Step-Up Vs. Step-Down Three-Phase Transformers

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Ein Transformator (auch Aufwärts- und Abspanntransformator genannt) ist ein Gerät, das zur Einstellung von Strom- und Spannungspegeln in einem Wechselstromkreis verwendet wird. Als Teil eines Wechselstrom-Übertragungsstromkreises werden Transformatoren eingesetzt, um die Übertragungsspannung auf einen höheren Wert zu erhöhen, um den Leistungsverlust zu reduzieren, und dann wieder, um die Spannung auf sichere Werte für die Nutzung durch Kunden und Geräte zu senken. Diese Spannungsumwandlung wird durch elektromagnetische Induktion erreicht.

Ein einfacher Einphasentransformator hat zwei Spulen, eine primäre und eine sekundäre, die auf einen gemeinsamen Magnetkern gewickelt sind. Wird an die Primärseite eine elektrische Spannung angelegt, wird in der Sekundärseite eine Spannung induziert. Das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung ist gleich dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen in der Primärspulenwicklung und der Sekundärspulenwicklung, was als Windungsverhältnis bezeichnet wird. Spannung und Strom stehen in einem umgekehrten Verhältnis zueinander, daher wird der Strom in der Sekundärspulenwicklung in demselben Verhältnis reduziert, in dem die Spannung erhöht wurde, wodurch die Gesamtleistung in den Primär- und Sekundärwicklungen erhalten bleibt.

In Stromübertragungssystemen werden jedoch am häufigsten dreiphasige Transformatoren verwendet. In symmetrischen Drehstromkreisen hat die Wechselspannung in jeder Phase eine Phasendifferenz von 120 Grad gegenüber der nächsten Phase. Dreiphasentransformatoren bestehen aus drei Primär- und drei Sekundärwicklungen, die entweder in einer Stern- oder Dreieckskonfiguration gewickelt sind. Diese Art von Transformatoren arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip wie Einphasentransformatoren.

Nachfolgend werden die Unterschiede zwischen dreiphasigen Aufwärts- und Abwärtstransformatoren erläutert.

Was sind Aufwärtstransformatoren?

Ein Aufwärtstransformator wird zur Erhöhung der Übertragungsspannung verwendet, um Leitungsverluste zu reduzieren. Durch die Erhöhung der Spannung sinkt der Leitungsstrom proportional und die Verlustleistung durch den Leitungswiderstand wird reduziert. Der geringere Strom ermöglicht auch die Verkleinerung von Leitern auf kleinere Durchmesser. Typischerweise wird Strom mit 11 kV erzeugt und mit 22 kV bzw. 44 kV und höheren Spannungsebenen übertragen. Aufwärtstransformatoren werden in diesem Stadium eingesetzt, um die Übertragungsspannung auf diese Ebenen zu erhöhen. Eine weitere Anwendung für Aufwärtstransformatoren sind Motorstromkreise, wo sie als Anlasser für Elektromotoren eingesetzt werden, da die höhere Spannung die Motordrehung einleiten und den Anlaufwiderstand überwinden kann.

Aufgrund des relativ hohen Wertes des Primärstroms haben diese Transformatoren Primärwicklungen, die aus dickem, isoliertem Kupfer bestehen. Neben der Anzahl der Primär- und Sekundärwindungen hängt die Sekundärspannung eines Drehstromkreises auch von der Art der Wicklungsanordnung ab. Beispielsweise führt eine Dreieck-Stern-Schaltung, bei der die Primärwicklungen im Dreieck und die Sekundärwicklungen im Stern geschaltet sind, zu einer Erhöhung der Netzspannung um den Faktor 1,732 oder die Quadratwurzel aus 3 mal dem Windungsverhältnis. Dieser Faktor muss bei der Berechnung des erforderlichen Windungsverhältnisses eines Drehstromtransformators berücksichtigt werden, um den gewünschten Wert der Aufwärtsspannung zu erreichen.

Was sind Abspanntransformatoren?

Am Ende einer Übertragungsleitung muss die hohe Übertragungsspannung auf niedrigere Werte reduziert werden, da die Stromverteilung und letztendlich der Stromverbrauch bei viel niedrigeren Spannungen erfolgt. Da die meisten elektrischen Geräte mit Spannungen in der Größenordnung von 240 V arbeiten, ist es notwendig, die Übertragungsspannung im kV-Bereich drastisch abzusenken. Dreiphasige Abspanntransformatoren werden in solchen Fällen eingesetzt.

Nach dem gleichen Prinzip wie ein Aufspanntransformator wandeln diese Geräte die Hochspannung mit niedrigem Strom in der Primärseite in Hochstrom mit niedriger Spannung in der Sekundärseite um. Typische Sekundärspannungen liegen in der Größenordnung von einigen hundert Volt, und diese Transformatoren sind mit dicken Kupferwicklungen in den Sekundärspulen ausgestattet, um die höheren Sekundärströme aufzunehmen, die aus der herabgesetzten Spannung resultieren. In einer Stern-Dreieck-Konfiguration wird die Spannung automatisch um denselben Faktor von 1,732 oder der Quadratwurzel von 3 mal dem Windungsverhältnis heruntergestuft.

Die Vielseitigkeit von Dreiphasen-Transformatoren

Dreiphasen-Transformatoren werden universell in einer Vielzahl von Stromsystemen eingesetzt, sowohl in Übertragungs- als auch in Verteilungsschaltungen. Diese Transformatoren können auch in jeder Industrie eingesetzt werden, die spezielle dreiphasige Geräte verwendet. Da sie eine elektrische Isolierung zwischen zwei Teilen eines Stromkreises bieten, können sie die Sicherheit erheblich verbessern und ermöglichen gleichzeitig leichtere, kompaktere Lösungen als drei einphasige Transformatoren, die die gleiche Leistung liefern. Außerdem liefert ein symmetrischer Dreiphasentransformator Strom mit besseren elektrischen Eigenschaften als drei unabhängige Einphasentransformatoren. Aus diesen Gründen dienen Drehstromtransformatoren als integrale Bestandteile in allen Arten von modernen Elektroinstallationen.