Wie wählt man den richtigen Kombi-Transformator für Ihre Bedürfnisse aus?

Während der Durchführung einer Bergbauoperation in Westaustralien hatte der Elektroingenieur ein Problem, die entfernte Brechanlage mit einer geeigneten Stromversorgung zu versorgen. Die Ausrüstung vor Ort benötigte 415 V Drehstrom für den Betrieb der Motoren des Brechers, 240 V Wechselstrom für die Beleuchtung und Einrichtungen sowie einen neutralen Punkt, der zuverlässig genug für das Erdschluss-Schutzsystem war. Insgesamt würden drei Transformatoren – Absenktransformator, Hilfstransformator und Erdungstransformator – die Lösung in Bezug auf die elektrische Leistung darstellen, aber das abgelegene Betriebsgebiet, der Platzmangel auf einem Gestell sowie die hohen Transport- und Installationskosten separater Transformatoren erlaubten keine Verwendung der Drei-Transformatoren-Lösung. Die etablierte Lösung bestand darin, den Transformator mit kombiniertem Design zu verwenden, der es ermöglichte, die Funktionen der Spannungsumwandlung und der Hilfsspannungsversorgung zu integrieren. Die Transformatoren mit kombiniertem Design trafen als eine einzige Lieferung auf der Baustelle ein, benötigten einen Tag für die Installation und funktionierten sechs Jahre lang einwandfrei. Die Frage, wie man den kombinierten Transformator des erforderlichen Typs auswählt, stellt die Suche nach einem multifunktionalen Transformator dar, der die Funktionen erfüllen kann, die ansonsten separat erfüllt werden müssten, anstatt die verfügbaren Typen von kombinierten Transformatoren auf dem Markt und deren Anwendungen zu verstehen, die bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen.

Ein kombinierter Transformator ist ein Transformator, der zwei oder mehr elektrische Funktionen gleichzeitig ausführt, die ansonsten zwei Transformatoren erforderten. Die am häufigsten verwendeten Typen von kombinierten Transformatoren sind der Stern-Dreieck-Erdungstransformator, der Zweiwicklungs-Transformator, der Dreiwicklungs-Transformator, der pad-montierte Transformator. .
Der Vorteil der Verwendung von kombinierten Transformatoren liegt in der Reduzierung des Platzbedarfs der Ausrüstung, was zu einer Vereinfachung der Installation und einer geringeren Anzahl von Verbindungen sowie zu niedrigeren Kosten im Vergleich zur Anzahl der Transformatoren führt. Der Nachteil des kombinierten Transformators besteht darin, dass, wenn ein Transformator ausfällt, alle seine Funktionen außer Betrieb sind und dass es komplizierter ist, Änderungen und Erweiterungen am kombinierten Transformator vorzunehmen als bei den separaten Einheiten. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Spezifikation ist, dass alle Funktionen des Transformators genau spezifiziert werden sollten und eine bestimmte Konfiguration gewählt wird, die den Anforderungen entspricht, zusammen mit Typprüfungen, die von einem Hersteller durchgeführt werden.

Was ein kombinierter Transformator ist – und warum er spezifiziert wird.

