Als ein Textilhersteller in Bangladesch modernste Maschinen aus Japan einführte, waren diese Maschinen für den Betrieb mit einer Nennspannung von 200 Volt, drei Phasen, ausgelegt. Die lokale Versorgung des Werks betrug jedoch 400 Volt, drei Phasen, was in Südasien Standard ist. Ein typischer Abwärtstransformator hätte die Werkstromversorgung von 400 Volt auf 200 Volt umgewandelt, da die Werkstromversorgung unzuverlässig war und die Spannung zu Spitzenzeiten auf maximal 370 Volt absank, was Probleme für die 200-Volt-Maschinen verursachte. Es war klar, dass ein einfacher Abwärtstransformator hier nicht ausreichen würde. Stattdessen wurde ein Boostertransformator mit einer angezapften Sekundärwicklung benötigt. Ein solcher Transformator bietet die Möglichkeit, einen Prozentsatz der Primärspannung hinzuzufügen oder abzuziehen und somit Parameter zu ändern, um die Spannungseinbrüche auszugleichen. Der Boostertransformator wurde so eingerichtet, dass er zusätzlich 10 Prozent der eingehenden Spannung bereitstellt und somit eine konstante Spannung von 200-220 Volt für die Webmaschinen unabhängig von Schwankungen in der Versorgung gewährleistet. Die Probleme mit Unterspannung und Überhitzung hörten auf, und das Werk kehrte zu einer normalen Leistung zurück.
Zusammenfassung: Ein Boostertransformator wird verwendet, um die Spannungsversorgung innerhalb eines akzeptablen Bereichs von +5% bis -20% zu modifizieren, während nur der modifizierte Teil der Energie verarbeitet wird; daher ist er im Vergleich zu einem Standardtransformator mit gleicher Last kVA viel kleiner und günstiger. Die am besten geeigneten Lösungen für den internationalen Markt sind vorkonfigurierte Standard-Buck-Boost-Transformator-Einheiten, die zur Spannungsregelung verwendet werden, maßgeschneiderte Transformatoren für industrielle und nicht-standardisierte Anwendungen sowie integrierte Spannungsregelungsgeräte mit automatischen Schaltern für Fälle von Versorgungsinstabilität.
Was ein Boostertransformator tut – und wie er sich von einem Standard-Abwärts- oder Aufwärts-Transformator unterscheidet.
Unabhängig davon, ob sie die Spannung erhöhen oder senken, besteht nahezu jeder Transformator aus einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einem magnetischen Kern. Der Unterschied zwischen der Primär- und Sekundärwicklung besteht darin, dass sie elektrisch nicht verbunden sind, während die Sekundärspannung ein bestimmtes festes Verhältnis zur Primärspannung hat, das durch ein Übersetzungsverhältnis definiert ist. Wenn sich die Primärspannung ändert, ändert sich auch die Sekundärspannung automatisch. Es hat keinen Sinn zu erwarten, dass der Transformator die Eingangsspannung regelt: Er tut nichts anderes, als die Schwankungen der Eingangsspannung an den Ausgang weiterzugeben. Das Betriebsprinzip von Boostern ist jedoch anders. Solche Transformatoren sind so verbunden, dass ihre Sekundärspannung entweder zur Primärspannung addiert oder von ihr subtrahiert wird, wodurch die Ausgangsspannung erreicht wird, die sich um einen bestimmten Wert von der Eingangsspannung unterscheidet. Darüber hinaus sind Booster nicht dafür gedacht, die gesamte Laststromversorgung von einer Spannung in eine andere zu konvertieren: Ihre Anwendung ist auf die Anpassung einer leichten Abweichung zwischen Spannungen beschränkt. Zum Beispiel kann ein Booster eine Eingangsspannung von 208 Volt in eine Ausgangsspannung von 240 Volt umwandeln oder 480 Volt in 416 Volt umwandeln oder eine Ausgangsspannung von 400 Volt halten, wenn nur 370 Volt eingegeben werden, usw. Der wesentliche wirtschaftliche Vorteil eines Boosters besteht darin, dass Sie keinen Transformator kaufen müssen, der in der Lage ist, die gesamte Last zu bewältigen. Der Booster muss stattdessen nur in der Lage sein, die Differenz zwischen der erforderlichen Spannung und der tatsächlichen Versorgungsspannung zu bewältigen.
