2 Aufbau des Dreiphasentransformators

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1 Aufu des Dreiphsentrnsformtors. Ausführungsformen der mgnetishen Kreise des Dreiphsentrnsformtors Einrihtungen zur Energieumwndlung in dreiphsigen Elektroenergiesystemen entstehen us der Zusmmenfügung und Zusmmenshltung von drei einphsigen Komponenten. So lässt sih ein Dreiphsentrnsformtor us drei Einphsentrnsformtoren ufuen. Eine solhe Anordnung wird Trnsformtornk gennnt. Dieses System ist mgnetish vollständig symmetrish. Die ewikelten Shenkel können ußerdem elieige Flusswerte nnehmen. Diese Eigenshft wird mit freiem mgnetishen Rükshluss ezeihnet. Ein Vorteil, der sih noh später zeigen wird. Die mgnetishen Kreise dieser Einphsentrnsformtoren lssen sih uf untershiedlihe Weise vereinigen. Beim Mnteltrnsformtor ist ein Zusmmenfügen üereinnder sinnvoll, wie Bild. zeigt. Er wird llerdings wegen seines komplizierten Kernufus heute kum noh hergestellt. Diese Buform esitzt eenflls freien mgnetishen Rükshluss gegenüer der Trnsformtorennk, er eine geringe mgnetishe Unsymmetrie. Offensihtlih ist zur Erzeugung eines gewünshten Flusses im Mittelshenkel eine kleinere mgnetishe Durhflutung erforderlih ls zur Erzeugung des gleihen Flusses in den Shenkeln und. Bild. Entwiklung des Dreiphsen-Mnteltrnsformtors

2 6 Aufu des Dreiphsentrnsformtors Werden drei Einphsen-Kerntrnsformtoren zusmmengefügt, und zwr zunähst in sternförmiger Anordnung nh Bild., entsteht die sogennnte Tempeltype. Eine heute kum noh nzutreffende Buform, die erst seit kurzem wieder Bedeutung erlngt. Für die Shenkelflüsse gilt unter Berüksihtigung der Quellenfreiheit des mgnetishen Feldes + (.) m wenn mit m der Fluss im gemeinsmen Mittelshenkel ezeihnet wird. Wird der Trnsformtor von einem symmetrishen Dreiphsensystem erregt und symmetrish elstet, dnn liegen für lle Ströme, Spnnungen und Shenkelflüsse symmetrishe Dreiphsensysteme vor. Unter diesen Bedingungen wird m = 0, wie us dem Zeigerdigrmm nh Bild. hervorgeht. Der Mittelshenkel knn dher entfllen. Diese Form des mgnetishen Kreises wird symmetrisher Dreiphsen-Kerntrnsformtor oder uh Tempeltype gennnt. Der llgemein ülihe Kerntrnsformtor entsteht, wenn die drei ewikelten Shenkel in nur eine Eene gelegt werden. Der mgnetishe Aufu wird ddurh etws un symmetrish. Die Lge des mgnetishen Verkettungspunkts der drei Shenkel liegt hier ungefähr in der Mitte des Johs. Wie erkennr, ist dmit der Weg für den mgnetishen Fluss zwishen den Verkettungspunkten A und B für den mittleren Kern kürzer ls für die eiden äußeren Kerne. (Auf die drus resultierenden untershiedlihen Mgnetisierungsströme der drei Wiklungsstränge wird noh im Kpitel 3 eingegngen.) Der mgnetishe Aufu wird ddurh unsymmetrish, ws us der Lge des mgnetishen Verkettungspunkts der drei Shenkel hervorgeht. ) A m B ) F F F F F Bild. Entwiklung des Dreiphsen-Kerntrnsformtors [5]

