Wie man einen Transformator auswählt: Transformator-Rechner und Dimensionierung

Ein Transformator ist ein passives elektrisches Gerät, das elektromagnetische Induktion nutzt, um elektrische Energie von einem Stromkreis auf einen anderen zu übertragen. Die Auswahl des richtigen Transformators für eine Anwendung erfordert eine sorgfältige Abwägung verschiedener Faktoren, wie Spannung, Stromstärke, Art der Last, Wirkungsgrad, Umgebung und Kosten. Dieser Artikel enthält eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Auswahl eines Transformators und zur Analyse der verschiedenen Leistungen eines Transformators.

Inhaltsübersicht

• Auswahl eines Transformators
• Rechner für die Nennlast des Transformators
• Belastbarkeit des Transformators
• Berechnung des Wirkungsgrads von Transformatoren
• Rechner für die Transformatorleistung
• Verluste bei Transformatoren
• Wie man Transformatorverluste reduziert
• FAQs

Auswahl eines Transformators

In unserem Übersichtsartikel über Transformatoren finden Sie weitere Informationen über ihre Funktionsweise, ihren Aufbau und ihre Typen. Transformatoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, Spezifikationen und Größen. Es ist wichtig, Folgendes zu beachten:

• Nach oben oder unten treten: Wählen Sie je nach den spezifischen Anwendungsanforderungen einen Aufwärts- oder Abwärtstransformator. Wenn Sie z. B. an einem Gleichrichter arbeiten und die Versorgungsspannung von 230 auf 12 Volt reduzieren wollen, wählen Sie einen 230-12-Volt-Abspanntransformator.

Anmerkung: Die Spannung und die Frequenz der Hauptstromversorgung sind von Land zu Land unterschiedlich. In Ländern wie den USA wird die Hauptstromversorgung mit 120 Volt und 60 Hz betrieben, während in Europa wie dem Vereinigten Königreich, den Niederlanden und Deutschland 230 Volt und 50 Hz verwendet werden. Wählen Sie den Transformator entsprechend aus. Weitere Einzelheiten finden Sie in der vollständigen Liste der Länder mit den entsprechenden Netzspannungen und Betriebsfrequenzen.

• Spezifikationen für Spannung und Stromstärke: Der nächste Schritt bei der Auswahl des Transformators besteht darin, den Strom- und Spannungsbedarf der Last zu bestimmen.
  • Wenn ein Gebäude eine Wechselstromversorgung von 240 V hat und 120 V für elektrische Geräte benötigt, wählen Sie einen 240-120-V-Transformator.

Anmerkung: Im Allgemeinen sind die Primär- und Sekundärspannungen in den Spezifikationen des Transformators aufgeführt. In Ausnahmefällen wie bei einem Stromwandler werden stattdessen die Primär- und Sekundärströme angegeben.

• VA: Bestimmen Sie bei der Auswahl eines Transformators die von der Last benötigte Leistung (VA), da Transformatoren in der Regel durch ihre Primär- und Sekundärspannungen und VA-Werte angegeben werden. Die Bestimmung dieser Werte im Voraus ist notwendig, um den richtigen Transformator für die jeweilige Anwendung auszuwählen.

Rechner für die Nennlast des Transformators

Die Nennlast (Scheinleistung) eines Transformators wird in VA (Volt-Ampere) gemessen. Die Nennleistung gibt die Gesamtleistung an, die der Transformator an die Last abgeben kann. Zur Berechnung der erforderlichen Nennlast:

1. Bestimmen Sie den Strom- und Spannungsbedarf der Last.
2. Multiplizieren Sie den Laststrom in Ampere (I) und die Spannung (V), um den VA-Wert (oder die Nennlast) des Transformators zu erhalten.

1. Für einen Einphasentransformator,

2. Für einen Dreiphasentransformator,

Anmerkung: Bei kleinen Transformatoren wird die lieferbare Leistung in Volt-Ampere angegeben, bei größeren Transformatoren in Kilo-Volt-Ampere (kVA) und Mega-Volt-Ampere (MVA). VA, kVA und MVA sind daher ähnliche Einheiten. Zum Beispiel entsprechen 6 VA 0,006 kVA.

Lesen Sie unsere Artikel über Einphasen- und Dreiphasentransformatoren, um mehr über deren Funktionsweise und Aufbau zu erfahren.

Belastbarkeit des Transformators

Die Transformatorlast ist die maximale elektrische Leistung, die ein Transformator sicher und effizient verarbeiten kann, ohne zu überhitzen oder Schäden zu verursachen. Ein Transformator mit einer Nennleistung von 200 VA kann zum Beispiel 200 Volt bei einem Ampere Stromstärke oder 100 Volt bei zwei Ampere Stromstärke verarbeiten.

Wenn man den VA-Wert des Transformators kennt, kann man den Strom durch die Last bestimmen, indem man die Gleichung für VA umstellt.

1. Ermitteln Sie den VA-Wert des Transformators.
2. Bestimmen Sie die erforderliche Spannung der Last.
3. Stellen Sie die Gleichung für VA um, um den Strom zu bestimmen. Zum Beispiel für einen Einphasentransformator.

Anmerkung: Es wird nicht empfohlen, einen Transformator mit mehr als 80 % seiner VA-Nennleistung zu belasten. Nachdem Sie den VA berechnet haben, teilen Sie den Wert durch 0,8, um den erforderlichen Mindest-VA-Wert zu erhalten. Ein Elektriker oder Elektroingenieur sollte aus Sicherheitsgründen alle Werte überprüfen und bestätigen.

Beispiel

Berechnen Sie die Nennleistung eines Einphasentransformators mit einer Lastspannung von 24 Volt und einem maximalen Lastphasenstrom von 5 Ampere.

