Leistungstransformatorbetrieb für aktive, induktive und kapazitive Lasten

Ein Transformator ist eine elektrische Maschine, die Wechselstrom einer Spannung in Wechselstrom einer anderen Spannung umwandelt. Das Funktionsprinzip des Transformators basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion.

Die ersten Stromübertragungsnetze nutzten Gleichstrom. Die Spannung in den Netzen hängt von der Isolationsfähigkeit der verwendeten Materialien ab und beträgt üblicherweise 110 V.

Mit der Erhöhung der Übertragungsleistung der Netze wurde es notwendig, den Leitungsquerschnitt zu vergrößern, damit die Spannungsverluste innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben.

Und erst die Erfindung des Transformators ermöglichte es, elektrische Energie in großen Kraftwerken wirtschaftlich zu erzeugen, sie mit hoher Spannung über große Entfernungen zu übertragen und die Spannung dann auf einen sicheren Wert zu reduzieren, bevor sie den Strom an die Verbraucher liefert.

Ohne Transformatoren wären heutige Stromnetzstrukturen mit ihren Hoch- und Höchst-, Mittel- und Niederspannungsebenen nicht möglich. Transformatoren werden sowohl in einphasigen als auch in dreiphasigen Stromnetzen eingesetzt.

Der Betrieb eines Dreiphasen-Leistungstransformators variiert stark je nach der Last, mit der er betrieben wird – aktiv, induktiv oder kapazitiv. Unter realen Bedingungen ist die Transformatorlast eine aktiv-induktive Last.

Abbildung 1 – Dreiphasen-Leistungstransformator

1. Aktiver Lademodus

In diesem Modus liegt die Primärwicklungsspannung nahe am Nennwert U1 = U1nom, der Primärwicklungsstrom I1 wird durch die Transformatorlast bestimmt und der Sekundärstrom wird durch den Nennstrom I2nom = P2 / U2nom bestimmt.

Anhand der Messdaten wird der Wirkungsgrad des Transformators analytisch ermittelt:

Effizienz = P2 / P1,

Dabei ist P1 die Wirkleistung der Primärwicklung des Transformators und P2 die von der Sekundärwicklung des Transformators an den Versorgungskreis gelieferte Leistung.

Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Transformators vom relativen Strom der Primärwicklung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 – Abhängigkeit des Transformatorwirkungsgrads vom relativen Strom der Primärwicklung

Im aktiven Lastmodus ist der Stromvektor der Sekundärwicklung gleich groß wie der Spannungsvektor der Sekundärwicklung, daher führt ein Anstieg des Laststroms zu einem Abfall der Spannung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung des Transformators.

Ein vereinfachtes Vektordiagramm der Ströme und Spannungen für diese Art von Transformatorlast ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 – Vereinfachtes Vektordiagramm der aktiven Lastströme und Spannungen des Transformators

2. Betriebsart für induktive Last

Im induktiven Lastmodus eilt der Stromvektor der Sekundärwicklung dem Spannungsvektor der Sekundärwicklung um 90 Grad nach. Eine Verringerung des Wertes der mit der Sekundärwicklung des Transformators verbundenen Induktivität führt zu einem Anstieg des Laststroms, was zu einer Verringerung der Sekundärspannung führt.

Ein vereinfachtes Vektordiagramm der Ströme und Spannungen für diese Art von Transformatorlast ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4 – Vereinfachtes Vektordiagramm der Transformatorströme und -spannungen im induktiven Lastmodus

3. Funktionsweise mit kapazitiver Last

Im kapazitiven Lastmodus liegt der Stromvektor der Sekundärwicklung um 90 Grad vor dem Spannungsvektor der Sekundärwicklung. Eine Erhöhung der an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossenen Kapazität führt zu einem Anstieg des Laststroms, was zu einem Anstieg der Sekundärspannung führt.

Ein vereinfachtes Vektordiagramm der Ströme und Spannungen für diese Art von Transformatorlast ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 – Vereinfachtes Vektordiagramm der Ströme und Spannungen im kapazitiven Lastmodus des Transformators