Wie funktioniert ein Arbeiten an einem 3-Phasen-Autotransformator? Er legt drei Wechselspannungen, die um 120 elektrische Grad voneinander beabstandet sind, an drei Anzapfwicklungen an, die über gemeinsame Ein- und Ausgangsabschnitte verfügen. Der wechselnde Strom erzeugt einen Magnetfluss im Kern, der entlang jeder Wicklung eine Spannung induziert. Durch den Anschluss der Last an ausgewählte Anzapfstellen liefert der Transformator eine höhere oder niedrigere Dreiphasenspannung, wobei die Versorgungsfrequenz und die Phasenfolge beibehalten werden.
Die Suche nach “3-Phasen-Autotransformator” führt oft zu Einphasen-Schaltplänen, die nicht erklären, was sich bei einem dreiphasigen Gerät ändert. Der wesentliche Unterschied liegt in der Abstimmung: Alle drei Phasenwicklungen müssen hinsichtlich Übersetzungsverhältnis, Polarität und Anschlüssen aufeinander abgestimmt sein, damit der Ausgang weiterhin ein symmetrisches Dreiphasensystem bleibt.
Ein herkömmlicher Transformator mit zwei Wicklungen überträgt Energie magnetisch zwischen isolierten Primär- und Sekundärwicklungen. Ein Autotransformator verwendet pro Phase eine durchgehende Wicklung mit Anzapfungen. Da sich Eingangs- und Ausgangsseite einen Teil dieses Leiters teilen, gelangt die Leistung auf zwei Wegen zur Last: Ein Teil wird durch elektromagnetische Induktion übertragen, ein Teil wird direkt über die gemeinsame Wicklung geleitet.
Aufgrund dieses gemeinsamen Pfades kann ein Autotransformator bei einem geeigneten Spannungsverhältnis kleiner ausfallen und weniger Wicklungsmaterial benötigen. Das ist auch der Grund, warum Eingang und Ausgang nicht galvanisch getrennt. Ein Dreiphasen-Autotransformator dient zur Spannungsumwandlung; er erzeugt weder Dreiphasenstrom aus einer Einphasenquelle, noch wandelt er 50 Hz in 60 Hz um.
Die Quelle liefert L1, L2 und L3. Ihre sinusförmigen Spannungen haben dieselbe Frequenz und denselben Nennwert, sind jedoch um 120 Grad phasenverschoben. Je nach Wicklungsanschluss kann die jeweilige Spannung an jeder Phasenwicklung entweder die Phase-zu-Phase-Spannung oder die Phase-zu-Neutralleiter-Spannung sein.
Der Strom in jeder unter Spannung stehenden Wicklung erzeugt einen wechselnden Magnetfluss im jeweiligen Kernstrang. Bei einem integrierten Dreistrangkern wirken die drei Magnetflüsse über eine gemeinsame magnetische Struktur zusammen. In einer Bankanordnung übernehmen drei aufeinander abgestimmte Einphasen-Einheiten die gleiche Dreiphasenfunktion. Eine symmetrische Bauweise und symmetrische Anschlüsse tragen dazu bei, die Ausgangsspannungen symmetrisch zu halten.
Das Faradaysche Gesetz setzt den sich ändernden Magnetfluss mit der induzierten Spannung in Beziehung. Bei einer idealen Wicklung ist die Spannung proportional zur Anzahl der aktiven Windungen:
Vraus / Vin = Nraus / Nin
Wenn die Last an weniger Windungen als die Versorgungsspannung angeschlossen ist, ist die Ausgangsspannung niedriger. Ist sie an mehr Windungen angeschlossen, ist die Ausgangsspannung höher. Alle drei Phasen weisen das gleiche Windungsverhältnis auf.
Die gemeinsame Wicklung gehört elektrisch sowohl zum Eingangs- als auch zum Ausgangskreis. Ihr Strom entspricht der Vektordifferenz zwischen den Strömen, die mit dem Quellen- und dem Lastbereich verbunden sind, und nicht einfach dem vollen Laststrom in jedem Teil der Spule. Diese Aufteilung verringert die intern umgewandelte kVA-Leistung des Transformators, wenn die beiden Spannungspegel nahe beieinander liegen.
Sobald eine Last angeschlossen ist, fließt Strom entsprechend der Lastimpedanz und dem Leistungsfaktor von den Ausgangsklemmen. Bei einem idealen, symmetrischen Dreiphasensystem gilt:
S = √3 × VL × IL
Auch bei realen Geräten treten Kupferverluste, Kernverluste, Streuimpedanz, Magnetisierungsstrom und Temperaturanstieg auf. Diese Effekte beeinflussen die Regelung, den Wirkungsgrad, den Fehlerstrom und die endgültige Nennleistung in kVA.
