Einschaltstrom des Transformators

Der Einschaltstrom eines Transformators ist der momentane Strom, der von der Primärwicklung des Transformators aufgenommen wird, wenn der Transformator zunächst unter Spannung gesetzt wird und die Sekundärseite offen bleibt. Der Einschaltstrom, der auch als magnetisierender Einschaltstrom bezeichnet wird, ist vorübergehender Natur und besteht nur für einige Millisekunden. Der Einschaltstrom ist zwei- bis zehnmal höher als der Standard-Nennstrom des Transformators. In diesem Artikel werden die grundlegende Definition des Transformator-Einschaltstroms, seine Ursachen, Auswirkungen und Abhilfemaßnahmen erläutert.

Inhaltsübersicht

• Was ist der Einschaltstrom eines Transformators?
• Einschaltstrom des Transformators Ursache
• Berechnung des Einschaltstroms eines Transformators
• Messung des Einschaltstroms von Transformatoren
• Auswirkungen des Transformator-Einschaltstroms
• Verringerung des Einschaltstroms von Transformatoren
• FAQs

Was ist der Einschaltstrom eines Transformators?

Der Einschaltstrom eines Transformators ist der momentane Strom, der von der Primärwicklung des Transformators aufgenommen wird, wenn der Transformator unter Spannung gesetzt wird und die Sekundärseite offen ist. Die Sekundärseite eines Transformators wird nur durch den magnetischen Fluss von der Primärseite erregt. Daher fließt in dem Moment, in dem die Primärwicklung des Transformators unter Spannung steht, kein Strom in den Sekundärwicklungen (diese sind daher für kurze Zeit unterbrochen).

Der Einschaltstrom verursacht keinen dauerhaften Fehler im Transformator. Dennoch kommt es zu einem unerwünschten Schalten des Leistungsschalters (ein elektrischer Schalter, der einen Stromkreis vor Schäden durch Kurzschluss oder Überstrom schützen soll).

Während des Einschaltstroms beträgt der Höchstwert des magnetischen Flusses mehr als das Doppelte des normalen Flusses. Der Einschaltstrom (Abbildung 2, Buchstabe A) ist 2-10 mal so hoch wie der Volllaststrom des Transformators (Abbildung 2, Buchstabe B). Ringkerntransformatoren, die für die gleiche Leistung weniger Kupfer benötigen, können einen bis zu 60-mal höheren Einschaltstrom aufweisen.

Berechnung des Einschaltstroms eines Transformators

Verwenden Sie die folgende Gleichung zur Berechnung des Einschaltstroms in einem Transformator:

Ip = 1.414 Vm / R

• IP: Einschaltstrom des Transformators
• Vm: Scheitelwert der angelegten Spannung
• R: DC-Wicklungswiderstand

Beispiel

Berechnung des Transformator-Einschaltstroms eines 100kVA, 440V Transformators, der einen DC-Wicklungswiderstand von 0,5 Ohm hat:

• Vm = 440V
• R= 0,5 Ohm
• Daher ist Ip = (1,414 × 440) / 0,5 = 1244,3 Ampere

Volllaststrom des Transformators= (KVA × 1000) / Vm =227A.

Daher ist der Einschaltstrom des Transformators etwa sechsmal so hoch wie der Volllaststrom.

Messung des Einschaltstroms von Transformatoren

Zur Messung des Einschaltstroms in einem Transformator kann ein Zangenmessgerät verwendet werden. Ein Zangenmessgerät misst den Strom durch ein Gerät, ohne dass ein physischer Kontakt hergestellt wird. Die berührungslose Funktion gewährleistet ein sicheres Arbeiten bei der Messung sehr hoher Ströme, die ansonsten für den Benutzer gefährlich sein können. Lesen Sie unseren Artikel über die Verwendung eines Zangenmessgeräts für weitere Informationen.