Der Standardanschluss für einen Booster ist der Autotransformator, bei dem eine einzelne Spule sowohl als Eingang als auch als Ausgang dient. Die Spule hat einen Abgriff, von dem die Ausgangsspannung zwischen dem Ende der Spule und dem Abgriff entnommen wird. Der Autotransformator ist in der Konstruktion sehr effizient, da er weniger Kupfer, weniger Stahl für den Kern und weniger Isolierung benötigt, verglichen mit anderen isolierenden Transformatoren. Er bietet jedoch keine galvanische Isolation zwischen Eingang und Ausgang; sie sind über einen gemeinsamen Leiter verbunden, und jeder Fehler, der am Eingang auftritt, wird am Ausgang beobachtet. Dies könnte jedoch für viele Anwendungen in der Industrie kein Problem darstellen, da die Geräte bereits über Leistungsschalter verfügen und die Isolation kein Sicherheits- oder Funktionsproblem darstellt. Der Käufer muss sich dieser Einschränkung bewusst sein und ihr zustimmen. Wenn die Anwendung galvanische Isolation erfordert (zum Beispiel in einem Krankenhaus, im Labor oder in Schaltungen, die erfordern, dass der Ausgang gegenüber dem Erdpotential schwebt), sollte der Käufer einen separat entworfenen Booster anfordern, der über eine isolierende Wicklung verfügt.
Neben dem Autotransformator kann man auch einen Zweiwicklungstransformator verwenden. Diese Variante bietet die gleichen Vorteile wie oben erwähnt, hat jedoch eine vollständig isolierte Wicklung. Der isolierte Boostertransformator hat die gleiche Fähigkeit zur Spannungsanpassung (indem er einen Prozentsatz von der Eingangsspannung hinzufügt oder abzieht), gewährleistet jedoch gleichzeitig die galvanische Isolation. Isolierte Konstruktionen sind für den Einsatz in medizinischen Diagnosetechniken, Laborinstrumenten, die empfindlich auf Erdgeräusche reagieren, und Schaltungen gedacht, bei denen eine Schwimmspannung des Ausgangs erforderlich ist. Der isolierte Boostertransformator hat jedoch seine Nachteile — Größe, Gewicht und Kosten. Er ist also ungefähr 50-80% größer und schwerer als der Autotransformator mit derselben kVA-Bewertung, was bedeutet, dass der Käufer mehr dafür bezahlt. Käufer, die galvanische Isolation benötigen, müssen sich dieses Kompromisses bewusst sein, wenn sie einen isolierten Transformator kaufen; Käufer, die keine Trennung benötigen, sollten nach einer anderen Lösung suchen.
Für eine Einführung in die gesamte Palette von Transformatorarten und deren spezifischen Anwendungen siehe den Produktkatalog unter Subian Electric, der Boostertransformatoren, Isolationstransformatoren, Verteilungstransformatoren und Spezialstromtransformatoren für den globalen Markt umfasst.
Wo Boostertransformatoren eingesetzt werden: Die häufigsten globalen Anwendungen
Die folgende Tabelle fasst die häufigsten Anwendungen für Boostertransformatoren in verschiedenen Branchen und Regionen zusammen, die Spannungsabweichung, die der Transformator korrigiert, und die typische Konfiguration, die spezifiziert ist.
