Was ist ein Leistungstransformator und wie funktioniert er?

In einigen unserer vorherigen Artikel haben wir die Grundlagen des Transformators und seine verschiedenen Typen erörtert. Einer der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Transformatoren ist der Leistungstransformator. Es wird sehr häufig zum Erhöhen und Verringern der Spannung an der Stromerzeugungsstation bzw. der Verteilerstation (oder dem Umspannwerk) verwendet.

Betrachten Sie beispielsweise das oben gezeigte Blockdiagramm. Hier wird der Leistungstransformator zweimal verwendet, während ein Verbraucher, der weit vom Kraftwerk entfernt ist, mit Strom versorgt wird.

Zum ersten Mal ist im Kraftwerk, um die vom Windgenerator erzeugte Spannung zu erhöhen.
Zweitens ist an der Verteilerstation (oder Unterstation), um die am Ende der Übertragungsleitung empfangene Spannung zu verringern.

Stromausfall in Übertragungsleitungen

Es gibt viele Gründe für die Verwendung eines Leistungstransformators in Stromversorgungssystemen. Einer der wichtigsten und einfachsten Gründe für die Verwendung des Leistungstransformators ist jedoch die Reduzierung der Leistungsverluste während der Stromübertragung.

Lassen Sie uns nun sehen, wie der Leistungsverlust durch die Verwendung eines Leistungstransformators erheblich reduziert wird:

Erstens ist die Gleichung des Leistungsverlusts P = I * I * R.

Hier ist I = Strom durch den Leiter und R = Widerstand des Leiters.

Der Leistungsverlust ist also direkt proportional zum Quadrat des Stroms, der durch den Leiter oder die Übertragungsleitung fließt. Verringern Sie also die Stromstärke, die durch den Leiter fließt, und verringern Sie die Leistungsverluste.

Wie wir diese Theorie nutzen werden, wird unten erklärt:

Angenommen, die Anfangsspannung beträgt 100 V und die Last zieht = 5 A und die abgegebene Leistung = 500 Watt. Dann müssen die Übertragungsleitungen hier einen Strom der Größe 5A von der Quelle zur Last führen. Wenn wir jedoch die Spannung im Anfangsstadium auf 1000 V erhöhen, müssen die Übertragungsleitungen nur 0,5 A führen, um die gleiche Leistung von 500 Watt zu liefern.
Wir werden also die Spannung am Anfang der Übertragungsleitung mithilfe eines Leistungstransformators erhöhen und einen anderen Leistungstransformator verwenden, um die Spannung am Ende der Übertragungsleitung zu verringern.
Mit diesem Aufbau wird die Größe des Stromflusses durch die 100 + Kilometer-Übertragungsleitung erheblich reduziert, wodurch der Leistungsverlust während der Übertragung verringert wird.

Unterschied zwischen Leistungstransformator und Verteilungstransformator

Der Leistungstransformator wird normalerweise unter Volllast betrieben, da er für einen hohen Wirkungsgrad bei 100% Last ausgelegt ist. Andererseits hat der Verteilungstransformator einen hohen Wirkungsgrad, wenn die Last zwischen 50% und 70% bleibt. Daher sind Verteilungstransformatoren nicht für einen kontinuierlichen Betrieb mit 100% Last geeignet.
Da Leistungstransformatoren beim Hoch- und Herunterfahren zu hohen Spannungen führen, weisen die Wicklungen im Vergleich zu Verteiltransformatoren und Instrumententransformatoren eine hohe Isolation auf.
Da sie eine hochgradige Isolierung verwenden, sind sie sehr sperrig und auch sehr schwer.
Da Leistungstransformatoren normalerweise nicht direkt an Haushalte angeschlossen sind, treten weniger Lastschwankungen auf, während bei Verteiltransformatoren starke Lastschwankungen auftreten.
Diese sind 24 Stunden am Tag voll beladen, sodass Kupfer- und Eisenverluste den ganzen Tag über auftreten und die ganze Zeit über sehr gleich bleiben.
Die Flussdichte im Leistungstransformator ist höher als im Verteilungstransformator.

