[H3] Wechsel-, Drehstrom- und Sondertransformator

Allgemein

Der Transformator ist ein Energieübertrager

Die Eingangsseite (= Primärspule N1) wird über einen gemeinsamen Eisenkern mit der Ausgangsseite (= Sekundärspule N2) gekoppelt.

Prinzip der Ruheinduktion

Ohne Belastung ist der Trafo im Leerlauf. N1 nimmt den Leerlaufstrom I10 auf, und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld Φ10. Dieser Fluss durchsetzt auch die Sekundärspule N2. So induziert das magnetische Wechselfeld Φ10 = Φ20 in N2 die Wechselspannung U20.

Trafo01 (65K)

Prinzip der Ruheinduktion

Wenn sich in einer Spule der Magnetische Fluss Φ (ΔΦ/Δt ist der mathematische Ausdruck
für den sich zeitlich ändernden
magnetischen Fluss Φ)
ändert
, wird zwischen den elektrischen Polen der Spule eine Spannung U0 induziert.

Für die Größe der induzierten Spannung schreiben wir das sogenannte Induktionsgesetz:

        U0.......induzierte Spannung in V
        N.........Windungszahl der Spule
        ΔΦ / Δt .....Flussänderung in Weber/Sekunde

Flussänderung durch Wechselstrom

Das Bild zeigt am Beispiel zweier beliebiger Zeitpunkte t1 und t2, wie man sich die Flussänderung ΔΦ in der Sekundärwicklung zwischen den betrachteten Zeitpunkten vorstellen muss.

Trafohauptformel

Die induzierte Spannung errechnet sich aus der Trafohauptformel (Induktionsgesetz):

Trafohauptformel (5K)

Darin ist:

            f ... die Netzfrequenz in Hz
            BSpitze (1K)< ... der Maximalwert der Induktion (Flussdichte) in T
            AFe ... der Querschnitt des Eisenkerns in m2
            N ... die Windungszahl der Spule

Magnetisierungskurve

Die Magnetisierung des Eisenkerns folgt einer Hystereseschleife.

Hysterese (61K)

Aufbau und Wirkungsweise

Auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen zwei getrennte Spulen. Die Primärspule erzeugt aus Wechselstrom das Wechselfeld im Eisenkern. Die Sekundärspule induziert aus dem Wechselfeld eine Wechselspannung. Prinzipiell sind die Primär- und die Sekundärspannung 180° phasenverschoben. In der Praxis ist das erst wichtig, wenn mehrere Trafos zusammengeschaltet werden müssen.

Übertragung und Übersetzung

Der Transformator (kurz Trafo genannt) ist ein Energieübertrager kein Erzeuger. Die Übertragung der Energie geht in folgenden Stufen vor sich:

  1. Umwandlung von el. Scheinleistung S1 = U1 x I1 auf der Primärseite in Magnetische Energie
  2. Umwandlung von magnetischer Energie in el. Scheinleistung S2 = U2 x I2 auf der Sekundärseite

Prinzip der Energieübertragung

S1 ist im Idealfall gleich S2, was mathematisch so geschrieben wird. S1 = S2 oder U1 x I1 = U2 x I2.

Durch Umwandlung der Gleichung kommen wir auf das Übersetzungsverhältnis:

Und das ist auch das Verhältnis zwischen den Windungen der Primärspule N1 und den Windungen der Sekundärspule N2 wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet.

Die Spannung wird im Verhältnis der Windungszahlen transformiert.

Der Strom wird im umgekehrten Verhältnis der Windungszahlen transformiert.

Fe-Kern

Er besteht aus Blechen, die gegeneinander isoliert und mit Si-legiert sind. Dabei werden je nach Anforderung verschieden Blechschnitte verwendet. Wir unterscheiden

  1. EI-Kern
  2. UI-Kern
  3. Schnittbandkern
  4. Ringkern

Die Isolierung zwischen den Blechen soll Wirbelströme verhindern, da diese den Kern unnötig erhitzen würden.

