Autotransformator: Was ist das? (Definition, Theorie & Diagramm)

Was ist ein Spartransformator?

Ein Spartransformator (oder Autotransformator) ist eine Art elektrischer Transformator mit nur einer Wicklung. Die Vorsilbe „auto“ bezieht sich auf die einzelne Spule, die allein agiert (griechisch für „selbst“) – nicht auf einen automatischen Mechanismus. Ein Spartransformator ähnelt einem Zweiwicklungstransformator, unterscheidet sich aber in der Art und Weise, wie die Primär- und Sekundärwicklung des Transformators miteinander verbunden sind.

Autotransformator-Theorie

In einem Spartransformator wird eine einzige Wicklung sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung verwendet. Bei einem Zweiwicklungstransformator werden jedoch zwei verschiedene Wicklungen für Primär- und Sekundärzwecke verwendet. Ein Schaltplan eines Spartransformators ist unten abgebildet.

Die Wicklung AB mit den Gesamtwindungen N1 wird als Primärwicklung betrachtet. Diese Wicklung wird im Punkt ′C′ angezapft und der Teil BC wird als Sekundärwicklung betrachtet. Nehmen wir an, die Anzahl der Windungen zwischen den Punkten ′B′ und ′C′ sei N2.

Wenn die Spannung V1 über die Wicklung angelegt wird, d.h. zwischen ′A′ und ′C′.

Die Spannung über dem Teil BC der Wicklung beträgt also,

Da der BC-Teil der Wicklung als Sekundärteil betrachtet wird, kann man leicht verstehen, dass der Wert der Konstante ′k′ nichts anderes als das Windungsverhältnis oder das Spannungsverhältnis dieses Spartransformators ist. Wenn eine Last zwischen den Sekundärklemmen angeschlossen wird, d.h. zwischen ′B′ und ′C′, beginnt der Laststrom I2 zu fließen. Der Strom in der Sekundärwicklung oder der gemeinsamen Wicklung ist die Differenz von I2 und I1.

Kupfereinsparungen im Autotransformator

Nun werden wir die Einsparungen von Kupfer im Autotransformator im Vergleich zu einem konventionellen Zweiwicklungstransformator diskutieren.
Wir wissen, dass das Gewicht des Kupfers jeder Wicklung von ihrer Länge und Querschnittsfläche abhängt. Auch hier ist die Länge des Leiters in der Wicklung proportional zu seiner Windungszahl und die Querschnittsfläche variiert mit dem Nennstrom.
Das Gewicht des Kupfers in der Wicklung ist also direkt proportional zum Produkt aus Windungszahl und Nennstrom der Wicklung.

Daher ist das Gewicht des Kupfers im Abschnitt AC proportional zu,

und ebenso das Gewicht des Kupfers im Abschnitt BC proportional zu,

Daher ist das Gesamtgewicht des Kupfers in der Wicklung des Spartransformators proportional zu,

Auf ähnliche Weise kann bewiesen werden, dass das Gewicht von Kupfer in einem Transformator mit zwei Wicklungen proportional ist zu,

N1I1 + N2I2 ⇒ 2N1I1 (Da, in einem Transformator N1I1 = N2I2)
Angenommen, Wa und Wtw sind das Gewicht des Kupfers im Autotransformator bzw. im Zweiwicklungstransformator,

∴ Einsparung von Kupfer im Autotransformator im Vergleich zum Zweiwicklungstransformator,


Ein Spartransformator verwendet nur eine Wicklung pro Phase im Gegensatz zu zwei getrennten Wicklungen in einem herkömmlichen Transformator.

Vorteile der Verwendung von Spartransformatoren

Die Vorteile eines Spartransformators sind:

1. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 2 beträgt die Größe des Spartransformators etwa 50 % der entsprechenden Größe eines Zweiwicklungstransformators. Bei einem Übersetzungsverhältnis von z. B. 20 würde die Größe jedoch 95 % betragen. Die Einsparungen bei den Materialkosten stehen natürlich nicht in demselben Verhältnis. Die Kostenersparnis ist beträchtlich, wenn das Übersetzungsverhältnis des Transformators niedrig ist, d.h. unter 2. Somit ist der Spartransformator kleiner und billiger.
2. Ein Spartransformator hat einen höheren Wirkungsgrad als ein Zweiwicklungstransformator. Dies liegt an den geringeren ohmschen Verlusten und Kernverlusten aufgrund der Reduzierung des Transformatormaterials.
3. Ein Spartransformator hat eine bessere Spannungsregelung, da der Spannungsabfall bei Widerstand und Reaktanz der einzelnen Wicklung geringer ist.

Nachteile der Verwendung von Spartransformatoren

Zu den Nachteilen eines Spartransformators gehören:

1. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Primär- und Sekundärwicklungen kann der Stromkreis mit niedrigerer Spannung von einer höheren Spannung beeinflusst werden. Um einen Durchbruch im Niederspannungskreis zu vermeiden, muss der Niederspannungskreis so ausgelegt werden, dass er einer höheren Spannung standhält.
2. Der Streufluss zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen ist gering und somit ist die Impedanz niedrig. Dies führt zu stärkeren Kurzschlussströmen unter Fehlerbedingungen.
3. Die Anschlüsse auf der Primär- und Sekundärseite müssen notwendigerweise gleich sein, außer bei Verwendung von zusammengeschalteten Sternanschlüssen. Dies führt zu Komplikationen aufgrund des sich ändernden Phasenwinkels von Primär- und Sekundärseite, insbesondere im Falle einer Dreieck/Dreieck-Schaltung.
4. Aufgrund des gemeinsamen Nullleiters in einem Stern/Stern-Schalttransformator ist es nicht möglich, den Nullleiter nur auf einer Seite zu erden. Beide Seiten sollten entweder geerdet oder isoliert sein.
5. Es ist schwieriger, das elektromagnetische Gleichgewicht der Wicklung aufrechtzuerhalten, wenn Anzapfungen zur Spannungsanpassung vorhanden sind. Es sollte bekannt sein, dass die Bereitstellung von Anzapfungen an einem Spartransformator die Baugröße des Transformators erheblich vergrößert. Wenn der Bereich der Anzapfung sehr groß ist, gehen die Vorteile bei den Anschaffungskosten weitgehend verloren.

Anwendungen von Spartransformatoren

Die Anwendungen eines Spartransformators umfassen:

1. Ausgleich von Spannungsabfällen durch Erhöhung der Versorgungsspannung in Verteilungssystemen.
2. Spartransformatoren mit einer Reihe von Anzapfungen werden zum Starten von Induktions- und Synchronmotoren verwendet.
3. Spartransformatoren werden als Variac im Labor oder dort eingesetzt, wo eine kontinuierliche Variable über weite Bereiche erforderlich ist.