3. Transformatoren Die Aufgabe der mandlung der eletrischen Energie auf beliebige Spannungserte lässt sich bei Wechselstrom sehr einfach über das ndutionsgesetz lösen. Bereits Faraday verendete bei der Entdecung dieser Erscheinung zei geoppelte Spulen und damit das Prinzip eines Transformators. Die ennleistung eines Transformators ist seine zulässige Scheinleistung. Sie reicht von einigen VA bei Kleintransformatoren bis zu 500 MVA bei Maschinentransformatoren. Drehstromtransformatoren erden zum mspannen von Drehstromnetzen, Einphasentransformatoren zum mspannen von Einphasennetzen (z.b. Bahnnetzen) verendet. Man ann auch drei Einphasentransformatoren zu einer sog. Drehstromban zusammenschalten. Obohl Transformatoren und Übertragern das gleiche physialische Prinzip zugrunde liegt, ist die technische Problemstellung verschieden. Der Transformator arbeitet stets an gleicher Frequenz, Frequenzverhalten und verzerrungsfreie Übertragung spielen eine Rolle. Wichtig ist ein möglichst hoher Wirungsgrad bei niedrigen Bauosten. 3. Aufbau und Bauformen Der prinzipielle Aufbau eines Transformators ist sehr einfach. Zei Wiclungen umfassen einen geschlossenen Eisenern, der sie auf diese Weise mit eta demselben magnetischen Wechselfluss verettet. Dadurch verhalten sich nach dem ndutionsgesetz die zei Klemmenspannungen pratisch ie die Windungszahlen der Wiclungen. Der magnetische Kreis des Wechselfeldes muss mit Rücsicht auf die Wirbelstromverluste aus Blechen geschichtet sein, ozu heute durcheg ornorientierte 0,3 bis 0,35 mm stare Bleche Verendung finden. Die gegenseitige solation übernimmt heute eine sehr dünne Siliat- Phosphatschicht, die bereits ährend des Ausalzens der Bleche aufgebracht ird. m den nnendurchmesser der Transformatoriclung möglichst gut auszunützen, nähert man durch Stufung der Blechbreiten den Eisenquerschnitt an die Kreisform an. nter Berücsichtigung des geometrischen Ausnützungsfators a und des Eisenfüllfators f Fe ann der Kernquerschnitt A Fe berechnet erden. π A Fe D a ffe (3.) 4 D a) Blechbreiten b) 3 Blechbreiten c) 5 Blechbreiten a 0,787 a 0,85 a 0,908 Stufeneise Anpassung des Kernquerschnitts an die Kreisform G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 4
Mit Rücsicht auf die Geräuschbildung und zur Erzielung einer optimalen magnetischen Leitfähigeit erden die Blechstreifen nicht stumpf, sondern verzapft zusammengesetzt. Bei ornorientierten Blechen muss zur Beibehaltung der magnetischen Vorzugsrichtung ein Schrägschnitt vorgesehen erden. Der Zusammenhalt des Eisenerns erfolgt durch eine mbandelung, durch Kleben der Bleche und durch Pressung mit Hilfe der Wiclungen. Bei größeren Leistungen erhält der Kern eine eigene durch obere und untere Träger zusammengehaltene räftige Pressonstrution.. Lage. Lage 3. Lage Schichtung eines Dreischenelerns mit ornorientierten Blechen Mit dem Kern- und dem Manteltyp stehen zei Bauformen von Einphasentransformatoren zur Verfügung. Allgemein bezeichnet man den von der Wiclung umschlossenen Teil des Eiseneges als Schenel, Säule oder Kern und den äußeren Rücschluss als Joch. a) b) Aufbau eines Einphasentransformators als Kerntyp (a) und als Manteltyp (b) Konzentriert man die Wiclungen von drei Einphasen-Kerntransformatoren, die an ein Drehstromsystem angeschlossen sind, jeeils auf einen Schenel, so ird in einer Leiterschleife, elche die drei zusammengestellten Schenel umfasst, eine Spannung induziert. Verbindet man die Joche miteinander, so önnen die freien Schenel entfallen. Es entsteht die Bauform eines Drehstrom-Kerntransformators mit drei Scheneln; er ist heute am meisten ausgeführt. Bei sehr großen Leistungen ird auch der Fünfschenelern egen der geringeren Bauhöhe ausgeführt. G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 5