3 . Ausführungsformen der mgnetishen Kreise des Dreiphsentrnsformtors 7 (Auf den drus folgenden Untershied der Leerlufströme der drei Stränge wird später noh einzugehen sein.) Weder der symmetrishe noh der unsymmetrishe Kerntrnsformtor esitzen einen freien mgnetishen Rükshluss. Die Flüsse der drei Shenkel erfüllen die Bedingung + = 0 (.) Anderenflls entsteht zwngsläufig ein Luftfluss, der sih von Joh zu Joh shließt, lso ußerhl des mgnetishen Kreises. Dem ieten sih dnn wegen des geringen mgnetishen Widerstnds vor llem Konstruktionsteile us Eisen n, z. B. Spnnolzen des Mgnetgestells, er uh die Kesselwndung ei Öltrnsformtoren. Um die ddurh entstehenden Eisenverluste zu vermeiden, müssen diese Flüsse unterunden werden. Der fehlende mgnetishe Rükshluss ei Dreiphsen-Kerntrnsformtoren führt er uh zu untershiedlihen Mgnetisierungsersheinungen gegenüer der Trnsformtornk und dem Dreiphsen-Mnteltrnsformtor. (Bei der späteren Behndlung der unsymmetrishen Belstung des Trnsformtors wird die Ausildung von Flüssen des Nullsystems von wesentliher Bedeutung sein.) Bei Trnsformtoren großer Leistung (etw 50 MVA ufwärts) werden neen den drei wiklungstrgenden Shenkeln in derselen Eene zwei unewikelte Shenkel ngeordnet. Sie umgeen die Wiklung in der Art eines Mnteltrnsformtors nh Bild.3. Diese Buform wird Fünfshenkeltrnsformtor gennnt. Sein Johquershnitt knn durh diese Buweise gegenüer dem dreishenkligen Trnsformtor uf etw 60 % verkleinert werden. Seitenjoh, Rükshlussshenkel F F F Bild.3 Fünfshenkeltrnsformtor

4 8 Aufu des Dreiphsentrnsformtors. Kernufu Um den Einfluss der Wirelströme und die dmit verundenen Verluste zu verringern, wird der rele mgnetishe Kreis ller elektrisher Mshinen mit zeitlih wehselnder Induktion eknntlih ls Blehpket usgeildet. Der Werkstoff der Eisenkerne des Trnsformtors ist ds sogennnte Trnsformtorenleh. Widerstndsvergrößernde Legierungsnteile, hohohmige eidseitige Blehisolierung (Phosphtshiht uf Glsfilm) und geringe Blehdiken (mit 0,3 mm) reduzieren deutlih die Wirelstromverluste und unterinden uh die Verdrängung des Mgnetflusses us dem Innern des Kerns. Eine Verringerung der Wirelstromverluste wird uh durh eine Astndsverkleinerung der mgnetishen Weiß shen Bezirke erzielt, ws mit einem mehnishen Anritzen der Blehoerflähe oder einer Lserehndlung erreihr ist. Um eine gute Mgnetisierrkeit und geringe Hystereseverluste zu erzielen, finden heute für die geshihteten Kerne von Verteiltrnsformtoren nur noh siliziumlegierte, kornorientierte, kltgewlzte Trnsformtorenlehe Anwendung. Bei Mgnetisierung der kornorientierten Blehe in Wlzrihtung zeigen sih esonders gute Eigenshften hinsihtlih der Verluste des Mgnetisierungsedrfs und der Geräushentwiklung (Ashnitt.4). Die Shihtung der Blehe erfolgt in Rihtung des Mgnetflusses, und zwr m häufigsten durh Prllellehung. (Angewendet wird uh noh die Rdil- und Evolventenlehung.) Bei der Verindung des Shenkels mit dem Johlken sollten möglihst keine zur Mgnetflussrihtung senkrehte Luftsplte entstehen. Sie vergrößern den mgnetishen Widerstnd, verstärken die Geräushe ( Mgnetostriktion), erhöhen die notwendige Mgnetisierungsleistung und verhindern die Nutzung der gennnten Vorzüge der Blehe. Diese Nhteile entstehen durh einen stumpfen Stoß, wenngleih diese Verindung die fertigungstehnish einfhste Lösung drstellt. Der Kompromiss zwishen Verringerung der Mgnetisierungsleistung und Fertigungskosten führt zur Anwendung des verzpften Stoßes. Die Verzpfung estimmt in hohem Mße die spezifishen Verluste, er uh den Leerlufstrom und die Trnsformtorgeräushe. Für die geräuhlihen Drei-Shenkelkerne hen sih der 45 -Shnitt für die Verzpfung der Außenshenkel mit dem Joh und der 90 -Dhwinkel für den Mittelshenkel ls vorteilhfteste Lösung herusgestellt. Kriterium ilden dei die m Kern feststellren Eigenshften (Bild.4). Bei früheren Ausführungen wurden die Blehe mit einer einfhen Üerlppung (zwei vershiedene Blehpositionen) geshihtet (Bild.5). Heute wird usshließlih die sogennnte Step-Lp-Shihtung verwendet. Dei wird der Üergng mit einer Stffelung (5 is 7 vershiedenen Blehpositionen und ein Bleh pro Step) usgeführt (Bild.6). Zwngsläufig reduziert sih ei diesem Verfhren die Induktionserhöhung in der Nhrshft der Stoßstellen. Ein esonderer Vorteil liegt in der Verlustsenkung (4 % is 6 %) und in der Geräushreduktion, llerdings nur im