| Anwendung | Spannungsabweichung | Typische Boosterkonfiguration |
|---|---|---|
| Nordamerikanische 208 V bis 240 V Umwandlung | Ein Gewerbegebäude oder eine leichte Industrieanlage wird mit 208 V Dreiphasenstrom von der Versorgungsleitung versorgt, aber die HVAC-Ausrüstung, die Kompressoren oder die Werkzeugmaschinen benötigen 240 V. Der 32-Volt-Unterschied kann nicht durch einen Standardtransformator korrigiert werden; es ist eine klassische Boosteranwendung. | Dreiphasig, 208 V bis 240 V, autotransformator-verbunden. Standardmäßig vorkonfigurierte Buck-Boost-Transformatoren sind von jedem großen nordamerikanischen Elektrohersteller für diese spezifische Spannungs-Kombination in Bewertungen von 0,5 kVA bis 15 kVA erhältlich. |
| Leitungsendspannungsanpassung bei langen ländlichen Verteilern | Ein Kunde am Ende eines langen Verteilers erhält eine Spannung, die unter dem Nennwert liegt, insbesondere während der Spitzenlastzeiten. Das Versorgungsunternehmen installiert einen Boostertransformator am Mast oder auf einem Fundament, um die Spannung auf das Niveaus des Nennwerts zu erhöhen. | Einphasig, mastmontiert oder fundamentmontiert, ölgefüllt, mit einem automatischen Abgriffwechsler. Der Transformator erhöht die Spannung um einen festen Prozentsatz, und der Abgriffwechsler passt das Verhältnis an, während die eingehende Spannung variiert. |
| Industrieausrüstung, die für eine fremde Spannung ausgelegt ist | Eine Fabrik in einem 400-Volt-Land (den meisten Teilen Europas, Asiens, Afrikas) importiert eine Maschine, die für 480 Volt (Nordamerika) ausgelegt ist, oder eine Fabrik in einem 480-Volt-Land importiert eine Maschine, die für 400 Volt ausgelegt ist. Die Spannungsabweichung beträgt typischerweise 10–20%, was im Bereich eines Boostertransformators liegt. | Dreiphasig, 400 V bis 480 V (oder 480 V bis 400 V), autotransformator-verbunden, dimensioniert für den Nennstrom der Maschine und den prozentualen Spannungsanstieg. Der Transformator wird typischerweise im Steuerpanel der Maschine oder in einem separaten Gehäuse neben der Maschine installiert. |
| Stabilisierung einer schwankenden Versorgung für empfindliche Geräte | Ein Rechenzentrum, ein Labor oder eine medizinische Einrichtung hat Geräte, die eine Spannungsvariation von mehr als ±5% nicht tolerieren können, aber die lokale Versorgung schwankt um ±10% oder mehr. Ein Boostertransformator mit einem automatischen Abgriffwechsler oder ein integriertes Spannungsregelungspaket korrigiert die Variation. | Dreiphasig, mit einem automatischen Abgriffwechsler, einem spannungssensitiven Relais und einem Steuerungssystem. Der Transformator überwacht die Eingangsspannung und passt das Anhebeverhältnis an, um die Ausgangsspannung innerhalb der erforderlichen Toleranz zu halten. Dies ist die Premium-Lösung für Booster, und sie ist teurer als eine Einheit mit festem Verhältnis, bietet jedoch die Spannungsstabilität, die die Geräte benötigen. |
So dimensionieren Sie einen Boostertransformator korrekt
Die Bestimmung der Größe eines Boostertransformators unterscheidet sich von der Bestimmung der Größe eines gewöhnlichen Isolationstransformators durch die Tatsache, dass ersterer nur mit der Gleichheit des zu verstärkenden Teils und nicht mit der gesamten Last arbeitet. Der Prozess zur Dimensionierung des Transformators ist wie folgt. Beginnen Sie mit der Schätzung des Laststroms, was die maximale Menge an Strom bedeutet, die von der betreffenden Last gezogen wird. Da die Geräte im Bereitschaftszustand nur eine bestimmte Menge ziehen würden, kann diese Information von den Geräten bezogen oder durch einfache Berechnungen ermittelt werden, wobei die kVA oder Wattzahl der Geräte vorliegt. Als nächstes müssen Sie verstehen, wie viel Anhebung erforderlich ist – wie viel mehr Spannung benötigt wird, um den von Ihnen festgelegten Ausgangswert zu erreichen. Wenn Sie beispielsweise 208 V am Eingang erhalten und erwarten, eine Spannung von 240 V am Ausgang zu haben, haben Sie einen Anhebungswert von 32 V. Wenn sich der Eingang ändert, muss die Berechnung unter Berücksichtigung des niedrigstmöglichen Wertes erfolgen.
Nachdem Sie diese Variablen bestimmt haben, können Sie die kVA des Boostertransformators mit der folgenden Formel berechnen: Booster kVA = (Strom in Ampere × Anhebungs-Spannung in Volt × √3 für Dreiphasen)/1.000. Im Fall einer dreiphasigen Last von 50 Ampere und einem Anhebungswert von 32 V beträgt die endgültige kVA des Transformators kVA = (50 × 32 × 1,732)/1.000 = 2,77 kVA.
Dann müssen Sie die nächste verfügbare kVA-Bewertung überprüfen, die in der Regel höher als Ihre sein kann. In diesem Fall wird der kleinste Transformator, den Sie finden können, eine kVA-Bewertung von 3 haben. Somit würde der Kunde, der den Fehler macht, 20,8 kVA anstelle von 2,77 kVA auszuwählen, viel mehr als nötig bezahlen, nur um nichts. Für Hilfe bei der spezifischen Berechnung für jede Spannungs- und Lastkombination bieten die Anwendungshandbücher, die von Herstellern wie Eaton und Schneider Electric detaillierte Größen Tabellen und Beispiele bereitstellen, und das technische Support-Team bei Subian Electric kann bei der Auswahl des richtigen Booster-Transformators für jede Anwendung helfen.
