mini|Leistungstransformator mit Bemessungsscheinleistung von 250 MVA Als Leistungstransformator wird in der elektrischen Energietechnik ein Transformator bezeichnet, der höhere elektrische Leistungen zwischen verschiedenen Netzspannungsbereichen umspannt. Die Norm DIN EN 60076-1 Leistungstransformatoren – Teil 1 Allgemeines legt die Bemessungsscheinleistung fest: bei Einphasentransformatoren mit größer oder gleich 1 kVA bei den häufiger in Stromnetzen eingesetzten Dreiphasentransformatoren mit größer oder gleich 5 kVA. Mit Stand 2021 werden Leistungstransformatoren bis zu einem Leistungsbereich von 1,5 GVA gebaut. Leistungstransformatoren sind je nach Anwendungsgebiet unterschiedlich ausgeführt. Weit verbreitet sind Leistungstransformatoren für Verteil- und Übertragungsnetze. Daneben gibt es zahlreiche Sonderbauformen für spezielle Anwendungsbereiche, wie z. B. die Speisung unterschiedlicher Arten von Stromrichtern, die Bahnstromversorgung oder Lichtbogenöfen.
Drei einzelne einphasige Leistungstransformatoren können zu einer Drehstrombank zusammengeschaltet werden, die wie ein Dreiphasentransformator arbeitet.Andreas Küchler: Hochspannungstechnik. 2. Auflage, Springer 2005.
Anwendungsbereiche mini|220-kV-/110-kV-Transformator (Brückenmittelstück für Transport mit Tragschnabelwagen)
Je nach Einsatzbereich unterscheidet sich der Aufbau der verschiedenen Typen. Maschinentransformatoren dienen in größeren Kraftwerken dazu, die Spannung der Kraftwerksgeneratoren von einigen 10 kV auf die in Hochspannungsnetzen üblichen Spannungen von mehreren 100 kV zu transformieren. Der Leistungsbereich liegt zwischen einigen 10 MVA bis knapp über 1500 MVA.
In Umspannwerken werden Netzkuppeltransformatoren eingesetzt. Diese dienen in größeren Umspannwerken als Knotenpunkt der überregionalen Transportnetze, um die verschiedenen Spannungsebenen wie die in Europa üblichen 110-kV-, 220-kV- oder 380-kV-Ebenen zu verbinden. Der Leistungsbereich umfasst einige 100 MVA. In manchen Umspannwerken werden Phasenschiebertransformatoren zur gezielten Steuerung von Lastflüssen auf einzelnen Leitungen eingesetzt. Kleinere Leistungstransformatoren im Bereich einiger 10 MVA finden in untergeordneten Umspannanlagen zur Anspeisung der Mittelspannungsnetze Anwendung. Der Bereich von einigen 10 kVA bis einige wenige MVA wird in den lokalen Transformatorenstationen, die der Versorgung der Niederspannungsnetze dienen, eingesetzt und als Verteiltransformatoren bezeichnet.
Stromrichtertransformatoren () sind spezielle Leistungstransformatoren. Sie dienen der Speisung bzw. dem Anschluss von – heutzutage meist leistungselektronischen – Stromrichtern. Man unterscheidet zwischen Transformatoren für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) und Transformatoren für Industrieanwendungen – im Bereich großer Leistungen sind dies hauptsächlich Hochleistungs-Gleichrichtersysteme für Elektrolyseanlagen, (Gleichstrom-)Lichtbogenöfen oder Graphitöfen.
Unabhängig von der Anwendung müssen Stromrichtertransformatoren grundsätzlich thermisch anders ausgelegt werden als konventionelle Transformatoren, da Stromrichter in hohem Maße Stromharmonische erzeugen, die sowohl Auswirkungen auf die Auslegung der Wicklungen (Skineffekt) als auch des Kerns (Wirbelströme) haben. Darüber hinaus besitzen derartige Transformatoren üblicherweise auf der Stromrichterseite mehrere dreiphasige, unterschiedlich verschaltete Wicklungen, die den Betrieb höherpulsiger Stromrichter an einem Transformator ermöglichen. Während bei der HGU im Regelfall auf beiden Seiten sehr hohe Spannungen im Bereich mehrerer 100 kV bis in den MV-Bereich bei eher geringen Stromstärken vorliegen, herrschen bei Gleichrichtertransformatoren auf der Stromrichterseite (Sekundärseite) üblicherweise Spannungen um 1 kV oder darunter, während die Stromstärke mehrere 10 kA pro Phase betragen kann.