V V W W Aufbau eines Drehstrom-Kerntransformators ach der grundsätzlichen Ausführung lassen sich bei Transformatoren Zylindericlungen und Scheibeniclungen unterscheiden. Meist ird die Zylindericlung bevorzugt, obei aus isolationstechnischen Gründen die nterspannungsiclung dem Eisenern zugeandt ist. Für höhere Spannungen ird die Zylindericlung in einzelne übereinanderliegende Spulen aufgeteilt. Bei der Scheibeniclung erden Ober- und nterspannungsiclung unterteilt und abechselnd übereinandergeschichtet. Zur Erzielung einer besseren Verettung der Wiclungen und mit Rücsicht auf die solation beginnt und endet der Aufbau mit je einer Halbspule der nterspannungsseite. Zur Leiterisolation ird meist und vor allem bei Betrieb des Transformators in einem Ölessel eine Papierumbandelung geählt. Zischenisolationen, Abstützungen und die Distanzierung erfolgen durch Pressspan, Hartpapier und Holz. a) b) OW W W OW W nterspannungsiclung OW Oberspannungsiclung Zylindericlung (a) und Scheibeniclung (b) G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 6
Die Wachstumsgesetze önnen einfach anhand der Scheinleistung S eines Einphasentransformators erläutert erden. Es gilt: S Φ S A Fe B mit und π f B J A Fe A A Cu π f Φ L J A Bei einer gleichmäßigen linearen Vergrößerung aller geometrischer Abmessungen um den Fator gilt bei onstanter spezifischer Beanspruchung des Eisens (ndution B) und des Kupfers (Stromdichte J) gegenüber dem Bezugstransformator für die Scheinleistung S, die Masse m, die Verluste P V und die Oberfläche O: S P * * V S P V 4 3 m O * * 3 m O Die Erhöhung der Einheitsleistung bei onstanten spezifischen Beanspruchungen ergibt damit - eine geringere relative Masse in g/va, - eniger relative Verluste in W/VA, - eine leinere relative Kühlfläche in m /W. Beim Übergang auf eine höhere Einheitsleistung erhält man als Vorteile eine größere spezifische Leistung und einen besseren Wirungsgrad, muss jedoch immer intensivere Kühlverfahren anenden. Der ennirungsgrad η von Transformatoren ist hoch; bei einer Scheinleistung von S 00 VA liegt er bei 0,977 und steigt bei S 00 MVA auf 0,995 an. PFe + PCu η ( S P nur Wirleistung ) (3.4) S Es treten Eisenverluste P Fe und Stromärmeverluste (Kupferverluste) P Cu auf, obei erstere infolge der günstigeren Verlustziffer der ornorientierten Bleche von v 5 0,85 bis 0,95 W/g nur einen Bruchteil der Kupferverluste ausmachen. Die Verlustziffer v 5 gibt die spezifischen Eisenverluste bei einer Flussdichte B,5 T und der etzfrequenz f 50 Hz an. Man ählt für Leistungstransformatoren ein Verlustverhältnis a 0,7 bis 0,5. PFe a (3.5) P Cu Die Eisenverluste sind unabhängig von der Belastung (etzspannung nahezu onstant) und die Kupferverluste sind quadratisch vom Strom abhängig. Allgemein gilt für den Wirungsgrad η: PFe P P + P + Cu Fe Cu η (3.6) P P Der maximale Wirungsgrad η max tritt bei S a (3.7) S auf. n diesem Betriebspunt sind die Kupferverluste gleich den Eisenverlusten. Bei ennspannung beträgt mit Gl. (3.6) der maximale Wirungsgrad η max : PFe η max ( S P nur Wirleistung ) (3.8) S G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 7 Cu J (3.) (3.3)