Auswahl des besten Booster-Transformators für Ihre spezifischen Bedürfnisse
Bei der Bestimmung, welcher Booster-Transformator für ein bestimmtes Projekt am geeignetsten ist, spielen neben der notwendigen Größenberechnung viele andere Faktoren eine Rolle. Der Typ des Gehäuses sowie die Umgebungsbewertung sollten mit dem Standort übereinstimmen: Ein NEMA 1-Gehäuse ist für einen trockenen Innenraum geeignet; ein NEMA 3R-Gehäuse muss für den Außeneinsatz verwendet werden; ein NEMA 4X-Gehäuse aus Edelstahl ist für Waschbereiche in Lebensmittel-, Milch- oder Pharmaanlagen erforderlich; NEMA 7 oder NEMA 9 sind die Spezifikationen für gefährliche (klassifizierte) Standorte, an denen brennbare Gase, Dämpfe und Stäube vorhanden sein können. Das Material der Wicklungen – ob Kupfer oder Aluminium – bestimmt die Größe des Transformators, seine Effizienz und seinen Preis. Kupferwicklungen sind hinsichtlich der Leitfähigkeit besser und führen somit zu einem kleineren und energieeffizienteren Transformator, während Kupfer teurer ist als Aluminium. Der Transformator mit Aluminiumwicklungen ist günstiger und leichter als der mit Kupfer, jedoch sind seine Größe und Energieverluste größer. Wenn das Gerät normal belastet wird, überwiegen die Energieeinsparungen, die Kupfer bietet, seinen Preis; jedoch macht es für einen Transformator, der sporadisch verwendet wird, Sinn, Aluminium zu verwenden. Die Frequenz muss korrekt angegeben werden: Der für 60 Hz ausgelegte Transformator überhitzt, wenn er bei 50 Hz bei derselben Spannung verwendet wird, da ein größerer Kern erforderlich ist, um eine Sättigung zu vermeiden. Der Transformator mit 50 Hz kann bei 60 Hz ohne Überhitzung verwendet werden, jedoch werden die Verluste leicht erhöht. Schließlich sollte der relevante Standard (IEC 60076, IEEE C57.12.01, CSA C9 oder ein lokaler nationaler Standard) festgelegt werden, da er die Kontrollverfahren und Dokumentationen festlegt, die der Hersteller liefern muss. Daher wird ein nicht zertifizierter Transformator unabhängig von seinen Leistungsspezifikationen abgelehnt.
Für einen globalen Käufer, der mit Lieferanten aus der ganzen Welt handelt, ist der Erwerb von zertifizierten und getesteten Geräten weit wichtiger als die elektrischen Spezifikationen. Der respektierte Hersteller ist verpflichtet, das Dokument des Routinetestberichts für jeden Transformator bereitzustellen. Im Falle des Kaufs eines maßgeschneiderten Transformators oder großer Mengen von Produkten ist eine Typprüfzertifizierung von einem unabhängigen Labor, Garantieberichte für die Kern- und Wickelmaterialien sowie ein Herstellungsinspektionsbericht erforderlich. Ein Käufer, der einen Transformator ohne all diese Unterlagen kauft, begibt sich in eine Gefahr.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einem Boostertransformator und einem Hochtransformator?
Ein Hochtransformator erhöht die Spannung in einem bestimmten Verhältnis oder auf einem bestimmten Niveau, zum Beispiel kann die Spannung von 240 V auf 480 V erhöht werden, um sie auf das richtige Ausgangsspannungsniveau zu korrigieren. Ein Boostertransformator kann das Spannungsniveau um einen niedrigen Prozentsatz zwischen 5% und 20% erhöhen oder verringern. Er ist dafür ausgelegt, nur mit dem erhöhten Teil der Ladeenergie umzugehen, jedoch nicht mit der vollen Last. Boostertransformatoren sind in der Regel kleiner, leichter und preiswerter als Hochtransformatoren.
Kann ein Boostertransformator umgekehrt verwendet werden, um die Spannung zu reduzieren?