Einschaltstrom des Transformators Ursache

Wenn eine Wechselspannung an einen Transformator angelegt wird, dessen Sekundärseite offen ist, wirkt das Gerät wie eine einfache Induktivität. Der Strom fließt durch die Primärwicklung, wenn ein Transformator durch eine Wechselspannung gespeist wird. Nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz erzeugt der Strom einen magnetischen Fluss um die Primärwicklung. Die magnetomotorische Kraft (MMF) treibt den Fluss durch den Kern an, und ihr Wert ist proportional zum Strom durch die Wicklung. Der MMF ist gegeben durch:

MMF = N × I

• MMF: Magnetische Kraft
• N: Anzahl der Umdrehungen
• I: Wicklungsstrom

Ein Teil des magnetischen Flusses geht durch den Kern und verbindet sich durch gegenseitige Induktion mit der Sekundärwicklung, wodurch ein Stromfluss auf der Sekundärseite ausgelöst wird. Lesen Sie unseren Artikel über elektrische Transformatoren, um mehr über die Funktionsweise von Transformatoren zu erfahren.

Die Änderungsrate des magnetischen Flusses in einem Transformatorkern ist proportional zum momentanen Spannungsabfall an der Primärwicklung.

V = dɸ / dt

ɸ = Integral ( V )

• V: Angewandte Wechselspannung
• ɸ: Erzeugter magnetischer Fluss

Bei einem Transformator im Dauerbetrieb ist die MMF proportional zum Wicklungsstrom. Da der Fluss proportional zum MMF ist, bleiben Strom und Fluss in Phase. Da die Spannung dem Strom in einem Induktor um 90 Grad vorauseilt, lässt sich daraus ableiten, dass die Spannung dem magnetischen Fluss um 90 Grad (oder einen Viertelzyklus) vorauseilt, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.

Gemäß den in Abbildung 3 dargestellten Wellen sollte der entsprechende Wert des stationären Flusses (Abbildung 3: F) in dem Moment, in dem die Spannung (Abbildung 3: V) Null ist, das negative Maximum (d. h. den Minimalwert) betragen. Vor dem Einschalten der Stromversorgung ist jedoch kein Stromfluss mit dem Trafokern verbunden. Es ist praktisch unmöglich, dass beim Einschalten der Stromversorgung ein Stromfluss vorhanden ist. Der stationäre Flusswert kann nicht sofort erreicht werden und benötigt eine gewisse Zeit, die nicht Null ist.

Wenn der Transformator zu dem Zeitpunkt eingeschaltet wird, an dem die Spannung Null ist, beginnt die Flusswelle mit demselben Ursprung wie die Spannungswellenform, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Der Flusswert am Ende des ersten Halbzyklus der Spannungswellenform kann wie folgt berechnet werden:

• ɸmax: Maximum des erzeugten magnetischen Flusses
• E sin⍵t: Wechselspannung an der Primärseite
• E: Höhe der angelegten Spannung
• ⍵t: Phase der angelegten Spannung

Der Transformatorkern ist oberhalb des maximalen stationären Flusswertes gesättigt (Abbildung 4, Kennzeichnung B). Der Kern ist nach dem maximalen Flusswert gesättigt, und der für die Erzeugung des restlichen Flusses erforderliche Strom ist sehr hoch. Daher entnimmt die Primärwicklung des Transformators einen sehr hohen Spitzenstrom aus der Quelle, der als Transformator-Einschaltstrom (Abbildung 4, Kennzeichnung A) oder Magnetisierungs-Einschaltstrom des Transformators bezeichnet wird. Dieser kurzzeitige Strom hält einige Millisekunden an und pendelt sich dann wieder ein.

Der Einschaltstrom des Transformators ist nur von sehr kurzer Dauer, so dass dieser Strom keine dauerhaften Fehler in den Transformatoren verursacht. Er stört jedoch den Betrieb der an den Transformator angeschlossenen Stromkreise und verursacht unnötige Schaltungen und Spannungsübergänge.

