Übersetzungsverhältnis – Verfügbare Testarten
Eine Erklärung des Übersetzungsverhältnisses und verschiedener Methoden zur Erzielung optimaler Messwerte.
1. Einführung in das Übersetzungsverhältnis
Transformatoren werden in einer Vielzahl von elektrischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt und bieten Funktionen, die von der Trennung und der Erhöhung oder Verringerung von Spannung und Strom bis hin zur Rauschunterdrückung, Signalmessung, Regelung und einer Vielzahl von Funktionen reichen, die für bestimmte Anwendungen spezifisch sind.
Um zu prüfen, ob ein Transformator seine Konstruktionsspezifikation erfüllt, müssen verschiedene Funktionen getestet werden. Einer der am häufigsten verwendeten Tests ist die Überprüfung des Übersetzungsverhältnisses.
Diese technische Notiz gibt einen kurzen Überblick über die grundlegende Theorie des Windungszahlverhältnisses und stellt anschließend einige zusätzliche Aspekte vor, die bei der Prüfung dieser kritischen Transformator-Eigenschaft berücksichtigt werden sollten.
2. Grundlagen der Theorie
Das Übersetzungsverhältnis eines Transformators ist definiert als die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite geteilt durch die Anzahl der Windungen auf der Primärseite.
Das Spannungsverhältnis eines idealen Transformators steht in direktem Zusammenhang mit dem Windungsverhältnis: 
Das Stromverhältnis eines idealen Transformators verhält sich umgekehrt proportional zum Windungszahlverhältnis: 
Dabei ist Vs die Sekundärspannung, Is der Sekundärstrom, Vp die Primärspannung, Ip der Primärstrom, Ns die Windungszahl der Sekundärwicklung und Np die Windungszahl der Primärwicklung.
Das Übersetzungsverhältnis eines Transformators bestimmt somit, ob es sich um einen Aufwärts- oder Abwärtstransformator handelt.
Ein Aufwärtstransformator ist ein Transformator, dessen Sekundärspannung größer ist als seine Primärspannung; ein Transformator, der die Spannung erhöht, verringert den Strom.
Ein Abwärtstransformator ist ein Transformator, dessen Sekundärspannung niedriger ist als seine Primärspannung; ein Transformator, der die Spannung reduziert, erhöht den Strom.
Definitionen von Spannung und Windungszahl
3. Faktoren, die die Messung des Kurvenverhältnisses beeinflussen
Bei einem theoretischen, "idealen" Transformator könnte das Verhältnis der physikalischen Windungen einer beliebigen Wicklung einfach dadurch ermittelt werden, dass man die Effektivspannung an einer Wicklung misst, während man an eine andere Wicklung eine bekannte Effektivspannung mit geeigneter Frequenz anlegt.
Unter diesen Bedingungen entspräche das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung dem physikalischen Windungsverhältnis dieser Wicklungen.
Leider weisen „reale“ Transformatoren jedoch eine Reihe elektrischer Eigenschaften auf, die zu einem Spannungs- oder Stromverhältnis führen können, das nicht dem physikalischen Windungszahlverhältnis entspricht.
Das folgende schematische Diagramm veranschaulicht die elektrischen Eigenschaften eines realen Transformators. In der Mitte ist die ideale Transformatorkomponente dargestellt, darüber hinaus die elektrischen Komponenten, die verschiedene zusätzliche Eigenschaften des Transformators repräsentieren. 
- L1, L2 und L3 repräsentieren die primäre und sekundäre Streuinduktivität, die durch eine unvollständige magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen verursacht wird.
- R1, R2 und R3 stellen den Widerstand (bzw. den Kupferverlust) der Primär- und Sekundärwicklung dar.
- C1, C2 und C3 stellen die Wicklungskapazität dar.
- Lp stellt den Magnetisierungsinduktivitätsverlust im Kern dar.
- Rp stellt den Kernverlust dar, zu dem drei Bereiche beitragen: Wirbelstromverlust (nimmt mit der Frequenz zu), Hystereseverlust (nimmt mit der Flussdichte zu) und Restverlust (teilweise aufgrund von Resonanz).
4. Arten von Übersetzungsverhältnistests
Betrachtet man die Bandbreite der im Transformatorschaltplan dargestellten Elemente sowie die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Transformatoranwendungen, so zeigt sich, dass keine einzelne Messtechnik alle Fragen zum Übersetzungsverhältnis vollständig beantworten kann.
Aus diesem Grund bieten die Transformatorprüfgeräte der Voltech AT-Serie fünf verschiedene Messverfahren für das Windungszahlverhältnis an, die individuell ausgewählt werden können, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
Die grundlegenden Spezifikationen und der Spannungs-/Frequenzmessbereich sind auf unserer AT5600-Spezifikationsseite zu finden.
TR (Übersetzungsverhältnis)
Bei diesem Test wird eine beliebige Wicklung mit einer festgelegten Spannung beaufschlagt und die induzierte Spannung an einer beliebigen anderen Wicklung gemessen.
Die Ergebnisse werden dann als Verhältnis dargestellt (z. B. 2:1, 5:1 usw.). Voltech AT-Tester machen dies, indem sie eine Spannung durch die andere teilen und dabei den Wicklungswiderstand kompensieren.
Auch die Phase wird gemessen: „in Phase“ (positive Polarität) und „Antiphase“ (negative Polarität).
Siehe die Seite im Benutzerhandbuch des AT5600.
TRL (Übersetzungsverhältnis Induktivität)
Bei diesem Test werden zwei ausgewählte Wicklungen separat mit Energie versorgt und der Induktivitätswert jeder Wicklung gemessen.