Ja. Ein Boostertransformator kann verwendet werden, um die Spannung zu verringern oder zu reduzieren, anstatt sie zu erhöhen. Ein Transformator mit denselben Abgriffen kann auch auf andere Weise angewendet werden, um die sekundäre Spannung zu erhöhen oder zu reduzieren. Verschiedene Anschlüsse sind in den Schaltplänen dargestellt, wo der Installateur auswählen kann, welcher Anschluss in der Anwendung verwendet wird.
Bietet ein Boostertransformator elektrische Isolation?
Ein Boostertransformator, der als Autotransformator konfiguriert ist — mit einer einzigen Wicklung, die sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung dient — bietet keine elektrische Isolation zwischen Eingang und Ausgang. Wenn die Anwendung Isolation erfordert, muss ein Boostertransformator mit einem isolierenden (zwei Wicklungen) Design spezifiziert werden, und die Autotransformatorverbindung darf nicht verwendet werden. Der Käufer muss die Isolationsanforderung vor der Bestellung des Transformators bestätigen.
Wie lange ist die typische Vorlaufzeit für einen maßgeschneiderten Boostertransformator?
Ein maßgeschneiderter Transformator (definiert als ein Transformator, der gemäß bestimmten Anforderungen bezüglich der Eingangs- und Ausgangsspannungswerte, kVA-Bewertungen oder Umweltspezifikationen gebaut wird) wird normalerweise mit einer Vorlaufzeit von 8 bis 14 Wochen nach Genehmigung der Fertigungszeichnungen hergestellt. Im Gegensatz dazu ist ein Standardtransformator, der auf Lager ist oder eine Vorlaufzeit von 1 bis 3 Wochen von großen Elektrounternehmen hat, ein Transformator, der für gängige Spannungsgrenzen wie 208 V oder 240 V ausgelegt ist.
Referenzen
- Eaton — Anwendungshinweise für Buck-Boost-Transformatoren. Hersteller von Standard- und maßgeschneiderten Boostertransformatoren, mit detaillierten Größentabellen, Schaltplänen und Anwendungshinweisen für die häufigsten Spannungs-Kombinationen.
- Schneider Electric — Spannungskorrekturtransformatoren. Hersteller von Booster- und Buck-Boost-Transformatoren für den globalen Markt, mit technischer Dokumentation, die die Autotransformatorverbindung, die Größenmethodik und die Installationsanforderungen abdeckt.
- IEEE C57.12.01 — Standard für allgemeine Anforderungen an Trockenverteilungs- und Leistungstransformatoren. Der IEEE-Standard, der die Design-, Test- und Leistungsanforderungen für Trockentransformatoren definiert, einschließlich Booster- und Buck-Boost-Einheiten.
- IEC 60076 — Leistungstransformatoren. Die internationale Normenreihe, die die Design-, Prüf- und Leistungsanforderungen für Leistungs- und Verteilungstransformatoren definiert, die in Europa, Asien, Afrika und dem Nahen Osten übernommen wurde.
Der beste Boostertransformator für einen globalen Kunden ist derjenige, der richtig dimensioniert ist für den elektrischen Laststrom und die Boost-Spannung, richtig konfiguriert für die Eingangs- und Ausgangsspannung und korrekt spezifiziert für die Installationsumgebung und die erforderlichen Zertifizierungsstufen. Ein standardmäßiger, vorkonfigurierter Buck-Boost-Transformator, der auf Lager von einem renommierten Hersteller oder einem spezialisierten Anbieter erhältlich ist, ist die beste Lösung für weit verbreitete Spannungsanpassungsanwendungen — 208V-240V, 240V-208V, 480V-600V – und berücksichtigt das meiste Verständnis für die Installation von Boostertransformatoren weltweit. Eine maßgeschneiderte Lösung, die von einem Unternehmen hergestellt wird, das in der Lage ist, verschiedene Modelle zu produzieren, die von der großen Industrie benötigt werden, eine ungewöhnliche Spannung oder eine raue Arbeitsumgebung ist die richtige Option, wenn Standardlösungen nicht den Bedürfnissen entsprechen. Für den Kunden, der einen Partner benötigt, um das Problem von Spezifikationen, Dimensionierung und Auswahl zu erkennen, bietet Subian Electric Buck-Boost-Transformatoren aller Nennwerte, Spannungen und Frequenzen sowie die erforderliche Zertifizierung an, um die Bedürfnisse des Kunden zu erfüllen. Der Punkt ist, dass ein Transformator, der für eine Leistungsanpassung sorgt, nur einen Steinwurf kostet, aber viel teurere Geräte des Nutzers schützt, die auf die von dem Transformator bereitgestellte Energie angewiesen sind.