5 . Kernufu 9 ) ) J S S S J S Huptshenkel J Joh Bild.4 Dreishenkliger Eisenkern in Step-Lp-Ausführung mit Stffelung der Stoßstellen von Shenkeln und Johen [6] ) Bleheene ) Seitennsiht des Blehpketes eines Shenkels ) ) Shiht, 3, 5 Shiht, 4, 6 Shiht, 3, 5 Shiht, 4, 6 Bild.5 Blehshihtung ei Prllellehung ) für stumpfen Stoß ) für verzpften Stoß mittleren Induktionsereih (,40 T is,65 T). Die Tehnologie der Positionierung der einzelnen Blehe für komplette Säulen und Johe erfordert rehnergesteuerte Querteilnlgen mit integrierter Shihtvorrihtung [6]. Bei Kerntrnsformtoren werden im Allgemeinen Wiklungen mit kreisförmigen Spulen evorzugt. (Kernquershnitte kleiner Trnsformtoren sind us Gründen der Einfhheit qudrtish.) Um den kreisförmigen Quershnitt der Wiklung optiml mit Eisen zu füllen, muss der Quershnitt des Shenkels mehrfh ge-

6 0 Aufu des Dreiphsentrnsformtors ) ) Bild.6 ) Beispiel einer Step-Lp -Bleheshihtung; Werkfoto: SBG Neumrk ) Tehnologishe Einrihtungen zur Blehpositionierung; Werkfoto: SBG Neumrk ) Kernquershnitte ohne Kühlshlitze ) Kernquershnitte mit Kühlshlitze Bild.7 Quershnittsformen prllel gelehter Kerne stuft werden, uh us Gründen der esseren Beherrshung der ei Kurzshluss uftretenden rdilen Wiklungskräfte. Mit feiner werdender Stufung verringern sih im gleihen Mße die Amessungen des Trnsformtors, und ei steigender Leistung nähert sih der Kernquershnitt der Kreisform (Füllfktoren > 90 %). Die Johe werden genu so gestuft wie die Kerne. Ausgeführt werden er uh ovle Kerne. Bei großen Kernquershnitten (Trnsformtorleistungen > 6 MVA) werden im Innern des Kerns Kühlknäle ngeordnet. Kühlknäle prllel zur Bleheene stellen die tehnish einfhste Lösung dr. Senkreht zur Bleheene sind Kühlknäle m wirksmsten (Bild.7)..3 Wiklungsufu Bezeihnet werden die Wiklungen eines Trnsformtors nh dem Verluf des Energieflusses, der Höhe der Spnnung, der Wiklungsnordnung und dem Spulenufu. Primärwiklung heißt die Wiklung, der elektrishe Energie zugeführt wird (N oder N P ); der Sekundärwiklung (N oder N S ) wird elektrishe Energie entnommen. N ezeihnet die Anzhl der Windungen. D in Ahängigkeit vom