Leistungsmesstechnik punktet
Testmethoden für Transformatoren
Es gibt zahlreiche Methoden zur Prüfung von Transformatoren, die z.B. Hochspannung aus Kraftwerken in Spannungen umwandeln, die für den Einsatz in Gebäuden, Produktionsanlagen und elektrischen Geräten nötig sind. Einige der grundlegenden Tests und dafür geeignete Geräte stellen wir nachfolgend vor.
Von Ernst Bratz, Meilhaus Electronic - Vertriebspartner von Hioki Europe
In der heutigen Geräte- und Energietechnik spielen Transformatoren eine wichtige Rolle. Sie bestehen üblicherweise aus zwei oder mehr Spulen. Sie sind aufgebaut aus einem gemeinsamen Magnetkern und den eigentlichen Wicklungen aus isoliertem Kupferdraht. Kupfer ist ein wertvoller Rohstoff. Schon allein aus diesem Grund ist der optimale Aufbau von Transformatoren ein wichtiger Faktor. Charakterisierung, Analyse und Funktionsprüfung sind aber auch notwendig, da Transformatoren oft in sicherheitskritischen Bereichen für die Energieversorgung im Einsatz sind und ihr zuverlässiger Betrieb jederzeit gewährleistet sein muss.
Die Aufgabe des Transformators ist es, eine auf der Primärseite angelegte Wechselspannung in eine Ausgangswechselspannung auf der Sekundärseite umzuwandeln. Das Verhältnis der Ein- und Ausgangsspannung entspricht dabei dem Verhältnis der Spulen-Windungsanzahlen. Sinn und Zwecke ist die Wandlung zu niedrigeren Spannungen, die ein Gerät als Versorgung benötigt oder aber die Wandlung zu höheren Spannungen, erforderlich zum Beispiel für eine Übertragung über weitere Strecken. Bekanntestes Beispiel sind Netzteile. Hinzu kommt jedoch noch als weitere Funktion die galvanische Isolation/Schutztrennung. In dieser Eigenschaft schützen sie die Benutzer elektrischer Geräte, indem sie die Eingangs- und Ausgangsseite des Stromversorgungskreises isolieren, so dass Strom auf der Eingangsseite nicht direkt zur Ausgangsseite fließen kann.
Grundlegende Tests zur Bewertung von Transformatoren
Im Folgenden werden einige der wichtigsten Parameter zur Bewertung von Transformatoren erläutert. Als Messgerät für diese Parameter wird im Beispiel ein LCR-Meter/Impedanz-Messgerät wie das Hioki IM3533 mit Funktionen für die Transformatorprüfung verwendet (autorisierter Distributor in Deutschland: Meilhaus Electronic).
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Grundlegende Tests zur Bewertung von Transformatoren
Messung der Primär- (L1) und Sekundär-Induktivität (L2)
Die grundsätzliche physikalische Eigenschaft, die den Transformatoren zu Grunde liegt, ist die Induktivität. Daher ist eine erste Größe, die bei einem Transformator interessiert, die Induktivität seiner Spulen. Zur Messung wird das Instrument nacheinander mit der Primär- und Sekundärseite des Transformators verbunden und so zur Messung der Primär- und Sekundärinduktivität verwendet. Alle jeweils anderen Wicklungen werden bei diesen Messungen in offenem Zustand belassen.
Messung der Streu-Induktivität
In einem idealen Transformator wird durch das Kurzschließen des Ausgangs auch der Eingang kurzgeschlossen, aber in der praktischen Realität bleibt die Leck-/Streu-Induktivität auch dann bestehen, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist. Die Streu-Induktivität kann durch Kurzschließen der Sekundärseite und anschließendes Messen der primärseitigen Induktivität ermittelt werden.
Kapazität der Wicklung
Mit dieser Prüfung wird die Kapazität der Wicklungsdrähte zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators gemessen. Die Messung erfolgt, indem das Messgerät an jede Wicklung angeschlossen wird. Die andere Seite der Wicklung bleibt jeweils offen.