Funktionsprinzip des Leistungstransformators

Der Leistungstransformator arbeitet nach dem Prinzip des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion. Es ist das Grundgesetz des Elektromagnetismus, das das Funktionsprinzip von Induktivitäten, Motoren, Generatoren und elektrischen Transformatoren erklärt.

Das Gesetz besagt: " Wenn ein geschlossener oder kurzgeschlossener Leiter in die Nähe eines variierenden Magnetfelds gebracht wird, wird der Stromfluss in diesem geschlossenen Regelkreis erzeugt ."

Um das Gesetz besser zu verstehen, wollen wir es genauer diskutieren. Betrachten wir zunächst ein Szenario.

Stellen Sie sich einen Permanentmagneten vor und ein Leiter wird zuerst nahe beieinander gebracht.

Dann wird der Leiter an beiden Enden mit einem Draht kurzgeschlossen, wie in der Abbildung gezeigt.
In diesem Fall fließt kein Strom im Leiter oder in der Schleife, da das die Schleife schneidende Magnetfeld stationär ist und wie im Gesetz erwähnt, nur ein sich änderndes oder änderndes Magnetfeld Strom in der Schleife erzwingen kann.
Im ersten Fall des stationären Magnetfelds gibt es also keinen Fluss in der Leiterschleife.

dann ändert sich das Magnetfeld, das die Schleife schneidet, ständig. Da in diesem Fall ein variierendes Magnetfeld vorhanden ist, spielen die Faradayschen Gesetze eine Rolle, und dadurch können wir einen Stromfluss in der Leiterschleife sehen.

Wie Sie in der Abbildung sehen können, sehen wir nach dem Hin- und Herbewegen des Magneten einen Strom 'I', der durch den Leiter und den geschlossenen Regelkreis fließt.

um es durch andere variierende Magnetfeldquellen wie unten zu ersetzen.

Nun werden eine Wechselspannungsquelle und ein Leiter verwendet, um ein variierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Nachdem sich die Leiterschleife dem Magnetfeldbereich angenähert hat, können wir eine EMF sehen, die über dem Leiter erzeugt wird. Aufgrund dieser induzierten EMF haben wir einen Stromfluss 'I'.
Die Größe der induzierten Spannung ist proportional zur Feldstärke der zweiten Schleife. Je höher die Magnetfeldstärke ist, desto höher ist der Stromfluss in der geschlossenen Schleife.

Obwohl es möglich ist, einen einzelnen Leiter zu verwenden, um das Faradaysche Gesetz zu verstehen. Für eine bessere praktische Leistung wird jedoch die Verwendung einer Spule auf beiden Seiten bevorzugt.

Hier fließt ein Wechselstrom durch die Primärspule1, der das sich ändernde Magnetfeld um die Leiterspulen erzeugt. Und wenn die Spule2 in den Bereich des von der Spule1 erzeugten Magnetfelds eintritt, wird aufgrund des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion eine EMF-Spannung an der Spule2 erzeugt. Und aufgrund dieser Spannung in Spule2 fließt ein Strom 'I' durch den sekundären geschlossenen Stromkreis.

Jetzt müssen Sie daran denken, dass beide Spulen in der Luft schweben, sodass das vom Magnetfeld verwendete Leitungsmedium Luft ist. Und die Luft hat im Vergleich zur Metalle einen höheren Widerstand bei der Magnetfeldleitung. Wenn wir also einen Metall- oder Ferritkern als Medium für das elektromagnetische Feld verwenden, können wir eine elektromagnetische Induktion gründlicher erfahren.

Lassen Sie uns nun zum besseren Verständnis das Luftmedium durch das Eisenmedium ersetzen.