Bei einer Vergrößerung der Einheitsleistung nehmen die Verluste rascher als die Oberfläche zu [siehe Gl. (3.3)], omit die Wärmeabgabe immer schieriger ird. Dies bedeutet, dass mit Rücsicht auf die begrenzte zulässige Erärmung der solierstoffe immer intensivere und aufendigere Kühlungsmethoden anzuenden sind. Für leinere Leistungen (bis 00 VA) genügen Trocentransformatoren, deren Wiclungen der freien Luft ausgesetzt sind. Für Leistungen bis rd. 5 MVA und 30 V erden Transformatoren mit Gießharzisolierung gebaut, bei denen die vergossene Wiclung einen ompaten Zylinder bildet. Für größere Transformatoren und hohe Betriebsspannungen setzt man den ativen Teil des Transformators in einen Ölessel. Öl besitzt gegenüber Luft neben einer esentlich besseren solationsfestigeit eine bessere Wärmeübergangszahl und eine bessere Wärmeleitfähigeit. 3. Betriebsverhalten des Einphasentransformators Beim Transformator sind prinzipiell zei Wiclungen mit den Windungszahlen und auf einem gemeinsamen Eisenern geoppelt. Führen beide Wiclungen Strom, so entstehen die Durchflutungen Θ und Θ, die nach dem Grundgesetz magnetischer Kreise (3.9) den Hauptfluss Φ h (im Eisen) und den Streufluss Φ σ erzeugen. Φ Θ Λ (3.9) Die Darstellung eines Transformators ird zur reinen Ersatzschaltung, enn man die Wirung aller Feldanteile durch ihre ndutivitäten bz. Blindiderstände darstellt. - Z Streuraum Φ h Φ σ Φ σ Magnetische Flüsse im Transformator G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 8
Mit der allgemeinen Definition L Λ erhält man für die Streuege die Streuindutivitäten: L L σ σ Λ Λ σ σ Φ σ Φ σ (3.0) (3.) Auf dem gemeinsamen Haupteg mit dem Leitert Λ h ergeben sich je eine Hauptindutivität und eine Gegenindutivität: L L h L Λ h M L h Λ h Λ h n Analogie zum Übertrager erden der Kopplungsfator und der Streufator σ berechnet: M σ (L h + Lσ ) (Lh + Lσ ) (3.) (3.3) R X σ Φ h X σ R q q dealer Transformator mit vorgeschalteten Wir- und Blindiderständen Die Spannungsgleichungen beider Seiten lauten damit: u di di di R i + Lσ + Lh + M dt dt dt u di di di R i + Lσ + Lh + M dt dt dt (3.4) Zur Behandlung des Transformators als Vierpol im etz ist es üblich, Gl. (3.4) auf die Windungszahl der Primärseite mit dem Übersetzungsverhältnis ü zu beziehen. Es gilt: i i i (3.5) ü Mit Gl. (3.5) lauten die Spannungsgleichungen: di di di u R i + L σ + L + h dt dt dt (3.6) di di di u R i + L σ + L + h dt dt dt G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 9
Anstelle mit den Augenblicserten der Differentialgleichungen rechnet man bei stationären Betriebszuständen mit den Effetiverten und erhält in omplexer Schreibeise: R R + j X + σ jx σ + j X h + j X ( h + ( ) + ) (3.7) R X σ X σ R X h q µ Ersatzschaltung eines Transformators ohne Eisenverluste entsprechend Gl. (3.7) Die Gln. (3.7) sind Maschengleichungen eines Vierpols, der damit die allgemeine Ersatzschaltung für zei magnetisch geoppelte Wiclungen darstellt. m in der Ersatzschaltung auch die Eisenverluste des Hauptflusses zu erfassen, legt man parallel zu der Hauptreatanz X h einen sogenannten Eisenverlustiderstand R Fe und erhält so die vollständige Ersatzschaltung eines Transformators. R X σ X σ R µ Fe q R Fe X h 0 Vollständige Ersatzschaltung eines Transformators Formeln zur mrechnung der seundären Werte auf die Primärseite: R R X σ X σ (3.8) ach dem ndutionsgesetz erden in den Wiclungen Quellenspannungen induziert, deren Effetivert lautet: q π f Φ 4,44 f Φ (3.9) h h G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 30