HGÜ-Transformatoren besitzen eine hohe Übertragungsleistung bei einem meist relativ geringen Übersetzungsverhältnis. Sie werden üblicherweise aufgrund ihrer Baugröße und der erforderlichen Isolationsabstände als Bänke aus extern zusammengeschalteten einphasigen Einheiten aufgebaut. Grundsätzlich kann die Energieübertragung bei der HGÜ bidirektional erfolgen, so dass bei diesen Transformatoren die Begriffe Primärseite und Sekundärseite nicht anwendbar sind, da diese sich nach IEC-Norm grundsätzlich auf den Lastfluss beziehen.
Bei Anwendungen für Hochleistungsgleichrichter ist – im Unterschied zur HGÜ – üblicherweise eine Regelung der Spannung und der Stromstärke über den gesamten Bereich gefordert, weshalb die verwendeten Transformatoren zusätzlich über Weitbereichs-Laststufenschalter verfügen, die speziell bei Transformatoren für Diodengleichrichter über mehr als 100 Stufen verfügen können, und die meist in einem dem eigentlichen Stromrichtertransformator vorgeschalteten Regeltransformator untergebracht sind. Wenn möglich werden Regel- und Gleichrichtertransformator im selben Kessel untergebracht. Bei Diodengleichrichtern für Elektrolyseanwendungen kommen oft noch Regeldrosseln hinzu, um eine Feineinstellung der Spannung zu ermöglichen. Diese werden üblicherweise ebenfalls im Transformatorkessel eingebaut. Darüber hinaus sind oft noch zusätzliche Wicklungen oder Abgänge vorhanden zum Anschluss von Blindleistungs-Kompensationsanlagen und Oberschwingungs-Filtern.
Eine andere spezielle Anwendung ist der Lichtbogenofen-Transformator (). Er transformiert Strom für einen Lichtbogenofen; dieser schmilzt unter anderem Stahlschrott. (PDF; 1,3 MB), Tamini Group, abgerufen am 21. Januar 2012 (englisch) Diese Transformatoren, die Leistung reichen von einigen 10 MVA bis über 300 MVA,, alstom.com, ALSTOM Holdings, (englisch) weisen auf der Unterspannungsseite bei einigen 100 V sehr hohe Ströme von einigen 10 kA bis über 100 kA auf. Auch sie können einphasig aufgebaut und mittels Knapsack-Schaltung dreiphasig verschaltet werden.Robert Durrer, Georg Volkert: Metallurgie der Ferrolegierungen 2. Auflage, Springer 2013.
Prüftransformatoren, wie sie in Hochspannungslabors und Prüffeldern zur Erzeugung hoher Wechselspannungen zum Einsatz kommen, werden im Allgemeinen nicht den Leistungstransformatoren zugerechnet, da ihre Übertragungsleistung im Vergleich eher gering ist. Eine Begrenzung der Übertragungs- und speziell der Kurzschlussleistung ist bei Prüftransformatoren im Regelfall sogar erwünscht, um bei einem Durchschlag des Prüflings größere Schäden bis hin zur völligen Zerstörung desselben zu vermeiden. Die primäre Funktion liegt hier in der Erzeugung qualitativ hochwertiger Prüfspannungen. Darüber hinaus ist die Isolierung von Prüftransformatoren im Allgemeinen spezifisch darauf ausgelegt, im gesamten Betriebsspannungsbereich sehr geringe Teilentladungspegel (im Bereich der Nachweisgrenze) aufzuweisen, während Teilentladungen bei Leistungstransformatoren toleriert werden, solange der Pegel in einem Bereich liegt, in dem keine Schäden an der verwendeten Isolation zu erwarten sind.