Die Ergebnisse werden dann als Windungszahlverhältnis (z. B. 2:1, 5:1 usw.) dargestellt, das aus der Quadratwurzel der Induktivitätswerte berechnet wird.
Phase bedeutet auch: „in Phase“ (positive Polarität) und „Antiphase“ (negative Polarität).
Siehe die Seite im Benutzerhandbuch des AT5600.
LVOC (Niederspannungs-Leerlauf)
Bei diesem Test wird eine Spannung an die Primärwicklung angelegt, die induzierte Spannung in der Sekundärwicklung abgelesen und das Ergebnis als Sekundärspannung (z. B. 2,545 V) dargestellt.
Auch die Phase wird gemessen: „in Phase“ (positive Polarität) und „Antiphase“ (negative Polarität).
Siehe die Seite im Benutzerhandbuch des AT5600.
VOC (Leerlaufspannung - nur AT5600 + AT3600)
Bei diesem Test wird das gleiche Prinzip wie beim LVOC-Test angewendet, allerdings wird ein Hochleistungsgenerator verwendet, der in der Lage ist, eine Wicklung mit Spannungen bis zu 270 V zu erregen.
Der Test eignet sich zur Prüfung von Niederfrequenz-Leistungstransformatoren.
Auch die Phase wird gemessen: „in Phase“ (positive Polarität) und „Antiphase“ (negative Polarität).
Siehe die Seite im Benutzerhandbuch des AT5600.
VOCX (Spannungsunterbrechung bei externer Quelle - nur AT5600 + AT3600)
Dieser Test wird in Verbindung mit der Voltech AC-Schnittstellenvorrichtung durchgeführt.
Damit lässt sich eine externe Wechselstromquelle oder ein Aufwärtstransformator steuern, um Transformatoren mit höherer Leistung und höherer Spannung bis zu 600 V und 10 A zu testen.
Auch die Phase wird gemessen: „in Phase“ (positive Polarität) und „Antiphase“ (negative Polarität).
Siehe die Seite im Benutzerhandbuch des AT5600.
5. Auswahl des richtigen Kurvenverhältnisses (Test)
Um zu bestimmen, welche Art von Übersetzungsverhältnisprüfung für einen bestimmten Transformator am besten geeignet ist, sollten verschiedene Aspekte berücksichtigt werden.
Die Tabelle unten zeigt jeden Test mit einer Beschreibung, den zugehörigen Spezifikationen und einer Zusammenfassung des Nutzens, den dieser Test bietet.
Prüfen | Beschreibung / Spezifikation | Nutzen oder Vorteil |
|---|---|---|
| TR | Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung Messbereich: 1:30 bis 30:1; Spannungsbereich: 1 mV – 5 V; Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz; Genauigkeit: 0,1 % | Zeigt das tatsächliche elektrische Übersetzungsverhältnis, wie es im Betrieb beim Einschalten einer Primärwicklung zu erwarten ist. Das mit diesem Test ermittelte Übersetzungsverhältnis beinhaltet daher die im Transformator üblicherweise auftretenden Verluste, was zu einem Verhältnis führt, das größer ist als das der physikalischen Windungen, aber das vom Konstrukteur erwartete reale Spannungsverhältnis widerspiegelt. |
| TRL | Windungszahlverhältnis, berechnet aus der Induktivität Messbereich: 1:30 bis 30:1; Spannungsbereich: 1 mV – 5 V; Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz; Genauigkeit: 0,1 % | Verringert den Einfluss von Transformatorverlusten auf das gemessene Windungszahlverhältnis und ermöglicht so eine genauere Annäherung an das physikalische Windungszahlverhältnis. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn es auf die tatsächliche Windungszahl ankommt, der Transformator aber einen hohen Anteil an Streuinduktivität aufweist, was einen erheblichen Einfluss auf das Spannungsverhältnis haben kann. |
| LVOC | Ausgangsspannung gemessen bei niedriger Eingangsspannung Messbereich: 100 μV bis 650 V (100 μV bis 5 V ATi) Spannungsbereich: 1 mV – 5 V Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Ähnlich wie TR, zeigt aber die tatsächliche Ausgangsspannung anstelle des Spannungsverhältnisses an. Dies vereinfacht die Eingabe der Prüfgrenzwerte, wenn die Transformatorspezifikation aus Voltmetermessungen abgeleitet wurde. |
| VOC | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100 μV bis 650 V; Spannungsbereich: 5 V – 600 V; Frequenzbereich: 20 Hz – 1 MHz; Genauigkeit: 0,1 % | Ermöglicht das Testen von Leistungstransformatoren, deren Leistung über der Kapazität von VOC-Tests liegt. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit der Voltech AC Interface Fixture ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer spezifizierten Betriebsspannung. |
| VOCX | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100 μV bis 650 V | Ermöglicht das Testen von Leistungstransformatoren, deren Leistung über der Kapazität von VOC-Tests liegt. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit der Voltech-Wechselstrom-Schnittstellenvorrichtung ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer spezifizierten Betriebsspannung. |
6. Schlussfolgerung zur Prüfung des Übersetzungsverhältnisses
Auch wenn das Übersetzungsverhältnis eine bekannte und sehr grundlegende Funktion eines Transformators ist, so erfordert die effektive Prüfung dieser Funktion die Berücksichtigung vieler Aspekte.
Durch die Bereitstellung einer flexiblen Auswahl an Optionen zur Bestimmung des Windungszahlverhältnisses bietet das Voltech AT5600 Konstrukteuren und Herstellern gleichermaßen die Möglichkeit, die am besten geeigneten Tests für jede Transformatorkonstruktion auszuwählen und somit die Qualität und Effizienz ihres Testprozesses zu optimieren.
Sollten Sie Fragen zu den anderen Testfunktionen der Voltech AT-Serie von Transformatorprüfgeräten haben, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren.