maximale Leistung von Öltransformatoren 630 kVA und die Leistung von Trockentransformatoren 800 kVA nicht überschreiten.

Anforderungen an die Spannungsregelung:Für Umgebungen mit großen Spannungsschwankungen oder häufigen Anpassungen sind Transformatoren mit Laststufenschaltern erforderlich; Für Anwendungen mit stabiler Spannung kann ein Transformator mit Leerlaufstufenschalter verwendet werden.

Energieeffizienz und Umweltanforderungen:Aufgrund der Energiesparpolitik werden hocheffiziente und energiesparende Transformatorprodukte nach und nach zur Mainstream-Wahl. Derzeit steigt der Marktanteil von 3D-gewickelten Eisenkerntransformatoren (mit 15–25 % niedrigeren Leerlaufverlusten als bei herkömmlichen laminierten Eisenkernen) und Transformatoren aus amorphen Legierungen von Jahr zu Jahr.

Spezielle Anwendungen:Wenn eine Spannungsregelung erforderlich ist, sollte ein Spartransformator ausgewählt werden; Bei höheren Anforderungen an die elektrische Sicherheit ist die Wahl eines Trenntransformators sinnvoller.