Bauformen des Eisenkerns

a) Manteltrafo b) Schenkeltrafo c) Ringkerntrafo
Trafo02 (61K) Trafo01 (65K) Trafo06 (119K)
eher kleine UK (= 10 bis 25%) eher große UK ( = 60 bis 90%) sehr kleine Streuung
(kurze Eisenwege, Feldlinien bleiben im Spuleninneren)
UK (unter 10%)
spannungssteife Trafos (Netztrafos) spannungsweiche Trafos (Schweiß- und Klingeltrafos sehr spannungssteife Trafos (Netztrafos)

Der Eisenkern ist kein massiver Eisenblock. Er besteht vielmehr aus einzelnen, geschichteten, Si-legierten Blechen, die gegeneinander isoliert sind. Damit werden Wirbelströme verhindert, die den Eisenkern zusätzlich aufheizen können.

Spulenarten

Röhren- oder Lagenwicklung

Sie wird bei kleinen Trafos häufig verwendet. Das Problem kann die hohe Lagenspannung werden (Summe der Windungsspannung pro Lage). Je höher die Spannung umso problematischer ist die Isolationsbeanspruchung der Lackdrähte. Ein Durchschlagen der Spannung kann durch einlegen von Lagenisolierungen verhindert werden.

Scheibenwicklung

Sie wird nur bei großen Trafos mit sehr hoher Spulenspannung (über 1kV) verwendet. Die benötigte Windungszahl wird in einzelnen voneinander isolierten Spulenkörpern untergebracht. Die gesamte Spule wird so in einzelne Scheiben zerlegt. So ist die Isolierung und die Kühlung zwar besser aber der Platz für die Kupferleiter wird dafür weniger.

Folienwicklung

Sie wird nur bei Trafos mit kleinen Spannungen aber großen Strömen verwendet (Schweißtrafos). Oft wird statt Cu Aluminiumfolie eingesetzt.

Leerlauf von Trafos

Wenn der Trafo keine Leistung abgibt, müsste er auch nichts aufnehmen. Trotzdem fließt ein kleiner Strom, der Leerlaufstrom I0. Der größte Teil des Leerlaufstromes (Im) magnetisiert den Eisenkern, ist also ein reiner Blindstrom. Ein kleiner Teil des I0 (der IFe) erwärmt aber den Eisenkern, er ist dagegen ein reiner Wirkstrom.

Die Aufteilung des Leerlaufstromes in einen Magnetisierungsstrom (=Blindstrom) und einen Heizstrom (=Wirkstrom) bedingt gedanklich die Parallelschaltung eines Wirk- und eines induktiven Blindwiderstandes.

Dadurch entsteht ein Stromdreieck (=bildliche Version des ersten Kirchoffschen Gesetzes). Das Zeigerdiagramm sieht folgendermaßen aus:

I0......entspricht dem Messwert des Leerlaufstromes
IFe....Wirkanteil des Leerlaufstromes (Fe-Heizung)
Iµ.....Blindanteil des Leerlaufstromes (Magnetisierung)

I0 ist 10 bis 20% des Primärnennstromes.

Leerlaufkennlinie oder Magnetisierungskennlinie eines Trafos

Die Messung zeigt, dass ab der Nennspannung des Trafos der Leerlaufstrom sehr viel stärker zu steigen beginnt. Wird die Spannung zu stark erhöht würde die Trafospule auch ohne Belastung verbrennen.

Begründung:
Ab der Fe-Sättigung kann die Gegenspannung nicht mehr steigen. Wird nun die angelegte Spannung trotzdem weiter gesteigert, erhöht sich die treibende Spannung und damit der Strom in der Spule übermäßig.