Messung der Gegeninduktivität
Die gegenseitige Induktivität kann berechnet werden als (M = (La - Lo) / 4), indem die Induktivität bei in Reihe geschalteten gleichen Phasen und bei in Reihe geschalteten entgegengesetzten Phasen gemessen wird.
Messung des Windungsverhältnisses
Das ungefähre Windungsverhältnis lässt sich berechnen, indem ein Widerstand R an die Sekundärseite angeschlossen und die Induktivität Z auf der Primärseite gemessen wird. Die Berechnung lautet N = √(R/Z).
Prüfung des Temperaturanstiegs bei Transformatoren
Die Temperaturanstiegs-Prüfung wird verwendet, um festzustellen, ob die Temperatur eines Transformators bei Betrieb unter Nennbedingungen über den angegebenen Wert hinaus ansteigt. Bei dieser Prüfung wird die Temperatur von Komponenten wie dem Transformatorenöl oder der Wicklung des Transformators gemessen. Es werden die folgenden drei Messmethoden verwendet:
Actual Load Method – unter Nennlast
Diese Art der Temperaturanstiegsprüfung erfolgt, während der Transformator unter der Nennlast arbeitet. Es ist nicht realistisch, diese Methode beim Testen von Hochleistungs-transformatoren zu verwenden. Daher wird sie vorrangig verwendet, um Transformatoren mit geringer Kapazität zu testen.
Loading Back Method - Rückladeverfahren
Bei diesem Verfahren werden Messungen durchgeführt, mit denen die Leerlauf- und Lastverlustversorgungs-Kapazitäten einzeln bereitgestellt werden. Da die im Test verwendeten Versorgungs-Kapazitäten gering sind, können mit dem Verfahren auch Hochleistungs-Transformatoren, wie sie beispielsweise zur Stromversorgung eingesetzt werden, getestet werden. Es müssen jedoch besondere Vorkehrungen getroffen werden, da das Verfahren mindestens zwei Transformatoren mit gleicher Leistung erfordert und die Messergebnisse temperaturkorrigiert werden müssen.
Equivalent Load Method - Äquivalente Lastmethode
Bei dieser Methode wird der Temperaturanstieg gemessen, nachdem eine der Wicklungen des Transformators kurzgeschlossen wurde, die andere Wicklung von einer Stromversorgung mit Nennfrequenz mit Strom versorgt wird und der Anwendung des Verlustes, der der Summe aus Leerlaufverlust und Lastverlust entspricht. Da der Gesamtverlust als Lastverlust angegeben wird, ist es notwendig, die zugrunde liegende Zahl im Voraus zu kennen. Außerdem sind bei dieser Methode, wie auch bei der Load-Back-Methode, Temperaturkorrekturen und andere Verfahren erforderlich.
Temperaturanstiegsprüfungen können auch mittels Widerstandsmessung durchgeführt werden. Der Temperaturanstieg kann aus dem gemessenen Widerstandswert und der Umgebungstemperatur berechnet werden.
Weitere Tests an Transformatoren
Zusätzlich zu den beschriebenen Prüfmethoden gibt es noch eine Vielzahl anderer Tests für Transformatoren. Neben Spannungsfestigkeits- und Isolationswiderstandsprüfungen, die auch für viele andere Geräte verwendet werden, werden Transformatoren zum Beispiel oft einer Prüfung unterzogen, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Erdbeben, Wetter, Hitze, Kälte und Feuchtigkeit zu bewerten. Zudem werden Techniken wie die Leerlaufprüfung eingesetzt, die als Indikator für Energieeinsparungen dient. Die Hioki Leistungsmessgeräte PW3337 und PW3336 können die Wirkleistung mit hoher Genauigkeit bei niedrigen Leistungsfaktoren messen, dank eines Leistungsfaktoreffekts von 0,1% oder weniger.
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