m Leerlauf gilt mit sehr guter äherung: (3.0) : : Der Leerlaufstrom 0 beträgt nur einen Bruchteil des ennstromes. Er ann in seine Blindomponente, den Magnetisierungsstrom µ, und die Wiromponente Fe zerlegt erden. Fe beträgt rd. 0% von 0 und dient zur Decung der Eisenverluste. Spannung und Magnetisierungsstrom des Transformators sind über die Dynamoblechennlinie miteinander vernüpft. Dies bedeutet bei ennindutionen im Eisen von,5 bis,7 T egen der magnetischen Sättigung eine nichtlineare Zuordnung zischen Φ h und µ. Die harmonische Analyse der Stromurve ergibt neben der Grundschingung ungeradzahlige Oberschingungen mit nach der Ordnungszahl abnehmenden Amplituden. Grob gilt der Zusammenhang: ν 7 : ν5 : ν3 : ν : : 4:8 (3.),5 Flußdichte B in T,5 0,5 H 0,0 H 0,0 0 0 00 00 300 400 500 magn. Feldstäre H in A/cm armgealztes Eletroblech 0,5 mm v 0 3 W/g ornorientiertes Blech 0,35 mm v 0 0,45 W/g Gleichstrom-Magnetisierungsurven Schaltet man einen leerlaufenden Transformator mit seiner Primäriclung an das etz, so stellt sich der stationäre Leerlaufstrom erst nach dem Ablingen eines eletromagnetischen Ausgleichsvorganges ein. Vernachlässigt man netzseitige Spannungsabfälle, so entspricht der Schaltvorgang dem Zuschalten der starren etzspannung auf eine Spule mit dem Wiclungsiderstand R. u sin( ωt + α) (3.) Es gilt die Spannungsgleichung: di dφt u R i + L R i + (3.3) dt dt Für den Verlauf des Flusses gilt: R Φ t Φ cos( ωt + α) + Φ cos α + Φ rem i dt mit Φ (3.4) ω G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 3
R jx σ q jx σ R Da beim ennfluss Φ Kernindutionen von eta,5 T üblich sind, entstehen bei Φ max Werte von über 3 T mit extremen Sättigungen, ozu beträchtliche Magnetisierungsstromspitzen notendig sind. Sie önnen Werte bis zum 5fachen Scheitelert des ennstromes betragen und lingen innerhalb eines Seundenbruchteils, bei großen Leistungen in einigen Seunden ab. Der ungünstigste Fall tritt ein, enn im Spannungsnulldurchgang zugeschaltet ird. Die Folgen einer beliebigen Belastung auf der Seundärseite des Transformators önnen über die vollständige Ersatzschaltung bestimmt erden. µ 0 Fe Vollständiges Zeigerdiagramm bei ohmsch-indutiver Belastung Zur ntersuchung der Spannungshaltung eines Transformators bei beliebiger Belastung ann man den hochohmigen Querzeig und damit den Magnetisierungsstrom vernachlässigen; man erhält das vereinfachte Ersatzschaltbild. Es gilt: σ R R + R X X σ + X Z R + X (3.5) R X Vereinfachte Ersatzschaltung m Zeigerdiagramm unterscheiden sich die beiden Klemmenspannungen durch ein Dreiec, das den amen Kappsches Dreiec trägt. Während bei ohmscher und vor allem indutiver Belastung < ird, steigt die abgegebene Spannung bei star apazitivem Strom mit > über den Leerlaufert an. n VDE 053 ist die Spannungsänderung eines Transformators zischen Leerlauf- und Volllastspannung auf der Abgabeseite bei ennstrom festgelegt. Häufig erden relative Werte, die auf ennspannung bezogen sind, verendet. Es gilt: u u R R u X X (3.6) Bei beliebigem Leistungsfator cos und ennstrom gilt: u u u u X X sin + u cos u R R cos sin (3.7) u u + u G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 3