Leerlaufspannung U0

Sie entspricht der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung des nicht belasteten Trafos. (manchmal U20 genannt). U20 hängt ab von

  • der magnetischen Flussdichte B
  • der Frequenz des Feldes f in Hz (entspr. der Änderungsgeschwindigkeit des magn. Flusses)
  • der Windungszahl der Sekundärspule N2
  • Da der Eisenkern durch den Wechselstrom der Primärwicklung auf einen Maximalwert magnetisiert wird, ist der höchste Wert des Magnetischen Flusses auf den Eisenquerschnitt bezogen zu berücksichtigen. () Das Induktionsgesetz kann jetzt als sogenannte Trafo-Hauptformel geschrieben werden:

    Trafo bei Belastung

    Magnetische Kopplung

    Die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule ist entscheidend für die Wirksamkeit der Übertragung der Energie.

    Je schlechter die magnetische Kopplung, desto höher ist die Kurzschlussspannung UK.

    Die Verluste bei der Kopplung werden magnetische Streuung genannt und erzeugen keine Abwärme. Sie sind also Blindverluste.

    Je größer die Kurzschlussspannung UK ist, desto mehr sinkt die Ausgangsspannung des Trafos bei Belastung.

    Durch die Belastung fließt in der Sekundärspule ein Strom, der zum Magnetfeld der Primärspule (Φ1) ein Gegenfeld (Φ2) aufbaut. Damit steigt der magnetische Widerstand des Eisenkerns. Dieser wird bildlich gesprochen zu klein für die vielen Feldlinien. Also beginnen sie sich über Luft zu schließen. Der Trafo beginnt zu "streuen".

    Der Streufluss besteht aus Feldlinien, die sich in Luft schließen

    Durch Streuung wird weniger Energie von der Primär- zur Sekundärseite übertragen.

    Die Größe der Streuung hängt ab von:

    • der Höhe der Belastung (I2)
    • der Art der Belastung (cosφ)
    • der Bauart des Eisenkerns

    Die magnetische Kopplung wird dank der Streuung schlechter. So entstehen bei der Energieübertragung "Verluste", die keine zusätzliche Wärme erzeugen.

    Große Streuung → große Kurzschlusspannung → großer Spannungsabfall bei Belastung → spannungsweich

    Kurzschlussspannung

    Sie ist ein Maß für die Spannungsänderung bei Belastung.

    Die Kurzschlussspannung hängt von der Streuung des Trafo ab, also von seiner Wicklungsanordnung und seiner Kernbauform.

    Berechnung der Kurzschlussspannung

    Die Angabe von uK (klein geschrieben) erfolgt in % der Nennspannung.

    Die Angabe von UK (groß geschrieben) erfolgt in V und stammt aus dem Kurzschlussversuch (siehe Laborübung).

    Berechnung des Dauerkurzschlussstromes

    Der Kurzschlussstrom kann mit Hilfe der Kurzschlussspannung berechnet werden.

    Darstellung der Kurzschlussspannung

    UK ist die Hypotenuse des Kappschen Dreiecks:

    Kappsches Dreieck

    Dieses Bild steht für ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 und zeigt eine UK in Volt!

    Der Blindspannungsabfall resultiert aus der Streuung, er kann ja nur mit dem verlorenen Magnetismus zu tun haben und er ist 90° elektrisch phasenverschoben zu seinem erzeugenden Strom.

    Der Wirkspannungsabfall resultiert aus dem ohmschen Widerstand der Spulen, er kann ja nur mit der verlorenen Wärmeenergie zu tun haben und ist phasengleich dem erzeugenden Strom.

    Das Zeigerbild stellt somit die bekannten Verhältnisse an einer Quelle dar. Die Klemmenspannung U2 am Ausgang des Trafos ergibt sich aus der (zeichnerischen)Subtraktion der inneren Spannungsverluste UK von der Quellenspannung U1.

    Die Phasenlage des Stromes kann sich auch so auswirken, dass die Ausgangsspannung erhöht wird.

    Spannungsüberhöhung durch Reaktanzen

    Die Phasenlage des Laststromes ist ein entscheidender Faktor. Die Auswirkungen können in nachfolgender Lastkennlinie am besten verfolgt werden.

    Belastungskennlinie

    Verluste von Trafos

    Verluste werden immer in Form von Wärme abgegeben. Sie entstehen im Eisenkern und in den Wicklungen.