Überstromschutz, Erdung, thermische Überwachung, Überspannungsschutz und die richtige Auswahl des Gehäuses tragen dazu bei, Fehler und Betriebsbelastungen zu bewältigen. Da Primär- und Sekundärseite elektrisch miteinander verbunden sind, kann eine Störung auf der Primärseite die Lastseite erreichen. Der Schutz muss auf den tatsächlich verfügbaren Fehlerstrom und das Erdungssystem ausgelegt sein.
A Aufwärts- und Abwärtstransformator Der Betriebsmodus wird über die Verbindung zwischen den Versorgungsanschlüssen und den Ausgangsabgriffen umgeschaltet. Der physikalische Kern und das Wicklungsprinzip bleiben unverändert; die Anzahl der an die Quelle bzw. an die Last angeschlossenen Windungen bestimmt die Umwandlungsrichtung.
| Modus | Verwendungszwecke | Verwendungszwecke von „Load“ | Elektrisches Ergebnis |
|---|---|---|---|
| Abwärtswandler | Noch mehr kurvenreiche Abschnitte | Weniger Kurven | Bei gleicher kVA-Leistung sinkt die Spannung und steigt der verfügbare Strom |
| Step-up | Weniger Kurven | Noch mehr kurvenreiche Abschnitte | Bei gleicher kVA-Leistung steigt die Spannung und der verfügbare Strom sinkt |
Gehen Sie nicht davon aus, dass ein bestimmtes Gerät für die Rückwärtsspeisung geeignet ist. Die Nennwerte für den Wicklungsstrom, die Anzapfstellen, die Anschlüsse, die Regelung, die Schutzvorrichtungen sowie die Herstellerangaben müssen die beabsichtigte Richtung zulassen.
Betrachten wir ein ideales Gerät, das 400 V (Phasen-zu-Phase) aufnimmt und 230 V (Phasen-zu-Phase) abgibt. Sein Nenn-Übersetzungsverhältnis beträgt:
Nraus / Nin = 230 / 400 = 0.575
Wenn eine symmetrische Last von 50 kVA bei 230 V versorgt wird, beträgt der ideale Ausgangsstrom ungefähr:
Iraus = 50.000 / (√3 × 230) ≈ 125,5 A
Der ideale Eingangsstrom bei 400 V beträgt etwa 72,2 A. Der tatsächliche Nennstrom und die Ausgangsspannung hängen vom Wirkungsgrad, der Impedanz, der Temperatur, der Stufenschaltung sowie vom Leistungsfaktor der Last ab. Diese Berechnung veranschaulicht den Zusammenhang; sie ersetzt jedoch nicht die Konstruktions- oder Installationszeichnungen des Herstellers.
Beim Aufbau eines dreiphasigen Autotransformators kann entweder ein integrierter laminierter Dreifachkern oder drei aufeinander abgestimmte einphasige Einheiten verwendet werden. Jede Phase verfügt über einen gemeinsamen Wicklungsabschnitt und einen Serienabschnitt, wobei die Anzapfungen so positioniert sind, dass das vorgegebene Spannungsverhältnis erreicht wird. Die Leiterquerschnittsfläche wird entsprechend dem von jedem Wicklungsabschnitt geführten Strom ausgewählt.
Eine praktische Baugruppe kann außerdem Folgendes umfassen:
Spannung, Kapazität, Frequenz, Gehäuse, Anschlussbelegung, Beschriftungen und Markenzeichen können mithilfe von JOHSUNs ODM/OEM-Anpassungsservice. Vor Abschluss der Bauarbeiten ist eine vollständige Belastungs- und Einbauspezifikation erforderlich.
Ein Schaltplan für einen dreiphasigen Autotransformator zeigt, wie die drei Wicklungen mit Abgriffen, die Netzleiter, die Ausgangsklemmen, der Neutralleiter, die Schutzleiter und die optionalen Abgriffe zueinander in Beziehung stehen. Eine gängige Anordnung ist die Sternschaltung: Ein Ende jeder Wicklung wird an einem gemeinsamen Punkt zusammengeführt, und L1, L2 und L3 werden an die anderen Enden bzw. die vorgesehenen Abgriffe angeschlossen.
Lesen Sie das Diagramm in dieser Reihenfolge:
Wichtig: Eine Durchgangsverbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen kann bei einem Autotransformator normal sein, da diese eine gemeinsame Wicklung haben. Die Installation oder Prüfung von Dreiphasengeräten darf nur von qualifiziertem Elektrofachpersonal unter Verwendung des mitgelieferten Schaltplans auf dem Typenschild, zugelassener Verfahren und der geltenden elektrischen Vorschriften durchgeführt werden.