Für beliebige Belastung gilt mit u u << und n n u + (n u ) (3.8) Die Seundärspannung bei Belastung ergibt sich zu: ( u ) bz. 0 ( u ) (3.9) u u u - u Bestimmung der relativen Spannungsänderung Bei Kurzschluss an den Seundärlemmen eines Transformators ird aus der Ersatzschaltung ein Zeipol mit der Eingangsimpedanz Z. Z R + j X (3.30) Eine ichtige Kenngröße ist die Kurzschlussspannung, die primärseitig angelegt erden muss, um bei urzgeschlossener Seundäriclung ennstrom zu erreichen. Sie ergibt sich zu: (3.3) Z Sie ird als relative Kurzschlussspannung u auf die ennspannung bezogen. u 00% (3.3) Außerdem gilt: P ur und ux u ur (3.33) S Aus der relativen Kurzschlussspannung lässt sich der Dauerurzschlussstrom bei ennspannung berechnen. Es gilt: 00% (3.34) u G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 33
Bei Transformatoren sind Dauerurzschlussströme bis zum 5fachen ennstrom zu erarten. Rechnerisch bildet sich im Dauerurzschluss ein Hauptfluss aus, der gleich dem halben ennfluss ist. Er ird ompensiert durch den Fluss über die Streuege. Φ h Φ σ Φ 0 Φ Φ σ Feldverlauf im Dauerurzschluss bei R 0 Wird ein am etz leerlaufender Transformator seundärseitig plötzlich urzgeschlossen, so fließt der stationäre Dauerurzschlussstrom erst nach einem eletromagnetischen Ausgleichsvorgang. Tritt der Kurzschluss im Spannungs-ulldurchgang ein, dann berechnet sich der Stoßurzschlussstrom: i s mit T ( sin( ωt ) + sin -t T e ) X ω R n diesem Fall entsteht die maximale Stromspitze bei ωt + π/. X arctan R (3.35) R π + sin ( + ) e s X (3.36) Die erste Stromspitze ann bei Großtransformatoren eta das,9fache des Dauerurzschlussstromes betragen. Der Stoßurzschlussstrom (ird als Scheitelert angegeben) führt zu den größten mechanischen Beanspruchungen des Transformators. u, i i s s i gl π u π ωt i (stationär) Verlauf des Stoßurzschlussstromes i s bei Kurzschluss im Spannungsnulldurchgang G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 34
3.3 Betriebsverhalten von Drehstromtransformatoren Bei Drehstromtransformatoren bestehen eine Vielzahl von Möglicheiten für die eletrische Schaltung der drei Ober- und nterspannungsiclungen. Die ichtigsten sind in VDE 053 zusammengestellt. Die gebräuchlichsten Schaltgruppen sind Yy0, Dy5, Yd5 und Yz5. st der Sternpunt einer Wiclung herausgeführt, ird zur Kennzeichnung ein bz. n zugefügt. Die Kennzahl in der Schaltgruppe gibt die gegenseitige Phasenlage beider Drehspannungssysteme an. Schaltgruppe Oberspg. nterspg. Oberspg. Zeigerbild Schaltungsbild nterspg. Yy0 V V V W V W W W Dy5 Yd5 Yz5 V W V W W V V W V V W W W V V W W V W V V W V W Schaltgruppen von Transformatoren Zur Erzeugung eines sinusförmigen Flusses muss ein Transformator einen Magnetisierungsstrom mit einer netzfrequenten Grundschingung und deren ungeradzahligen Oberschingungen aufnehmen. Für die Magnetisierung eines Drehstromtransformators ist bedeutsam, dass die 3. Stromoberschingung und ihre ungeradzahligen Vielfachen (9., 5.) eine gegenseitige Phasenverschiebung von 3 0 360 aufeisen, d.h. in allen drei Wiclungen gleichphasig sind. Da sich beim Drehstromtransformator in Sternschaltung die durch drei teilbaren Stromoberschingungen im Magnetisierungsstrom nicht zu ull addieren