    Wir unterscheiden

    Verluste im Leerlauf Verluste bei Belastung
    I0 ist ein Maß für die Leerlaufverluste.
    Gäbe es keine Verluste, würde der Trafo im Leerlauf keinen Strom aufnehmen, weil er erst magnetisiert werden müsste, wenn es Leistung zu übertragen gibt.
    IN ist ein Maß für die Verluste bei Belastung.
    Leerlaufverluste entstehen hauptsächlich im Fe-Kern 1/3 Fe-Verluste
    Wirbelstromverluste Ummagnetisierungsverluste
    Gemindert durch:
    1. Legieren mit Si
    2. Lamellierung des Kernes
    3. Isolieren der Bleche
    Gemindert durch:
    1. Legieren
    2. Kornorientierung der Bleche (Spezialblech bei der Herstellung)
    Der Trafowirkungsgrad liegt zwischen 70 und 95%, je nach Trafogröße. Die Verluste liegen also zwischen 15 und 30% im Normalbetrieb. 2/3 Cu-Verluste

    Bei Belastung steigt der Wirkstromanteil, was zu immer mehr Stromwärme führt.

    Wirkungsgrad

    Der Trafowirkungsgrad liegt zwischen 70 und 95%, je nach Trafogröße. Die Verluste liegen also zwischen 15 und 30% im Normalbetrieb. Er hängt ab

    1. von den Kupferverlusten (PVCu)
    2. von den Eisenverlusten (PVFe)
    3. und von der Art der Belastung (Leistungsfaktor cosφ)

    Drehstromtransformator

    Es werden drei Einphasentransformatoren auf einem gemeinsamen Kern gebaut. Ein kompletter Trafo mit Primär- und Sekundärwicklung wird dabei auf einem Schenkel platziert. Die drei Schenkel werden durch ein Joch verbunden.

    Kernformen

    Die häufigste Bauform ist der Dreischenkeltrafo, er spart Eisen:

    Dreischenkeltrafo

    Die Mantelbauform des Drehstromtrafos ist der Fünfschenkeltrafo.

    Fünfschenkeltrafo

    OS....Oberspannung
    US....Unterspannung

    Das Profil der Schenkel wird bei größeren Trafos dem kreisförmigen Querschnitt der Schulenkörper angeglichen. Damit wird der Luftraum möglichst gut ausgenützt, was zu geringerer Streuung und kompakteren Abmessungen führt. Allerdings müssen für einen Kern viele verschiedene Blechschnitte erzeugt werden. Kernquerschnitt

    Durch die Blechung wird der Füllfaktor (Anteil des Eisens am Kernquerschnitt) etwa um den Faktor 0,9 reduziert (90%Eisen, 10%Isolierung).

    Magnetisierung auf drei Schenkeln

    Das folgende Bild soll die Verteilung der Magnetischen Flüsse auf die Schenkel verdeutlichen. Das Problem ist die unterschiedliche Feldlinienlänge der drei Transformatoren je Phase. Um in Grenzfällen der Belastung aller drei Phasen nicht einen Schenkel zu überhitzen, müssen gegebenenfalls verschiedene Widklungsschaltungen angewendet werden.

    Zeigerdiagramm der Fluesse bei Drehstrom   Aufteilung der Fluesse bei Drehstrom

    Kühlung

    Art Stromdichte (in den Wicklungen)
    S in A/mm2
    Luftkühlung 1,5 bis 3
    Ölkühlung 3 bis 8

    Bei Öl liegt auch die Durchschlagsfestigkeit ED höher als bei Luft:

    Stoff ED
    in kV/mm
    Luft 3,2
    Öl 4 bis 20


    Öl-Verteiltransformator

    Drehstromtrafo_Schnitt (168K)

    1. Unterspannungswicklung
    2. Oberspannungswicklung
    3. Spannungsumsteler
    4. NV-Anschlussfahne
    5. Wellwandkessel
    6. Erdungsanschluss
    7. Laufrollen
    8. Konservator, Ölausdehnungsgefäß
    9. Blindstück für Buchholz-Relais