Wie in der Abbildung gezeigt, können wir einen Eisen- oder Ferritkern verwenden, um den Magnetflussverlust während der Energieübertragung von einer Spule zu einer anderen Spule zu reduzieren. Während dieser Zeit ist der in die Atmosphäre austretende Magnetfluss erheblich geringer als die Zeit, in der wir Luftmedium als Kern verwendet haben, ist ein sehr guter Leiter des Magnetfelds.

Sobald das Feld von Spule1 erzeugt wird, fließt es durch den Eisenkern und erreicht die Spule2. Aufgrund des heutigen Gesetzes erzeugt Spule2 eine EMF, die von dem über Spule2 angeschlossenen Galvanometer abgelesen wird.

Wenn Sie nun genau hinschauen, finden Sie diesen Aufbau ähnlich einem einphasigen Transformator. Und ja, jeder heute vorhandene Transformator arbeitet nach dem gleichen Prinzip.

Betrachten wir nun den vereinfachten Aufbau des Drehstromtransformators.

Dreiphasentransformator

Das Gerüst des Transformators besteht aus abgesteckten Blechen, die zum Tragen des Magnetflusses verwendet werden. Im Diagramm sehen Sie, dass das Skelett grau gestrichen ist. Das Skelett hat drei Säulen, auf die Wicklungen mit drei Phasen gewickelt sind.
Die Wicklung mit niedrigerer Spannung wird zuerst gewickelt und näher an den Kern gewickelt, während die Wicklung mit höherer Spannung auf die Wicklung mit niedrigerer Spannung gewickelt wird. Denken Sie daran, dass beide Wicklungen durch eine Isolierschicht getrennt sind.
Hier repräsentiert jede Spalte eine Phase, also haben wir für drei Spalten eine dreiphasige Wicklung.
Dieser gesamte Aufbau von Skelett und Wicklung wird zur besseren Wärmeleitfähigkeit und Isolierung in einen versiegelten Tank getaucht, der mit Industrieöl gefüllt ist.
Nach dem Wickeln wurden die Endanschlüsse aller sechs Spulen durch einen HV-Isolator aus dem abgedichteten Tank herausgeführt.
Die Klemmen sind in ausreichendem Abstand voneinander befestigt, um Funkensprünge zu vermeiden.

Merkmale des Leistungstransformators

Nennleistung	3 MVA bis zu 200 MVA
Primärspannungen typisch	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Sekundärspannungen typischerweise	3,3, 6,6, 11, 33, 66, 132 kV oder kundenspezifische Spezifikation
Phasen	Ein- oder Dreiphasentransformatoren
Nennfrequenz	50 oder 60 Hz
Tippen	Last- oder Laststufenschalter
Temperaturanstieg	60 / 65C oder kundenspezifische Spezifikation
Kühlart	ONAN (Oil Natural Air Natural) oder andere Arten der Kühlung wie KNAN (max. 33 kV) auf Anfrage
Heizkörper	Tankkühlkühlerplatten
Vektorgruppen	Dyn11 oder eine andere Vektorgruppe gemäß IEC 60076
Spannungsregulierung	Über Laststufenschalter (standardmäßig mit AVR-Relais)
HV- und LV-Klemmen	Luftkabelbox Typ (max. 33 kV) oder offene Buchsen
Installationen	Innen oder Außen
Lautstärke	Gemäß ENATS 35 oder NEMA TR1

Anwendungen der Energieübertragung

Der Leistungstransformator wird hauptsächlich zur Stromerzeugung und an Verteilerstationen eingesetzt.
Es wird auch in Trenntransformatoren, Erdungstransformatoren, Sechs-Puls- und Zwölf-Puls-Gleichrichtertransformatoren, Solar-PV-Farmtransformatoren, Windpark-Transformatoren und im Korndörfer-Spartransformator-Starter verwendet.
Es wird zur Reduzierung von Leistungsverlusten während der Stromübertragung verwendet.
Es wird für Hochspannungserhöhung und Hochspannungsabsenkung verwendet.
Es wird in Fällen von Fernkonsumenten bevorzugt.
Und bevorzugt in Fällen, in denen die Last rund um die Uhr mit voller Kapazität läuft.