Ein Kombinationstransformator ist ein Transformator, der zwei oder mehr elektrische Funktionen in einem Gerät kombiniert: Spannungsreproduktion, Erdung, Hilfsspannungsversorgung, Schutz von Schaltungen und Messung. Es wird nicht wie eine Produktkategorie mit einem standardisierten Satz von Spezifikationen behandelt. Es ist ein Ansatz für das Design, der die Installation von drei Transformatoren vermeidet, von denen jeder seine eigene Ausrüstung, seinen eigenen Kern, seine eigene Durchführungen, seinen eigenen Schutz und seine eigene Verkabelung hat. Stattdessen können die Ingenieure einen Transformator haben, der alle nicht spannungswandelnden Funktionen gut geeignet hat. Die einfachste und beliebteste Konfiguration der in der Industrie verwendeten kombinierten Transformatoren in zwei und Versorgungsanwendungen ist ein Stern-Dreieck-Erdungstransformator mit einem zusätzlichen sekundären Stromkreis. Die sternverbundene Primärwicklung dieses Transformators hat einen Neutralpunkt zur Erdung des Stromkreises, abhängig von der Erdungsart. Die dreieckig verbundenen Sekundärwicklungen stellen sicher, dass dreiphasige Hilfsspannung an die stationären Lasten geliefert wird, z.B. für Beleuchtungszwecke, und andere Mittel zur Gewährleistung der Kontrolle über die Funktionsweise des elektrischen Netzes. Der Kombinationstransformator fungiert nun sowohl als Erdungstransformator als auch als Hilfsspannungstransformator, wodurch die Notwendigkeit entfällt, zwei zusätzliche Transformatoren zu verwenden. Für Ingenieure hat die Verwendung dieser Typen den Vorteil, eine Reduzierung der Fläche der Umspannwerke oder Pump- oder Kompressionsanlagen oder entfernten Einheiten zu gewährleisten. All dies trägt dazu bei, den Fundamentbedarf und die benötigten Leitungen zu reduzieren sowie die Anzahl der Sicherheitsvorrichtungen zu minimieren und das Schutzschema zu vereinfachen, ohne die Gesamtkosten der Ausrüstung erheblich zu erhöhen, die bis zu 20%–30% im Vergleich zur Option des Kaufs von zwei Transformatoren separat betragen.

Andere Konfigurationen von kombinierten Transformatoren, die verwendet werden, sind der Dual-Wicklungstransformator mit einem integrierten OLTC, der verwendet werden kann, wenn sich die Primärspannung ändert und eine gute Lösung für lange Stromleitungen darstellt, wodurch die Spannung automatisch geregelt wird; der Dreiwicklungstransformator, der außer einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen auf unterschiedlichen Spannungsniveaus zwei unabhängige Lastsätze durch den Transformator speist, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen; der pad-mounted Transformator mit integrierter Schaltanlage und Messung wird zum Bau der standardmäßigen unterirdischen Verteilungsstationen in Wohngebieten verwendet. Für einen Überblick über das gesamte Sortiment an Transformatorarten und -konfigurationen, die für diese und andere Anwendungen verfügbar sind, siehe den Produktkatalog bei Subian Electric, der kombinierte Transformatoren, Erdungstransformatoren, Verteilungstransformatoren und Spezialleistungstransformatoren umfasst.

Wie man die Spannung, die kVA und die Erdungsanforderungen für einen kombinierten Transformator spezifiziert

Die Spezifikation eines kombinierten Transformators korrekt erfordert vom Käufer, jede elektrische Funktion zu definieren, die der Transformator ausführen muss, und dem Hersteller die spezifischen Werte — die Spannungen, die kVA-Bewertungen, die Impedanz, die Erdungsmethode, den Temperaturanstieg und den anwendbaren Standard — für jede Funktion bereitzustellen. Die wichtigsten Parameter, die in der Spezifikation enthalten sein müssen, sind in der nachstehenden Tabelle für die häufigste Konfiguration von kombinierten Transformatoren zusammengefasst: der Stern-Dreieck-Erdungstransformator mit einem Hilfsstromsekundär.

Die 80%-Regel und andere Lastüberlegungen für einen kombinierten Transformator

Die 80%-Regel für Transformatoren besagt, dass Transformatoren nicht kontinuierlich über 80% ihrer KVA-Bewertung betrieben werden dürfen, und dies gilt für kombinierte Transformatoren ebenso wie für reguläre Transformatoren, muss jedoch separat für jede einzelne Funktion des Transformators angewendet werden. Die Erdungswicklung muss für den kontinuierlichen und kurzfristigen Erdschlussstrom ausgelegt sein, den sie im Falle eines Fehlers führen wird, und die 80%-Regel gilt nicht für die Erdungswicklung in der gleichen Weise, wie sie für kontinuierliche Lasten gilt, da diese Wicklung nur unter abnormalen Bedingungen arbeitet und die kurzfristige Kapazität wichtiger ist als die kontinuierliche Bewertung. Die Hilfswicklung muss mit 125% der Last bewertet werden, die sie bedient, und die 80%-Regel bedeutet, dass der Transformator nicht über 80% seiner Hilfs-KVA-Bewertung betrieben werden darf. Somit ist ein Transformator, der mit einer 150 KVA Hilfswicklung für 120 KVA Lasten arbeitet, akzeptabel, aber wenn er mit einer 150 KVA Hilfswicklung für eine 150 KVA Last verwendet wird, wird er unterdimensioniert – er wird heiß, die Isolierung altert schneller und die Betriebslebensdauer verringert sich. Die IEEE C57.96-Norm gibt Informationen über die Transformatorenlast und deren Beziehung zur Isolationslebensdauer und Temperatur sowohl für Öltransformatoren als auch für Trockentransformatoren, und ein Käufer, der diese Anforderungen in der Entwurfsphase beachtet, erhält einen Transformator, der für die tatsächliche Last ausgelegt ist.

