Warum Transformatoren bei Gleichstrom versagen: Die Risiken erklärt

Was passiert, wenn die Primärwicklung eines Transformators an Gleichstrom angeschlossen wird?

Ein Transformator ist ein Gerät, das den Pegel von Wechselstrom oder -spannung erhöht oder verringert, ohne die Primärfrequenz (d. h. die Eingangsfrequenz) zu ändern.

Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselstrom und kann nicht mit Gleichstrom betrieben werden – er ist ausschließlich für den Betrieb mit Wechselstrom und -spannung ausgelegt. Um zu verstehen, was passiert, wenn man eine Gleichstromquelle an die Primärwicklung eines Transformators anschließt, betrachten wir die folgenden Beispiele, bei denen wir einen Transformator zuerst an Wechselstrom und dann an Gleichstrom anschließen.

Transformator an Wechselstromversorgung angeschlossen

Angenommen, wir schließen einen Transformator an die Wechselstromversorgung mit den folgenden Daten an:

• Primärspannung = V₁ = 230 V
• Widerstand = R₁ = 10 Ω
• Induktivität = L = 0,4 H
• Quellenfrequenz = 50 Hz

Sehen wir uns an, wie viel Strom durch die Primärwicklung des Transformators im Wechselstromfall fließt.

Wir wissen, dass der Widerstand im Wechselstrom = Impedanz ist.

Impedanz = Z = V / I in Ω

Wobei Z = √ (R² + X_L)² im induktiven Stromkreis.

X_L = 2πfL

X_L = 2 × 3,1415 × 50 Hz × 0,4 H

X_L = 125,67 Ω

Nun für die Impedanz:

Z = √ (R² + X_L)²

Werte eingesetzt:

Z = √ (10² Ω + 125,67² Ω)

Z = 126,1 Ω

Nun der Strom in der Primärwicklung:

I = V / Z

I = 230 V / 126,1 Ω = 1,82 A

Der Primärstrom bei Wechselstrom = 1,82 A

Transformator an Gleichstromversorgung angeschlossen

Nun schließen wir denselben Transformator an die Gleichspannung an und sehen, was passiert.

Wir wissen, dass es bei Gleichstrom keine Frequenz gibt, also f = 0. Daher wäre der induktive Blindwiderstand X_L null, wenn wir f = 0 in die Formel X_L = 2πfL einsetzen.

Daher ist der Strom in der Primärwicklung des Transformators bei Gleichstromquelle:

I = V / R

I = 230 V / 10 Ω

I = 23 A.

Der Primärstrom bei Gleichstrom = 23 A

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Die obige Berechnung zeigt, dass bei Gleichstromversorgung ein übermäßiger Strom in der Primärwicklung des Transformators fließt, der die Primärspulen verbrennen wird. Dies ist nicht der einzige Grund; da der Strom Gleichstrom ist, sehen wir nun, was im stationären Zustand im Transformator passiert.

Wenn die Primärwicklung eines Transformators an die Gleichstromversorgung angeschlossen wird, zieht die Primärwicklung einen konstanten Strom und erzeugt somit einen konstanten Fluss. Folglich wird keine Gegen-EMK erzeugt. Die Primärwicklung zieht aufgrund des geringen Widerstands der Primärwicklung einen übermäßigen Strom, da wir wissen, dass der induktive Blindwiderstand (X_L) aufgrund der Formel für den induktiven Blindwiderstand (X_L = 2πfL) null ist, wo die Frequenz der Gleichstromquelle null ist. Das Ergebnis ist, dass die Primärwicklung überhitzt und durchbrennt oder die Sicherung und der Leitungsschutzschalter auslösen. Es muss darauf geachtet werden, die Primärwicklung eines Transformators nicht an die Gleichstromversorgung anzuschließen.

Warum kann ein Transformator nicht mit Gleichstrom statt Wechselstrom betrieben werden?

Wenn wir die Gleichspannung oder den Gleichstrom an die Primärwicklung eines Transformators anlegen, sind die folgenden Ergebnisse zu erwarten:

Wir wissen, dass:

v = L (di/dt)

Wobei:

• v = Momentanspannung über den Primärspulen
• L = Induktivität der Spule
• di/dt = Momentane Stromänderungsrate in A/s

In diesem Fall ist die Spannung konstant, also Gleichstrom. Nun wird der Strom (i) schnell ansteigen, bis der Eisenkern des Transformators gesättigt ist.