önnen, ist eine vollständige Magnetisierung nur dann möglich, enn bei primärer Sternschaltung der Sternpuntleiter angeschlossen ist. Eine andere Möglicheit ist die Ausführung einer Dreieciclung auf einer Seite oder eine interne Ausgleichsiclung, in elcher die gleichphasigen Stromoberschingungen als Kreisstrom fließen önnen. Bei einer Schaltung Yyn0 önnen sich die durch drei teilbaren Stromoberschingungen egen des fehlenden Sternpuntleiters auf der Eingangsseite nicht ausbilden. Man spricht hier von einer erzungenen Magnetisierung, die zu einer Abflachung der seundären Strangspannung führt. Die Außenleiterspannung bleibt sinusförmig. G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 35
Für den pratischen Betrieb bedeutet dies, dass Verteilertransformatoren nicht in der Schaltgruppe Yyn0 verendet erden dürfen. Dies ist mit Rücsicht auf eine mögliche unsymmetrische Belastung nicht zulässig. Drehstromschaltungen bei unsymmetrischer Belastung Bei der unsymmetrischen Belastung eines Drehstromtransformators ann eine Störung des Durchflutungsgleichgeichts hervorgerufen erden. Eine zeisträngige Belastung führt bei allen Drehstromtransformatoren zu einer Störung des Durchflutungsgleichgeichts; sie ist also immer zulässig. Z Zeisträngige Belastung bei Schaltgruppe Yyn0 Eine einsträngige Belastung beim Transformator mit der Schaltgruppe Yyn0 zischen einem Außenleiter und dem Sternpuntleiter führt zu einer Störung des Durchflutungsgleichgeichts. Bei diesem Transformator ist nur eine einsträngige Belastung < zulässig. Bei Transformatoren mit den Schaltgruppen Dyn5 und Yzn5 führt einsträngige Belastung nicht zu einer Störung des Durchflutungsgleichgeichts; sie ist damit zulässig. V V W Z Einsträngige Belastung bei Schaltgruppe Yyn0 Zur Berechnung der drei primären Strangströme bei einsträngiger Belastung und Schaltgruppe Yyn0 ird zunächst die Knotenpuntgleichung (siehe Bild) gebildet. Zei eitere Gleichungen erhält man aus der Bedingung, dass die Summe der Laststrom-Durchflutungen längs der zei Transformatorfenster ull sein müssen. Dies ist erforderlich, da das primärseitig an den Transformator angelegte symmetrische Spannungssystem nur gleichphasige Zusatzflüsse pro Kern zulässt. G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 36
+ 0 mit << + V V W 0 V + W µ 0 (3.37) Aus den Gln. (3.37) folgt für die Strangströme. W V (3.38) 3 3 Bei der Schaltgruppe Yyn0 erzeugen die lastabhängigen Zusatzdurchflutungen in allen drei Strängen gleichgerichtete Flüsse Φ Z. Sie induzieren in den Wiclungen gleichgerichtete Zusatzspannungen. V Z V Z V V 0 V / 3 Φ h Φ Z Z 0 W W W Zeigerdiagramm des belasteten Wiclungsstranges Sternpuntverschiebung Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yyn0 Die einphasig belastete Wiclung bricht in ihrer Strangspannung teileise zusammen. Die Höhe des Spannungseinbruchs hängt bei gegebener Belastung von dem magnetischem Leitert Λ Z ab, den der Zusatzfluss vorfindet. n der Bauform des Dreischenelerns ist der Zusatzfluss über den Streueg beschränt. Die Sternpuntverschiebung ist hier gering. Beim Fünfschenelern (3 Einphasentransformatoren) ann sich der Zusatzfluss räftig auf dem Eiseneg über den freien Rücschluss ausbilden; eine stare Sternpuntverschiebung ist zu erarten. G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 37