Effizienz, Verluste und die Gesamtkosten des Eigentums

A kombinierten Transformators hat sowohl keine Lastverluste (die Kernverluste, die immer vorhanden sind, wenn der Transformator unter Spannung steht) als auch Lastverluste (die Wicklungsverluste, die mit dem Quadrat des Stroms variieren). Die Lastverluste der Hilfsstromwicklung sind die dominierende Verlustkomponente, wenn die Stationierungslasten betrieben werden, und die Verluste der Erdungswicklung sind während des normalen Betriebs vernachlässigbar, da die Erdungswicklung nur den kleinen, unausgeglichenen Neutralstrom führt. Der Käufer, der Angebote für einen kombinierten Transformator vergleicht, sollte die Verluste mit einer Verlustkapitalisierungsformel bewerten, die die jährlichen Energieverluste in einen Barwertkapitalkosten umwandelt, und sollte die insgesamt bewerteten Kosten – Kaufpreis plus den kapitalisierten Wert der Verluste – vergleichen, anstatt nur den Kaufpreis. Die Formel lautet: Gesamtbewertete Kosten = Kaufpreis + (A × Keine Lastverluste in Watt) + (B × Lastverluste in Watt), wobei A und B die Verlustkapitalisierungsfaktoren in Dollar pro Watt sind. Der A-Faktor spiegelt die Kosten der Energie wider, die kontinuierlich, 24 Stunden am Tag verbraucht wird, und liegt typischerweise zwischen $5 und $10 pro Watt für industrielle und Versorgungsanwendungen. Der B-Faktor spiegelt die Kosten der Energie wider, die unter Last verbraucht wird, und liegt typischerweise zwischen $1 und $3 pro Watt. Der U.S. Ministerium für Energie veröffentlicht die standardmäßigen Verlustkapitalisierungsfaktoren für verschiedene Arten von Einrichtungen, und der Käufer kann diese Werte oder die spezifischen Werte aus seinem eigenen Stromtarif verwenden, um Angebote auf Basis der Gesamtkosten zu vergleichen. Ein kombinierter Transformator mit einem höheren Kaufpreis und niedrigeren Verlusten hat oft niedrigere insgesamt bewertete Kosten als einer mit einem niedrigeren Kaufpreis und höheren Verlusten – und der Unterschied kann über eine Lebensdauer von 25 bis 35 Jahren erheblich sein.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die 80%-Regel für Transformatoren?

Laut der 80%-Regel darf der Transformator nicht kontinuierlich über 80% der NennkVA auf dem Typenschild belastet werden; daher bietet dies thermischen Spielraum, um zu verhindern, dass die Isolierung zu schnell altert, und erleichtert das Lastwachstum, ohne dass ein größerer Transformator installiert werden muss, und bietet die Möglichkeit, kurzfristige Überlastungen zu bewältigen, ohne die Schutzeinrichtungen des Transformators auszulösen. Die Regel wird aus dem IEEE C57.96-Ladeleitfaden abgeleitet und dient als Branchenstandard für die Dimensionierung von Transformatoren.

Wie weiß ich, welchen Transformator ich benötige?

