Hoch- und Niederspannungstransformatoren erklärt: Spannung, Strom und Leistungsverteilung

Vorherige Abschnitte zeigten Transformatorsimulationen, bei denen Primär- und Sekundärwicklung gleiche Induktivität hatten, was zu annähernd gleicher Spannung und Strom auf beiden Seiten führte.

Wenn die Induktivitäten sich unterscheiden, verhält sich der Transformator anders.

transformator v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end

freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primärwicklung freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Sekundärwicklung

Man beachte, wie die Sekundärspannung etwa um den Faktor zehn niedriger ist als die Primärspannung (0,9962 V vs. 10 V), während der Sekundärstrom etwa um den Faktor zehn höher ist (0,9962 mA vs. 0,09975 mA).

Dies ist ein klassischer Niederspannungstransformator: Er reduziert die Spannung um den Faktor zehn und erhöht den Strom um denselben Faktor.

Übersetzungsverhältnis 10:1 ergibt ein 10:1 Primär-zu-Sekundär-Spannungsverhältnis und ein 1:10 Stromverhältnis.

Was sind Hoch- und Niederspannungstransformatoren?

Transformatoren sind für moderne Energiesysteme unverzichtbar. Indem sie die Spannung erhöhen und den Strom verringern, ermöglichen sie effiziente Fernübertragung, minimieren Leitungsverluste und erlauben den Einsatz von Hochspannung, Niedrigstrom über ausgedehnte Netze.

Sowohl im Erzeugerwerk als auch auf der Verbraucherseite reduzieren dedizierte Transformatoren die Spannung auf sicherere, wirtschaftlichere Niveaus.

Ein Transformator, der die Spannung von Primär zu Sekundär erhöht (mehr Sekundärwindungen als Primär), heißt Hochspannungstransformator. Das Gegenteil, das die Spannung senkt, ist ein Niederspannungstransformator.

Transformatorquerschnitt: Primär (viele Windungen) und Sekundär (wenige Windungen).

In einem Niederspannungsgerät muss der Sekundärkreis den höheren Strom führen, daher wird er mit dickerem Draht gewickelt, während der Primärkreis dünneren Draht verwenden kann.

Umkehrbarkeit des Transformatorbetriebs

Transformatoren können prinzipiell umgekehrt betrieben werden – AC an den Sekundärkreis anlegen und Leistung vom Primärkreis entnehmen. Dies kann einen Hochspannungstransformator in einen Niederspannungstransformator und umgekehrt verwandeln, sofern Wicklungsspannungen und -ströme innerhalb ihrer ursprünglichen Auslegungsgrenzen bleiben, um Ineffizienz oder Schäden zu vermeiden.

Transformator-Kennzeichnung

Die Industriepraxis kennzeichnet Wicklungen oft, um Verwechslungen zu vermeiden. Die höher-spannungsseitige Wicklung erhält eine „H“-Bezeichnung (H1, H2, …), während die niedriger-spannungsseitige Wicklung mit „X“ (X1, X2, …) markiert wird. Diese Konventionen helfen Technikern, Primär- und Sekundäranschlüsse zu identifizieren, besonders in komplexen Installationen.

Praktische Bedeutung von Hoch- und Niederspannungstransformatoren

Transformatoren verteilen nur vorhandene Leistung um; sie erzeugen sie nicht. Das Produkt aus Spannung und Strom (Leistung) bleibt konstant – abgesehen von wenigen Prozent Verlusten durch Kern- und Kupferverluste – und ehrt das Energieerhaltungsgesetz.

Bevor effiziente Transformatoren existierten, führten Motorgenerator-Sätze Spannungsumwandlung durch. Zwar effizient, umfassten diese Maschinen zwei Umwandlungsstufen, was den Gesamtwirkungsgrad auf ca. 90 % oder weniger reduzierte und mechanischen Verschleiß einführte.

Im Gegensatz dazu haben Transformatoren keine beweglichen Teile, erreichen hohe Wirkungsgrade (oft >98 %) und sind essenziell für die zuverlässige, wirtschaftliche Stromverteilung.

Jedoch können Transformatoren die Frequenz von Wechselstrom nicht ändern oder zwischen AC und DC wandeln. Für solche Aufgaben sind Motorgenerator-Sätze oder Leistungselektronik erforderlich.

Motorgenerator-Sätze bieten auch kinetische Energiespeicherung: Fällt die Primärversorgung aus, kann die rotierende Masse den Generator kurzzeitig weiter antreiben und transiente Störungen glätten.

Analyse des Hoch- und Niederspannungstransformatorbetriebs

Die SPICE-Ergebnisse zeigen, dass das Induktivitätsverhältnis der Wicklungen die Spannungs- und Stromverhältnisse bestimmt. In unserem Beispiel hat die Primärspule (l1) 10.000 H gegenüber 100 H für den Sekundärkreis – ein Induktivitätsverhältnis von 100:1.

Da die Induktivität proportional zum Quadrat der Windungszahl ist (L ∝ N²), entspricht ein 100:1 Induktivitätsverhältnis einem 10:1 Windungsverhältnis. Folglich entsprechen auch das Spannungs- und Stromverhältnis 10:1.

Induktivität ∝ N².

Damit ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators einfach das Verhältnis der Primär- zu Sekundärwindungen.

Niederspannungstransformator: viele Windungen am Primärkreis, wenige am Sekundärkreis.

Wie Getriebe, die Drehzahl und Drehmoment tauschen, tauschen Transformator-Windungsverhältnisse Spannung gegen Strom (oder umgekehrt).

Getriebe-Analogie: Drehmoment reduzieren, Drehzahl erhöhen.

Große Leistungstransformatoren können die Größe eines Hauses haben. Das Bild unten zeigt einen Umspannwerkstransformator von ca. zwölf Fuß Höhe.

Umspannwerkstransformator.

Zusammenfassung

• Transformatoren ändern die Spannung im Verhältnis der Primär- zu Sekundärwindungen.
• Ein Hochspannungstransformator erhöht die Spannung; ein Niederspannungstransformator senkt sie.
• Das Übersetzungsverhältnis entspricht der Quadratwurzel des Primär-zu-Sekundär-Induktivitätsverhältnisses.

Siehe Hochspannungs-, Niederspannungs- und Isolationstransformatoren Arbeitsblatt für Übungsaufgaben.