Sternschaltung mit Ausgleichiclung Führt man den Transformator bei primärer und seundärer Sternschaltung mit einer zusätzlichen Dreieciclung aus, so erfolgt eine Kompensation der Lastdurchflutung auch bei einsträngigem Seundärstrom. V Z W 3 Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yyn0 mit Ausgleichsiclung Die Ausgleichsiclung führt den zuvor nicht ompensierten Anteil als Kreisstrom (3.39). 3 (3.39) 3 Für den belasteten Strang gilt die Durchflutungsgleichung der Lastströme (3.40). Θ V ( 3 V) ( ) 0 (3.40) 3 3 Die einsträngige Belastung führt bei Stern-Sternschaltung mit Ausgleichsiclung nicht zu einer Sternpuntverschiebung. Dreiec-Sternschaltung m Bild erennt man, dass die Sternpuntbelastung eine Störung des magnetischen Gleichgeichtes hervorruft, da auf der Primärseite nur der belastete Strang Strom führt. V Z Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Dyn5 G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 38
Stern-Ziczacschaltung Bei der Stern-Ziczacschaltung verteilt sich die Wechselstromlast auf zei Schenel und ann damit primärseitig ompensiert erden. Von achteil ist die schlechtere Wiclungsausnützung in Bezug auf die Seundärschaltung. 3 (3.4) V Z Parallelbetrieb von Transformatoren Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yzn5 Der Parallelbetrieb von Transformatoren ist grundsätzlich möglich. Voraussetzung für diesen Betrieb sind:. Die ennspannungen und die ennfrequenz müssen übereinstimmen.. Die Schaltgruppen müssen zueinander passen. 3. Die Kurzschlussspannungen müssen innerhalb der zulässigen Toleranzen gleich sein. 4. Das Verhältnis der ennleistungen soll nicht größer als 3 : sein. Hierdurch ird im Allgemeinen ein eta gleiches Verhältnis R /X erreicht. Die prozentualen Belastungen von parallelgeschalteten Transformatoren verhalten sich umgeehrt ie die relativen Kurzschlussspannungen. : u : u Z Z (3.4) Z Ersatzschaltbild paralleler Transformatoren G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 39
3.4 Sondertransformatoren etztransformatoren besitzen im Allgemeinen Wiclungsanzapfungen, um die Übersetzung den Betriebsanforderungen anzupassen. n einfachen Fällen genügt es durch einen msteller auf der Oberspannungsseite im spannungslosen Zustand die Windungszahl gelegentlich zu variieren. Wird ein ständiger Ausgleich der belastungsabhängigen Spannungsfälle verlangt, so ist eine möglichst feinstufige Überset- unter Last mittels Stufenschalter zungsänderung erforderlich. 4 5 R 6 3 5 R Stammiclung Grobstufe 3 Feinstufe 4 Vorähler 5 Feinähler 6 Lastumschalter Prinzip eines Stufenschalters (ein Strang) Bei Stromrichtertransformatoren ird häufig eine Erhöhung der seundären Phasenzahl vorgesehen, um durch ein 6- oder -Phasensystem eine geringere Welligeit der Gleichspannung zu erhalten. Die etzrücirungen der Stromrichter önnen so auch erheblich reduziert erden. V W V Stern - Doppelsternschaltung 4 6 5 6 W Schaltung der Wiclungen und Zeigerbild der Spannungen 4 3 5 3 V W V Dreiec - Stern-Gabelschaltung 4 6 5 6 W Schaltung der Wiclungen und Zeigerbild der Spannungen 3 5 4 3 Aufbau von Sechsphasensystemen G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 40
