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1 Labor: Elektrische Maschinen 1 Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EM1-2: Drehstrom-Transformator Versuchs-Datum: Semester: Gruppe: Protokoll: Testat: Bericht: Datum: 1. Versuchsziel Bei diesem Versuch sollen Sie: - die wichtigsten Schaltgruppen von Drehstromtransformatoren kennenlernen, - deren Phasendrehung und Übersetzung messtechnisch feststellen und - die Eignung für unsymmetrische Belastungen untersuchen. 2. Theoretische Grundlagen Siehe hierzu Vorlesung: Elektrische Maschinen Da die Energieversorgung heutzutage überwiegend auf Drehstrom beruht, werden Leistungstransformatoren fast immer als Drehstromeinheiten gebaut. Für die elektrische Schaltung der drei Ober- und Unterspannungswicklungen besteht dabei eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen die wichtigsten in den betreffenden Bestimmungen und Normen zusammengestellt sind. Im Versuch werden die 3 gebräuchlichsten Schaltgruppen untersucht, die auch als Messschaltungen mit den vollständigen Anschlussbezeichnungen nach DIN EN angegeben sind. Dabei kennzeichnen die vor den Buchstaben U, V und W stehenden Zahlen 1, 2 u. s. w. die Ober- bzw. Unterspannungswicklungen. Die den Buchstaben nachgestellten Zahlen 1 und 2 bezeichnen Anfang und Ende eines Wicklungsstranges und werden oft weggelassen. Zur Festlegung der Schaltung von Ober- und Unterspannungswicklung dient die Schaltgruppe, welche außerdem die Phasenlage der Spannungen zueinander angibt. Mit der Stern-, der Dreieck- und der Zickzackschaltung bestehen drei Möglichkeiten zur Verbindung der Wicklungen jeder Seite. Ihnen sind die Zeichen Y oder D für die Oberspannungsseite bzw. y, d oder z für die Unterspannungsseite zugeordnet. Ist der Sternpunkt einer Wicklung in Stern- oder Zickzackschaltung herausgeführt, wird zur Kennzeichnung ein N bzw. n zugefügt. Beispiele: YNd, Dyn Die zusätzliche Kennzahl gibt den Sollwert der Nacheilung einer Unterspannung gegenüber der gleich lautenden Oberspannung als Vielfaches von 30 an. Beispiel: Dyn Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-2 Drehstrom-Transformator Seite 1

2 2.1 Unsymmetrische Belastung von Drehstromtransformatoren (siehe auch: Fischer, R.: Elektrische Maschinen) Drehstromnetze und somit auch die vorgeschalteten Transformatoren sollen möglichst symmetrisch betrieben werden. Dies Iässt sich im Niederspannungsnetz aus praktischen Gründen jedoch nicht immer verwirklichen, so dass zumindest dort mit unsymmetrischen Belastungen gerechnet werden muss. Insbesondere Transformatoren der Schaltgruppe Yyn0 reagieren empfindlich auf diese Schieflast, so dass sich diese Einflüsse hier besonders deutlich zeigen. Verstärkt werden diese Auswirkungen zusätzlich durch das 5-Schenkel-Kernkonzept. Als besonders leicht überschaubare unsymmetrische Situation wird im Labor die einsträngige Belastung zwischen Außenleiter und Sternpunkt bei primärseitig nicht angeschlossenem Neutralleiter nach Bild 2.1 untersucht. 1U I U I V 2U 2V 1V I W 2W I 2 1W N Z... I U I V I W I II I 2. Bild 2.1: Unsymmetrische Belastung bei der Schaltgruppe Yyn0 Dabei verlangt der 1. Kirchhoffsche Satz für die Primärseite I U + I V + I W = 0 und die notwendig verschwindende Durchflutung in den Fenstern mit der belasteten Wicklung führt auf I): I U I V + I 2 = 0 ; II): I V I W I 2 = 0. Wertet man dieses Gleichungssystem für die primären Ströme aus, findet man I U = I W = -1/3 I 2 ; I V = 2/3 I 2. Damit verbleibt für jeden der 3 Hauptschenkel eine unkompensierte, phasengleiche Zusatzdurchflutung (Nullkomponente) θ Z = -1/3 N 1 I 2, die ebenfalls gleichgerichtete Zusatzflüsse treiben. Letztere schließen sich als Nullfluss über die Außenschenkel bzw. von Joch zu Joch über den Außenraum. ϕ V U U 1 Z U 1. I 2 S U V - U Z. S U W U U θ Ζ Φ h ϕ W ϕ U Bild 2.2: Verzerrter Spannungsstern bei Schieflast Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-2 Drehstrom-Transformator Seite 2