Um herauszufinden, welchen Transformator man verwenden sollte, muss man alle Anforderungen notieren, die der Transformator erfüllen muss, und am Ende die gesamte angeschlossene kVA ableiten. Danach sollte der Transformator basierend auf der Position – im Freien oder drinnen – sowie darauf, ob der Transformator ein Trocken- oder Öltransformator sein muss, gemäß den Anforderungen des Baugesetzes ausgewählt werden. Danach sollte die Nennleistung des auszuwählenden Transformators (der Standardwert) die obere Grenze sein und die tatsächliche Last berücksichtigt werden, um die 80%-Regel bezüglich der kontinuierlichen Arbeit des Transformators nicht zu überschreiten. Auch die Frequenz sollte berücksichtigt werden.

Wie wählt man den richtigen Stromtransformator aus?

Die Auswahl des richtigen Stromtransformators (CT) erfordert, dass Sie den Primärstrom (maximaler Laststrom, den der CT messen muss), den Sekundärstrom (ein CT hat normalerweise einen Sekundärstrom von 5 A oder 1 A für Mess- und Schutzfunktionen), die Genauigkeitsklasse (definiert den Fehler des CT bei Nennstrom und Last), die Last (Impedanz von Relais, Zählern und Drähten, die mit dem CT verbunden sind) sowie die physikalische Größe und den Installationstyp des CT bestimmen. Außerdem muss der CT für die Spannung des elektrischen Systems und den verfügbaren Kurzschlussstrom ausgelegt sein. Es ist wichtig zu erwähnen, dass dies ein einzelnes Gerät ist, das sich von einem kombinierten Leistungstransformator unterscheidet.

Wie bestimme ich, welche Größe der Transformator benötigt wird?

Um zu berechnen, wie groß ein Transformator sein muss, muss man die kVA aller angeschlossenen Lasten ermitteln, die Nachfragefaktoren für jede Art von Last gemäß NEC oder lokalen Vorschriften anwenden, alle kontinuierlichen Lasten als 125% der Nennbewertung addieren und die nächsthöhere Standard-kVA aus dem berechneten Wert auswählen. Die Informationen, die notwendig sind, um diese Berechnung korrekt durchzuführen, sind ein Laststudienbericht, eine Kopie des NEC Artikels #220 und die kVA-Bewertungstabelle des Herstellers.

Referenzen

• IEEE C57.12.01 — Standard für allgemeine Anforderungen an Trockenverteilungs- und Leistungstransformatoren. Der grundlegende IEEE-Standard für das Design, die Prüfung und die Leistung von Trockentransformatoren, einschließlich der Anforderungen für Transformatoren mit kombinierten Funktionen.
• IEEE C57.96 — Leitfaden für die Belastung von Trockenbau-Verteilungs- und Leistungstransformatoren. Der IEEE-Leitfaden, der die Beziehung zwischen der Last, der Temperatur und der Lebensdauer der Isolierung definiert und die Quelle der 80%-Laderegel ist.
• U.S. Department of Energy — Verlustkapitalisierungsfaktoren für die Transformatorbewertung. Die Regulierungsbehörde, die die standardmäßigen Verlustkapitalisierungsfaktoren zur Bewertung von Transformatorangeboten auf Basis der Gesamtkosten des Eigentums veröffentlicht.
• NFPA 70 (NEC) — Artikel 220 (Lastberechnungen) und Artikel 450 (Transformatoren). Die Anforderungen des National Electrical Code für Lastberechnungen und die Installation von Transformatoren in den Vereinigten Staaten.

In this case, the complication comes with selecting a combined transformer which requires identifying all the roles that the transformer needs to fulfil, including voltage conversion, grounding, auxiliary power supply, and voltage regulation and then determining the specifications of each role in such detail that the manufacturer will be able to achieve all of them at once. With a properly defined combined transformer you reduce the footprint, the cost of installation and the maintenance of the electrical system as opposed to a set of single-function transformers. However, if you fail the specification process, it means your grounding kVA, auxiliary voltage, and impedance are not mentioned, and the manufacturer will use its default product thus failing to meet your requirements. Subian Electric produces combined transformers for the global market. The kVA of these transformers, their voltages, grounding, and required test documentation make them an attractive offer for a professional buyer.