Spartransformator

Ein Autotransformator ist ein Hochsetz- oder Runtersetz-Transformator, der eine einzige durchgehende Wicklung anstelle von zwei separaten Primär- und Sekundärspulen verwendet. Ein Teil der Wicklung dient als Eingang, ein Teil als Ausgang, und sie teilen sich einen gemeinsamen Bereich. Diese gemeinsame Wicklung ist das Merkmal, das ihn von einem konventionellen Zweiwickel-Transformator unterscheidet, und daher stammt auch sein Name: "auto" bedeutet selbstgekoppelt.

Das grundlegende Funktionsprinzip ist folgendes. Der Strom tritt an einer Anzapfung in die Wicklung ein und verlässt sie an einer anderen. Ein zweites Anzapfungspaar entnimmt die Spannung einem anderen Bereich derselben Spule. Bei einem Runtersetz-Autotransformator wird der Ausgang von weniger Windungen entnommen als der Eingang. Bei einem Hochsetz-Autotransformator ist es umgekehrt. Das Windungsverhältnis bestimmt das Spannungsverhältnis, genau wie bei einem konventionellen Transformator. Gebräuchliche Verhältnisse liegen zwischen 2:1 und 1,2:1, und sie sind sowohl in einphasiger als auch in dreiphasiger Ausführung erhältlich und bewältigen Leistungen vom einigen hundert Watt bis zu mehreren Megavolt-Ampere im Industriebetrieb.

Der Hauptvorteil liegt in der Effizienz. Da ein Teil der Leistung magnetisch durch den gemeinsamen Kern übertragen wird und ein Teil elektrisch durch die gemeinsame Wicklung selbst, benötigt ein Autotransformator weniger Kupfer und Eisen als eine Zweiwickel-Einheit mit äquivalenter Nennleistung. Das spart Gewicht, Kosten und Kühlaufwand. Ein konventioneller 10-kVA-Transformator könnte 50 kg wiegen; ein Autotransformator mit ähnlicher Leistung könnte 30 kg wiegen. Diese Ersparnis macht Autotransformatoren zur Standardwahl in Spannungsreglern, Sanftstartern und Eingangskonditionierungsanlagen für Umrichter.

Wo Autotransformatoren funktionieren und wo nicht

Autotransformatoren sind in Anwendungen hervorragend, bei denen Ein- und Ausgang eine gemeinsame Masse haben oder bei denen Isolation nicht erforderlich ist. Sie sind Standard auf Labortischen, in Theaterbeleuchtungs-Dimmerpacks, in großen Motor-Sanftstarter-Schaltungen und in Blindleistungs-Kompensationsanlagen. Sie können jedoch keine galvanische Isolation zwischen Ein- und Ausgang bieten, was sie ungeeignet macht, wenn eine elektrische Sicherheitsisolation nach Vorschrift erforderlich ist oder wo Störfestigkeit kritisch ist. Außerdem kann ein Ausfall der gemeinsamen Wicklung beide Primär- und Sekundärschaltungen gleichzeitig beeinträchtigen, anders als bei einem Zweiwickel-Transformator, bei dem ein Fehler in einer Wicklung die andere nicht unbedingt ausfallen lässt.

Im Betrieb reagieren Autotransformatoren empfindlich auf unausgewogene Lasten in dreiphasigen Systemen und auf Oberschwingungsverzerrungen, besonders in Gegenwart nichtlinearer Lasten wie Umrichtern oder Gleichrichtern. Die gemeinsame Wicklung kann zum Engpass werden, wenn Stromoberschwingungen zirkulieren möchten. Moderne Autotransformatoren, die in Leistungselektronik-Anwendungen eingesetzt werden, enthalten oft in Dreieck geschaltete Stabilisierungswicklungen oder tertiäre Neutralisierungsschaltungen, um diese Belastungen zu bewältigen. Die Wartung befasst sich hauptsächlich mit der Kerntemperatur, der Sauberkeit der Anzapfungskontakte bei verstellbaren Modellen und dem Isolationszustand am hochspannungsseitigen Ende der Wicklung, wo die dielektrische Belastung am größten ist.