3 Dabei induzieren sie nach Bild 2.2 in den Primär- und Sekundärwicklungen der 3 Stränge phasengleiche Spannungen U Z1 = jω 1 N 1 bzw. U Z2 = jω 1 N 2, so dass sich die Potentiale der betreffenden Anschlusspunkte verlagern sollten. Da diese primärseitig aber durch das speisende Netz vorgegeben und festgehalten werden, kann sich im Gegenzug nur der Sternpunkte S 1 um U Z1 in Gegenrichtung verlagern. Demgegenüber wird auf der Sekundärseite der Sternpunkt geerdet, so dass sich dort die Potentiale der Außenleiteranschlüsse phasengleich um U Z2 verlagern. Beides führt zu einer deutlichen Verzerrung der betreffenden Spannungssterne. Daher sind Transformatoren der Schaltgruppe Yyn0 nur für max 10% Schieflast geeignet und dürfen z. B. nicht als Verteilertransformatoren für das Niederspannungsnetz verwendet werden. Interessant ist dabei, dass in beiden Fällen die jeweiligen Außenleiterspannungen ihre symmetrischen Werte behalten. 3. Versuchsaufbau Wicklungsschema und Messschaltungen sind im folgenden Bild dargestellt. Messschaltungen Wicklungsschema und Bezeichnungen Schaltgruppe Yyn0 Schaltgruppe Dyn5 Schaltgruppe Yzn5 N2 N2 Bild 3.1 Wickelschema und Schaltbilder N2 4. Versuchsdurchführung Die nachfolgenden Messungen werden bei der primärseitigen Bemessungs- Strangspannung U 1Str = 230 V durchgeführt. Dabei ist zur Potentialfestlegung der sekundäre Sternpunkt mit dem Neutralleiter des speisenden Netzes verbunden. 4.1 Spannungs-Zeigerdiagramme (Spannungssterne) Messen Sie für die angegebenen Schaltgruppen alle Strang- und Außenleiterspannungen sowie deren gegenseitige Zuordnung: - Schaltgruppe Yyn0 (Messprotokoll 1.1), - Schaltgruppe Dyn5 (Messprotokoll 1.2), - Schaltgruppe Yzn5 (Messprotokoll 1.3) Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-2 Drehstrom-Transformator Seite 3

4 4.2 Einphasige Belastung Messen Sie für nachstehende Schaltgruppen und Belastungen die angegebenen Strangund Außenleiterspannungen beim Bemessungsstrom I 2N : - Schaltgruppe Yyn0; ohmsche Last (Messprotokoll 2.1), - Schaltgruppe Yyn0; induktive Last (Messprotokoll 2.2), - Schaltgruppe Yyn0; kapazitive Last (Messprotokoll 2.3), - Schaltgruppe Dyn5; ohmsche Last (Messprotokoll 3.1), - Schaltgruppe Yzn5; ohmsche Last (Messprotokoll 3.2). 4.3 Messprotokoll: Tragen Sie alle Spannungen (V) zwischen den angegebenen Klemmen und die Ströme (A) im Lastfall in die vorbereitete Tabelle ein. Klemmen 1U1-1V1-1W1 - Messung Nr U1 1V1 1V1 1W1 1W1 1U1 2U1 - N2 2V1 - N2 2W1 N2 2U1 2V1 2V1 2W1 2W1 2U1 2V1-1U1 2V1-1V1 2V1-1W1 3U2 - N2 3V2 - N2 3W2 - N2 3U2 3V2 3V2 3W2 3W2 3U2 3V2 1U1 3V2 1V1 3V2 1W1 I 2 Bild 4.1 Vorbereitetes Messprotokoll Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-2 Drehstrom-Transformator Seite 4

5 5. Auswertung 5.1 Stellen Sie die Spannungssterne des leerlaufenden Transformators für jede Schaltgruppe getrennt dar und kontrollieren Sie die: - Phasenlage entsprechend der jeweiligen Kennzahl (Vergleich: Soll - / Istwert) und - Übersetzung ü = U 1 : U Stellen Sie die Spannungssterne der einphasig belasteten Transformatoren für jede Schaltgruppe getrennt dar und beschreiben Sie das unterschiedliche Verhalten. 5.3 Begründen Sie anhand von Durchflutungsüberlegungen warum - die Schaltgruppe Yyn 0 nicht unsymmetrisch belastbar ist, - die Schaltgruppen Dyn 5 und Yzn 5 unsymmetrisch belastbar sind Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-2 Drehstrom-Transformator Seite 5