In diesem Stadium steigt der Strom (i) auf ein gefährliches Niveau und hört auf, sich zu ändern. Wenn es keine Änderung des Stroms (i) gibt, wird die induzierte Spannung in der Primärwicklung null sein, da di/dt = 0, was zu einem Kurzschluss der Transformatorwicklung mit der angelegten Gleichstromquelle führt.

Wenn der Strom den sicheren Wert überschreitet, tritt ein hoher Leistungsverlust auf als P = I²R, was die Temperatur auf ein gefährliches Niveau ansteigen lässt und die Gefahr einer Explosion des Transformators sowie eines Brandes des Transformatoröls besteht.

Oder betrachten wir es nach dem zweiten Faradayschen Gesetz:

e = N dΦ / dt

Wobei:

• e = Induzierte EMK
• N = Anzahl der Windungen
• dΦ = Flussänderung
• dt = Zeitänderung

Im Fall von Gleichspannung am Transformator würde ein konstanter Fluss (Φ) in der Primärwicklung durch den konstanten Strom induziert.

Die induzierte EMK in der Primärwicklung wird nun null sein, da (dΦ/dt = 0), also e = N dϕ/dt = 0 aufgrund des konstanten, durch den konstanten Strom induzierten Flusses.

Wir wissen auch, dass es bei Gleichstromversorgung keine Frequenz gibt und der Fluss umgekehrt proportional zur Frequenz ist (Φ = V / f), was den Transformatorkern sättigt.

Das bedeutet, die Primärwicklung des Transformators wirkt als Kurzschlussweg für den zusätzlichen Gleichstrom, der den gesamten Transformator zerstören kann. Das ist der genaue Grund, warum wir einen Transformator nicht an die Gleichstromversorgung anstatt an Wechselstrom anschließen sollten.

Unter welchen Bedingungen kann Gleichstrom sicher an die Primärwicklung eines Transformators angelegt werden?

In den meisten Fällen handelt es sich um eine typische Vorstellungsfrage im Elektro- und Elektronikingenieurwesen. Sehen wir uns an, wie man einen Transformator an die Gleichstromversorgung anschließen kann.

Es gibt zwei Bedingungen, unter denen wir einen Transformator an Gleichstrom anschließen können:

• Gepulster Gleichstrom als Eingang
• Hoher Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung

Gepulster Gleichstrom im Transformator

Bei dieser Methode wird ein gepulster Gleichstrom (der Rippeln enthält und keine reine Form von stationärem Strom ist) der Primärseite eines Transformators zugeführt. In diesem Fall setzt der negative Zyklus den Fluss zurück, und das Zeitintegral der Spannung ist in einem vollständigen Zyklus null, was wiederum hilft, den Fluss in der Wicklung zurückzusetzen. Dieses Konzept wird in SMPS (Schaltnetzteilen) verwendet.

Hoher Widerstand in Reihe mit dem Transformator

Wie wir wissen, funktioniert ein Transformator nur mit Wechselstrom. Im Falle einer Gleichstromversorgung kann die Primärwicklung eines Transformators anfangen zu rauchen und zu brennen. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, einen Transformator mit Gleichstrom zu betreiben (obwohl der Schaltkreis nutzlos ist und keine Ausgabe liefert), indem man einen hochohmigen Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators hinzufügt.

Wenn die Primärwicklung eines Transformators an eine Gleichstromversorgung angeschlossen werden soll, wird ein hoher Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet. Dieser Serienwiderstand begrenzt den Primärstrom auf einen sicheren Gleichstromwert und verhindert so, dass die Primärwicklung durchbrennt.

Bitte beachten Sie: Schließen Sie einen Transformator nicht ohne einen hochohmigen Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung an die Gleichstromversorgung an. Da es bei Gleichstrom keine Frequenz gibt, ist die Impedanz (Z) der Spule null. Wenn Sie Z = 0 in I = V/Z einsetzen, wird der Strom extrem hoch sein, d. h. die Spule wirkt als Kurzschluss für die Gleichspannung und -ströme.