Das Symbol für einen Dreiphasen-Autotransformator zeigt in der Regel drei Spulen mit Anzapfungen oder eine vereinfachte Darstellung eines Dreiphasen-Geräts mit gemeinsamen Wicklungsanschlüssen. Die gemeinsame Wicklung unterscheidet ihn vom Symbol für einen Trenntransformator, bei dem Primär- und Sekundärwicklungen getrennt dargestellt werden. In Zeichnungen können Y für Stern und D für Dreieckschaltungen.
Das Symbol verdeutlicht die Funktion, nicht jedoch alle Installationsdetails. Anschlussnummern, Abzweigpositionen, Vektorbeziehungen, die Behandlung des Neutralleiters und die Erdung müssen der Projektzeichnung und der Dokumentation des Geräts entnommen werden.
| Auswahlfaktor | Spartransformator | Trenntransformator |
|---|---|---|
| Elektrische Trennung | Keine galvanische Trennung | Getrennte Primär- und Sekundärwicklungen |
| Größe und Wicklungsmaterial | Bei engen Spannungsverhältnissen oft niedriger | In der Regel höher bei vergleichbarer kVA-Leistung |
| Effizienz und Regulierung | Oft günstig | Hängt von der vollständigen magnetischen Kraftübertragung ab |
| Typische Gründe für die Wahl | Effiziente Spannungsanpassung | Anforderungen an Isolierung, Erdung oder Störungsunterdrückung |
Geben Sie die Eingangsspannung und -toleranz, die Ausgangsspannung und -toleranz, die Frequenz, die Leistung in kVA, den Lastleistungsfaktor, den Anlaufstrom, den Einschaltanteil, die Phasen- und Neutralleiteranordnung, die Umgebungstemperatur, die Höhe über dem Meeresspiegel, die Schutzart, die bevorzugte Kühlart, die Anschlüsse, den Schutz sowie die geltenden Normen an. Bei Motoren, Gleichrichtern, Schweißgeräten und anderen Lasten mit hohem Einschaltstrom oder nichtlinearen Lasten sind zusätzliche Angaben erforderlich.
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Bei den folgenden verwandten Produkten handelt es sich um einphasige 110/220-V-Wandler und nicht um dreiphasige Modelle. Sie bieten nützliche Beispiele für die verfügbaren Aufwärts- und Abwärtswandlerkapazitäten sowie -ausführungen:
Nein. Die gemeinsame Wicklung stellt eine leitende Verbindung zwischen Eingang und Ausgang her. Verwenden Sie einen geeigneten Trenntransformator, wenn eine galvanische Trennung erforderlich ist.
Nein. Es regelt die Spannung einer vorhandenen Dreiphasen-Versorgung. Um aus einer Einphasenquelle einen Dreiphasen-Ausgang zu erzeugen, sind andere Umwandlungsgeräte erforderlich.
Nein. Die Ausgangsfrequenz richtet sich nach der Eingangsfrequenz. Für die Frequenzumwandlung ist ein für die Last geeigneter Frequenzumrichter oder ein Antrieb mit variabler Frequenz erforderlich.
Eine Sternschaltung bietet einen praktischen gemeinsamen Anschlusspunkt und reduziert die Phasenwicklungsspannung im Verhältnis zur Netzspannung. Ob sie geeignet ist, hängt jedoch weiterhin von der Erdung, den Oberschwingungen, der Symmetrie und den Systemanforderungen ab.
Die Spannungshöhe mag zwar korrekt erscheinen, doch angeschlossene Motoren können sich in die entgegengesetzte Richtung drehen. Die Phasenfolge muss bei der Inbetriebnahme überprüft werden.
Wählen Sie eine Option aus, wenn die Anwendung eine galvanische Trennung, ein separat gespeistes System, ein bestimmtes Erdungsverhalten oder die Isolierung bestimmter Störungen erfordert.
Ein Dreiphasen-Autotransformator funktioniert, indem dreiphasenverschobene Wechselspannungen an aufeinander abgestimmte Wicklungen mit Anzapfstellen angelegt werden. Die magnetische Induktion bestimmt die Spannung pro Windung, während die gemeinsame Wicklung einen Teil der Leistung direkt weiterleitet. Die gewählten Anzapfstellen bestimmen, ob die Spannung ansteigt oder abfällt. Diese Anordnung kann kompakt und effizient sein, bietet jedoch keine Isolierung zwischen Ein- und Ausgang, weshalb eine korrekte Auslegung, Absicherung, Erdung und fachgerechte Installation unerlässlich sind.