Auswirkungen des Transformator-Einschaltstroms

1. Ein hoher magnetisierender Einschaltstrom im Transformator macht eine Überdimensionierung von Unterbrechern oder Sicherungen erforderlich.
2. Rückkopplung von Verzerrungen und Rauschen in die Hauptstromversorgung.
3. Lichtbogenbildung (elektrischer Strom, der von einer Verbindung zur anderen springt) und Ausfall von Schaltkreiskomponenten wie Schaltern.
4. Unterbrochener Betrieb in der Sicherung.
5. Stromstörungen und Oberschwingungen im System und geringere Stromqualitätsmerkmale.
6. Unregelmäßige Spannungsverteilung entlang der Transformatorwicklungen.
7. Mechanische und elektrische Schwingungen entlang der Transformatorwicklungen.

Verringerung des Einschaltstroms von Transformatoren

Die folgenden Methoden können den Einschaltstrom in einem Transformator reduzieren:

Einstellen der Phase der Eingangsspannung

Ein Transformatoreinschaltstrom entsteht, wenn die Wechselspannung, die die Primärwicklung des Transformators erreicht, beim Einschalten des Transformators bei Null beginnt. Wenn die Phase der Eingangsspannung bei 90 Grad beginnt (maximale Amplitude), ist der entsprechende Stromwert gleich Null, da der Strom in einer Induktivität der Spannung um 90 Grad nacheilt. Daher ist die Anpassung des Phasenwinkels der Eingangsspannung, um die Primärwicklung des Transformators mit ihrem positiven Spitzenwert zu erreichen, eine praktikable Lösung, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Der Einschaltstrom hält jedoch nur wenige Millisekunden an, und die Transformatoren sind so konstruiert, dass sie den mechanischen Belastungen durch den Einschaltstrom standhalten. Eine Anpassung des Phasenwinkels der angelegten Spannung zur Reduzierung des Einschaltstroms ist in der Regel nicht notwendig oder wirtschaftlich. Eine einfache Lösung besteht darin, die Phase der Eingangsspannung mit einem Phasenmessgerät zu überwachen und die Spannung nur dann an den Transformator anzulegen, wenn sie den Maximalwert erreicht hat. Durch das Schalten der Stromversorgung zum richtigen Zeitpunkt kann die Höhe des Einschaltstroms reduziert werden.

Verwenden Sie eine Einschaltstromschutzschaltung

Thermistoren können zur Begrenzung des hohen Anlaufstroms in einem Transformator verwendet werden. Ein Thermistor hat einen sehr hohen Widerstand bei Umgebungstemperaturen und einen niedrigen Widerstand bei hohen Temperaturen. Der Thermistor ist in Reihe mit der Eingangsleitung des Netzteils geschaltet. Wenn das Gerät eingeschaltet wird, begrenzt der hohe Widerstand den Einschaltstrom, der in das System fließt. Da der Strom kontinuierlich fließt, steigt die Temperatur des Thermistors an, wodurch sich der Widerstand deutlich verringert. Der Thermistor stabilisiert also den Einschaltstrom, so dass der Dauerstrom in den Stromkreis fließen kann. Daher kann eine Anpassung der Phase der Eingangsspannung oder das Hinzufügen einer Schutzschaltung zum Transformator die Einschaltstromspitze verringern, wie in Abbildung 6 zu sehen ist.

FAQs

Was ist der Einschaltstrom eines Transformators?

Der Einschaltstrom eines Transformators beschreibt eine Stromspitze, die beim ersten Einschalten des Transformators auftritt.

Was verursacht den Einschaltstrom eines Transformators?

Wenn ein Transformator unter Spannung gesetzt wird, kann der Transformator einen großen Einschaltstrom aus dem System ziehen, da der magnetische Fluss im Kern nicht mit der angelegten Spannung übereinstimmt.

Wie lange hält der Einschaltstrom des Transformators an?

Der Einschaltstrom des Transformators ist transienter Natur und kann bis zu einigen Millisekunden dauern.