m großen mfang erden auch leine, hauptsächlich einphasige Transformatoren gebaut. Sie dienen meist der Energieversorgung von Steuer- und Regeleinrichtungen. Für den Enturf dieser Kleintransformatoren stehen mit D 4300-309 sehr umfassende nterlagen zur Verfügung. Sie enthalten bereits die für die genormten Blechschnitte günstigste eletrische und magnetische Auslegung. m nterschied zu großen Transformatoren enthält der gesamte Spannungsverlust durch den relativ hohen Wiclungsiderstand eine große ohmsche Komponente. Außerdem ist der relative Leerlaufstrom esentlich größer. Strom- und Spannungsandler Strom- und Spannungsandler sind Transformatoren, obei die Stromandler im Kurzschluss, die Spannungsandler im Leerlauf arbeiten. Der Stromandler hat die Aufgabe, den ihm primärseitig eingeprägten zu messenden Strom in eine für das Amperemeter geeignete Größenordnung zu übertragen. Diese Übersetzung soll nach Betrag und Phasenlage möglichst fehlerlos erfolgen. Die Definition der verschiedenen Wandlerfehler, ie auch die eitere ormung, ann den VDE-Bestimmungen VDE 044 entnommen erden. Spannungsandler dienen zur Herabsetzung der Hochspannung auf einen bequem messbaren Wert. Auch hier tritt ein Übersetzungsfehler auf. Er ird durch Spannungsabfälle an den Längserten der Ersatzschaltung des Transformators hervorgerufen und besteht infolge des Magnetisierungsstromes auch bei einem sehr hochohmigen Voltmeter. Spartransformatoren Werden die zei Wiclungen eines Transformators anstelle in der übliche Vollschaltung verbunden, so entsteht ein Spartransformator. Diese Schaltung ergibt teileise beträchtliche Kostenersparnisse, denen allerdings auch einige achteile gegenüberstehen. b) R R a) P a) Vollschaltung b) Sparschaltung P P R R P Schaltung der Transformatoriclungen G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 4
Wiclung und Kern des Spartransformators sind so ausgelegt, dass man in Vollschaltung die Typleistung S T (3.43) erhält. S T (3.43) P R n der Sparschaltung ann man dagegen bei gleicher Belastung der Wiclungen die Durchgangsleistung S D (3.44) übertragen. Die Typenleistung S T, elche den Materialaufand festlegt, ist beim Spartransformator stets S D (3.44) leiner als die Durchgangsleistung S D. ST SD ( ) (3.45) Bei geringen Spannungsunterschieden von und ist die Kostenersparnis gegenüber dem normalen Transformator beträchtlich. achteilig ist die geringe Kurzschlussspannung u D und der damit verbundene hohe Dauerurzschlussstrom. ud ut ( ) (3.46) Ein eiterer achteil ist die galvanische Verbindung der zei etzteile, as sich bei Schadensfällen ungünstig ausiren ann. Bei etzuppelungen ird der Spartransformator in Drehstrom-Spartransformatorbänen mit Spannungen 30 V und 400 V bei Leistungen bis über 000 MVA eingesetzt. Drosselspulen utzt man den gesamten Wicelraum eines Eisenerns nur für eine Wiclung/Strang, so erhält man eine Drosselspule mit eta der doppelten Typenleistung ie bei der Ausführung eines Transformators. Der Spannungsfall im ennbetriebspunt beträgt nur einen Bruchteil der etzspannung. An sinusförmiger Spannung stellt sie einen fast reinen indutiven Verbraucher dar. u ST SD (3.47) n Anlagen der Energieverteilung erden Kompensations-Drosselspulen zum Ausgleich apazitiver etzbelastung durch leerlaufende Hochspannungsleitungen und als Petersendrossel zum selbsttätigen Löschen des apazitiven Erdschlussstromes in Mittelspannungsnetzen eingesetzt. Bei stromrichtergespeisten Antrieben verendet man etzdrosseln und Glättungsspulen zur Verringerung der Oberschingungen. G. Schene,.004 Grundlagen der Eletrotechni FB Techni, Abt. E+ 4