Was ist ein Leistungstransformator?
Leistungstransformatoren sind Transformatoren, die elektrische Wechselspannung durch elektromagnetische Induktion umwandeln.
Die offizielle Bezeichnung lautet Transformator, aber das Wort Leistungstransformatoren hat sich bereits etabliert. Elektrische Produkte werden z. B. mit Wechselstrom betrieben, aber es gibt viele Komponenten in diesen Produkten, wie z. B. Motoren, die mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom betrieben werden.
Und selbst wenn Bauteile mit Wechselstrom betrieben werden können, haben viele von ihnen eine zu hohe Spannung, um mit der 100-V-Spannung aus der Steckdose betrieben werden zu können. Aus diesem Grund sind in elektrischen Produkten kleine Leistungstransformatoren eingebaut, um die Spannung und den Strom zu variieren, so dass sie immer mit der optimalen Spannung arbeiten.
Anwendungen von Leistungstransformatoren
Leistungstransformatoren werden hauptsächlich als elektrische Geräte zur Erhöhung und Senkung der Wechselspannung eingesetzt.
Größere Geräte werden in Umspannwerken eingesetzt, um die von Kraftwerken und anderen Quellen gelieferte Hochspannungs-Wechselspannung zu reduzieren, während kleinere Geräte als Transformatoren verwendet werden, um die Spannung von Steckdosen in Rasierapparaten und anderen Orten in Übersee auf den richtigen Wert zu bringen.
Leistungstransformatoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, sowohl in der Industrie als auch im Haushalt, und sind für die Umwandlung von Spannungswerten in geeignete Werte unverzichtbar.
Funktionsweise von Leistungstransformatoren
Die Funktionsweise der Leistungstransformatoren beruht auf den Gesetzen der elektromagnetischen Induktion.
Es nutzt das physikalische Phänomen, dass die elektromotorische Kraft aufgrund von Magnetfeldschwankungen in den Spulen proportional zur Anzahl der Windungen des Leistungstransformators ist. Der Aufbau eines Leistungstransformators besteht im Allgemeinen aus zwei um einen Eisenkern gewickelten Spulen, wobei sich die Primärspule auf der Eingangsseite und die Sekundärspule auf der Ausgangsseite befindet. Die Spule erzeugt eine elektromotorische Kraft, indem sie die Stärke des Magnetfelds innerhalb der Spule verändert: Das Anlegen einer Wechselspannung an die Primärspule erzeugt ein Magnetfeld im Eisenkern und die elektromagnetische Induktionswirkung dieses Magnetfelds induziert einen Strom in der Sekundärspule, wodurch eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.
Die Größe der in der Sekundärspule erzeugten elektromotorischen Kraft und die Anzahl der Spulenwindungen stehen in einem proportionalen Verhältnis, und die Größe der Spannung kann durch die Anzahl der Windungen der Sekundärspule im Verhältnis zur Primärseite verändert werden. Im Idealfall sollten Leistungstransformatoren auf der Eingangs- und der Ausgangsseite die gleiche elektrische Kapazität haben, aber in der Praxis gibt es einen Leistungsverlust aufgrund des Widerstands, der meist als Wärme abgeführt wird.
Arten von Leistungstransformatoren
1. Trenntransformatoren
Leistungstransformatoren sind Transformatoren, die in kommerziellen Wechselstromversorgungen verwendet werden, um die Stromleitung von der Stromversorgung des Geräts zu trennen und die Sicherheit zu gewährleisten.
Leistungstransformatoren mit Eingang: 100 V / Ausgang: 100 V werden für Geräte mit einer Spannungsversorgung von 100 V AC verwendet. Handelsübliche Stromversorgungen sind 100 V oder 200 V AC, aber die Stromversorgung vom Energieversorgungsunternehmen ist eine Stromversorgung mit viel höherer Spannung bis zum nächsten Leistungstransformatoren, der geerdet wird, indem 100 V in der positiven und umgekehrten Phase an der Sekundärseite des Leistungstransformators und 0 V an der neutralen Leitung abgenommen werden. Wenn in Geräten, die keine Leistungstransformatoren verwenden, ein Ableitstrom auftritt, wird die Ableitspannung von 100 V gegen Erde an das Gerät angelegt, was zu einem elektrischen Schlag führen kann, wenn eine Person das Gerät berührt. In solchen Fällen können Leistungstransformatoren verwendet werden, um einen Stromschlag zu verhindern, da sowohl die 100-V-Seite als auch die Nullleiterseite von der 100-V-Seite und der Nullleiterseite der kommerziellen Stromversorgung isoliert sind.
2. Mastmontierte Leistungstransformatoren
Die in den Städten häufig anzutreffenden Masten dienen nicht nur zur Aufnahme der Stromleitungen, sondern auch zur Installation von Leistungstransformatoren. Etwa 1/6 der Masten wird in den Boden gerammt, wobei die Hochspannungsleitungen oben und die Niederspannungsleitungen unten liegen und die Leistungstransformatoren etwas unterhalb der Niederspannungsleitungen installiert werden können.
Die Leistungstransformatoren nehmen 6600 V von den Hochspannungsleitungen auf und liefern 100 V an die Niederspannungsseite. Die Niederspannungsseite (Sekundärseite) verfügt ebenfalls über einen positivphasigen 100-V-Ausgang und einen gegenphasigen 100-V-Ausgang, so dass zwischen der positiven und der gegenphasigen Phase 200 V entnommen werden können (einphasig 200 V / Spannung gegen Erde ist 100 V).
Die Hochspannungsleitungen an den Masten übertragen Strom mit 6600 V, aber auf den Masten, die Strom über größere Entfernungen übertragen, werden höhere Spannungen verwendet. Der Grund für die Übertragung von Strom mit hoher Spannung ist die Verringerung der Übertragungsverluste. Drähte haben einen, wenn auch geringen, elektrischen Widerstand, und die Spannungsverluste sind proportional zum Strom, der durch sie fließt. Um die Übertragungsverluste zu verringern, muss der Strom so weit wie möglich reduziert werden, und die Leistung wird mit einer hohen Spannung übertragen, um eine konstante Übertragungsleistung zu erhalten.
Sonstige Informationen zu Leistungstransformatoren
Für den inneren Eisenkern der Leistungstransformatoren-Struktur wird Siliziumstahl oder amorpher Stahl verwendet. Aufgrund der höheren Kosten für amorphen Stahl wird jedoch häufig ein laminierter Eisenkern aus gestapelten Siliziumplatten mit einem Siliziumgehalt von etwa 4 % und einer Dicke von 0,35 mm verwendet.
Leistungstransformatoren können einfach oder doppelt gewickelt sein. Obwohl normalerweise die doppelte Wicklung verwendet wird, weil die Primär- und Sekundärspulen isoliert werden können, wird wegen der größeren Abmessungen und der höheren Kosten manchmal die einfache Wicklung verwendet.
Leistungstransformatoren müssen gekühlt werden, um eine Wärmeentwicklung aufgrund von Spannungsumwandlungsverlusten zu vermeiden. Leistungstransformatoren sind zu diesem Zweck ölgefüllte oder trockene (gegossene) Transformatoren. Bei ersteren wird das Isolieröl im Inneren des Leistungstransformators getränkt, um für Kühlung zu sorgen, während trockene oder gegossene Leistungstransformatoren, die einen Kühlmechanismus mit Lack oder Epoxidharz enthalten, unter dem Gesichtspunkt des Katastrophenschutzes in Krankenhäusern und Bürogebäuden häufig eingesetzt werden.