Die VA-Bewertung des Transformators = (V × I)= (24 × 5) = 120 VA

Dividiert man den VA durch 0,8, ergibt sich der revidierte VA = 150

Wählen Sie einen Transformator mit einem VA-Wert von etwa 150 für die Last.

Berechnung des Wirkungsgrads von Transformatoren

Der Wirkungsgrad eines Transformators ist gegeben durch:

Bei Transformatoren wird die Primärleistung im Allgemeinen als Volt-Ampere (VA) bezeichnet, um sie von der Sekundärleistung zu unterscheiden. Der Wirkungsgrad ist also gegeben durch:

Transformatoren haben einen hohen Wirkungsgrad, da es keine beweglichen Teile gibt. Transformatoren werden auch als statische Wechselstrommaschinen bezeichnet. Der Wirkungsgrad eines gut konzipierten Leistungstransformators ist sehr hoch und liegt im Durchschnitt bei über 98 Prozent. Die einzigen Verluste entstehen durch Kernverluste, die Aufrechterhaltung des magnetischen Wechselfeldes, Widerstandsverluste in den Spulen und den Stromverbrauch für die Kühlung.

Rechner für die Transformatorleistung

Leistungsfaktor

In einem Wechselstromkreis ist der Leistungsfaktor der Kosinus der Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom. Der Leistungsfaktor gibt den Anteil der Nennleistung (Scheinleistung) an, der von einem Stromkreis verbraucht wird (Wirkleistung).

• PF: Leistungsfaktor
• 𝛷: Die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom im Stromkreis

Ein niedriger Leistungsfaktor bedeutet, dass ein höherer Strom erforderlich ist, um eine bestimmte Menge an Wirkleistung an die Last zu liefern, was zu höheren Energieverlusten und geringerer Effizienz führt. Mit Hilfe des Leistungsfaktors lässt sich auch die Gesamtleistung berechnen, die der Transformator ohne Überlastung aufnehmen kann.

Dreieck der Macht

Die Scheinleistung, die Wirkleistung und die Wirkleistung können in einem rechtwinkligen Dreieck, dem so genannten Leistungsdreieck, dargestellt werden (Abbildung 4).

• S: Scheinleistung (Nennleistung) gemessen in VA
• Q Blindleistung gemessen in VAR. Blindleistung wird verbraucht, wenn eine induktive Last wie der Motor angeschlossen ist, wodurch eine Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom entsteht
• P: Wirkleistung gemessen in Watt. Wirkleistung ist die Leistung, die echte Arbeit erzeugt.
• 𝛷: Die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom im Stromkreis

Leiten Sie anhand von Abbildung 3 die Beziehung zwischen den verschiedenen Leistungsarten in einem Transformator ab.

• Blindleistung

• Wirkleistung

• Scheinbare Leistung

• Leistungsfaktor

Verluste bei Transformatoren

In einem Transformator gibt es mehrere Quellen für Leistungsverluste.

• Kupferverlust: Kupferverluste werden durch zirkulierende Ströme in den Kupferwicklungen des Transformators verursacht.
• Kernverlust (Eisenverlust): Eisenverluste werden durch Wirbelströme und Hysterese verursacht, die im Kern aufgrund des Wechselstroms auftreten.
• Dielektrischer Verlust: Im Isoliermaterial des Transformators wird ein dielektrischer Verlust beobachtet. Wenn sich das Öl verschlechtert oder die feste Isolierung beschädigt wird, sinkt die Qualität des Systems, was die Gesamteffizienz des Transformators beeinträchtigt.

Wie man Transformatorverluste reduziert

Die verschiedenen Verluste in einem Transformator können dazu führen, dass das Gerät überhitzt, was zu Schäden und einer kürzeren Lebensdauer des Transformators führt. Es ist notwendig, diese Verluste zu reduzieren, um die Effizienz des Transformators zu verbessern und die optimale Leistung des elektrischen Systems zu gewährleisten. Gemeinsame Maßnahmen sind:

1. Verwenden Sie einen größeren Kupferdraht in den Transformatorwicklungen, um den Kupferverlust zu verringern.
2. Verwenden Sie hochwertiges magnetisches Material, z. B. Siliziumstahl, mit der geringsten Hystereseschleifenfläche, um Eisen- oder Kernverluste zu verringern.
3. Stapeln Sie bei der Herstellung des Transformatorkerns dünne Bleche übereinander; dies verringert die Wirbelstromverluste.
4. Testen Sie das Öl regelmäßig und halten Sie die Isolationsqualität aufrecht, um die dielektrischen Verluste zu verringern.

FAQs

Wie wird ein Transformator dimensioniert?

Um einen Transformator zu dimensionieren, bestimmen Sie die Lastanforderungen des elektrischen Systems in Bezug auf Spannung und Strom und wählen dann einen Transformator mit einer geeigneten kVA-Nennleistung auf der Grundlage der Lastanforderungen.

Wie berechnet man den VA eines Transformators?

Um den VA-Wert (Volt-Ampere) eines Transformators zu berechnen, müssen Sie das Produkt aus Spannungs- und Stromwert des Transformators berechnen.

Was sind die Größen von Einphasen-Transformatoren in kVA?

Die Standard-KVA-Größen für Einphasentransformatoren sind: 1, 1,5, 2, 3, 5, 7,5, 10, 15, 25, 37,5, 50, 75, 100, 167, 200, 250 und 333 (KVA)

Ist ein Transformator 100 % effizient?

Der Wirkungsgrad eines Transformators beträgt weniger als 100 %, was auf die verschiedenen Arten von Verlusten innerhalb des Geräts zurückzuführen ist, wie Kernverluste, Kupferverluste und dielektrische Verluste.