Aufbau Ölgefüllte Leistungstransformatoren mini|Schnittdarstellung durch einen Leistungstransformator
Aktivteil Beschreibung Der Verbund aus Kern, Wicklungen, Pressteilen (Pressrahmen, Pressgestänge) und Ableitung wird Aktivteil genannt. Die meisten Transformatoren, wie z. B. Netz- oder Maschinentransformatoren, verfügen über einen Transformator-Aktivteil. Einige dieser Transformatoren verfügen über zusätzliche Aktivteile, wie Kurzschlussstrombegrenzungsdrosseln oder Strombegrenzungsdrosseln für spezielle Stufenschalterarten. Industrietransformatoren, wie Ofen- oder Stromrichtertransformatoren, können neben einem oder mehreren Transformator-Aktivteilen auch über Regeltransformator-Aktivteile oder Drossel-Aktivteile verfügen.
mini|Direkt geregelter Pfannenofentransformator mit trianguliert angeordneten und wassergekühlten US-Rohrdurchführungen
Bei Ofentransformatoren richtet sich die Anzahl der Aktivteile nach der Art der Regelung. Im einfachsten Fall verfügt ein Ofentransformator über einen Aktivteil mit direkter Regelung auf der Oberspannungsseite. D.h., der Ofentransformator-Aktivteil verfügt neben der Oberspannungs-Stammwicklung auch über eine Regelwicklung, über die bei konstanter Oberspannung die Unterspannung variabel einstellbar ist. Dies ist auch bei Netztransformatoren der Fall, wobei hier gestuft wird, um bei schwankender Oberspannung die Unterspannung konstant zu halten. Die Einsatzmöglichkeiten der direkten Regelung werden begrenzt durch Spezifikationen der marktverfügbaren Stufenschalter. Ofentransformatoren werden in hochdynamischen Anwendungen mit asymmetrischen Lasten häufig nahe dem Kurzschluss betrieben. Stufenschalter müssen diesen Beanspruchungen standhalten. So kann es notwendig werden, dass bei einer direkten Regelung drei einphasige Stufenschalter zum Einsatz kommen, die einzeln mehr beansprucht werden können, als ein einzelner dreiphasiger Stufenschalter. Wenn für die gewünschte Leistung eines Ofentransformators keine Stufenschalter mehr marktverfügbar sind, kommen Booster Transformatoren oder Transformatoren mit Regeltransformator-Aktivteilen, meist als Spartransformator ausgeführt (Autotransformer), zum Einsatz. Bei Booster-Transformatoren gibt es einen Hauptaktivteil. Dieser verfügt über eine Ober- und eine Unterspannungswicklung. Zusätzlich verfügt dieser Aktivteil über eine Regelwicklung. Außerdem findet ein Zusatzaktivteil, der Booster-Aktivteil Verwendung. Dieser verfügt nur über eine Ober- und Unterspannungswicklung. Die Regelwicklung des Hauptaktivteils ist über einen Stufenschalter im sogenannten Zwischenkreis mit der Oberspannungswicklung des Booster-Aktivteils verbunden und regelt dessen Unterspannung. Die Unterspannungswicklungen von Hauptaktivteil und Booster-Aktivteil sind in Form von Achten (8er-Wicklung) in Reihe geschaltet. Das Übersetzungsverhältnis des Hauptaktivteils ist fest. Der Booster-Aktivteil arbeitet in gleichgesetzter Richtung mit dem Hauptaktivteil, um die Unterspannung zu erhöhen. Er arbeitet entgegengesetzt, um die Unterspannung zu senken. Die Spannung im Zwischenkreis ist in einem gewissen Rahmen im Designprozess frei wählbar. Diese wird so gewählt, dass ein einzelner dreiphasiger Stufenschalter zum Einsatz kommen kann. Die Variante mit Regeltransformator-Aktivteil führt ebenfalls zu einer Optimierung der Anzahl von Stufenschaltern. Als Regeltransformator kommen in der Regel Spartransformatoren zum Einsatz. Diese verfügen über eine Regelwicklung, die über einen dreiphasigen Stufenschalter im Zwischenkreis mit der Oberspannungswicklung des Ofentransformator-Aktivteils verbunden ist. Auch hier kann die Zwischenkreisspannung so gewählt werden, dass marktverfügbare, dreiphasige Stufenschalter zum Einsatz kommen können. mini|12-Puls-Stromrichterbrückenschaltung gespeist durch zwei Transformator-Drehstromsysteme