    Schutz von Trafos

    Trafos müssen vor zu hoher Betriebstemperatur geschützt werden. Grund für höhere Temperaturen im Trafo können sein:

    • Überlastung,
    • Windungs- oder Kurzschlüsse

    Schutzmaßnahmen beim Trafo

    1. Schutz mit Temperaturfühler
    2. Schutz durch entsprechende Absicherung (Schmelzsicherungen auf der Primär- oder Sekundärseite)
    3. Buchholzschutz

    Bei Öltrafos ist der Einbau des Buchholzrelais zwischen Trafogehäuse und Ölausdehnungsgefäß möglich. Es arbeitet in zwei Stufen:

    1. Vorwarnung bei Überlastung
    2. Abschaltung bei Kurzschluss oder Isolationsfehler

    Buchholzschutz

    Schaltgruppen

    Die Zusammenfassung aller Schaltungen mit der gleichen Phasenverschiebung zwischen Sekundär- und Primärseite eines Trafos nennt man Schaltgruppen.

    Dafür gilt folgendes Bezeichnungsschema:

    1. Buchstabe (groß geschrieben) = Schaltung der Primärseite
    2. Buchstabe (klein geschrieben) = Schaltung der Sekundärseite
    Ziffer = Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärseite in 30° Schritten (0 = 0°; 1 = 30°; 5 = 150°)

    Schaltgruppen1 (32K)
    Schaltgruppen2 (32K)

    Parallelschaltung

    Folgende Bedingungen zu Parallelschalten von Trafos sind einzuhalten:

    • gleiche Spannung
    • gleiche Phasenlage (Schaltgruppe)
    • vergleichbare Kurzschlussspannung
    • vergleichbare Nennleistung (höchstens im Verhältnis 1:3)

    Schieflast
    oder
    Das Problem der gemeinsamen Magnetisierung

    Die folgende zeigt das Problem der unsymmetrischen Flüsse auf dem gemeinsamen Kern. Die unterschiedliche Feldlinienlänge (lm)ist die Ursache der unsymmetrischen Leistungsübertragung.

    Die drei Stränge auf dem gemeinsamen Kern beeinflussen sich gegenseitig. Bei sogenannter Schieflast werden die Schenkel unterschiedlich stark magnetisiert. Dabei kann ein Schenkel in Sättigung getrieben werden, was zu zusätzlichen Verlusten und einer wesentlichen Erhöhung der Temperatur führen kann.

    Unten stehende Gegenüberstellung soll die Wirkung einer Schieflast veranschaulichen.

    Trafo mit Schieflast

    Zick-Zack-Schaltung

    Zick-Zackschaltung mit Schieflast

    Durch den Einphasenstrom auf der Sekundärseite wird der Primärseite auch ein Strom in den anderen zwei Strängen aufgezwungen, die aber kein „Gegengewicht“ finden. Die Schenkel 1 und 2 werden weit stärker magnetisiert als der Schenkel 3. Durch die Aufteilung der Sekundärwicklung auf verschiedene Schenkel kann das Gleichgewicht der Ströme wieder hergestellt werden. Die verschiedenen Schaltungen der Wicklungen auf der Primär- und Sekundärseite erzeugt unterschiedliche Phasenlagen.

    Parallelschaltung

    Folgende Bedingungen zu Parallelschalten von Trafos sind einzuhalten:

    • gleiche Spannung
    • gleiche Phasenlage (Schaltgruppe)
    • vergleichbare Kurzschlussspannung
    • vergleichbare Nennleistung (höchstens im Verhältnis 1:3)

    Sondertransformatoren

    Schweißtransformator

    Sie besitzen eine Steuereinrichtung für die Einstellung des Schweissstromes. Ihre Leerlaufspannung darf höchstens 70V (Schutzkleinspannung für Kesselschweißtrafo) betragen. Der Schweißstrom kann durch

    1. ein verstellbares Streujoch oder
    2. durch ein elektromagnetisch gesättigtes Streujoch

    eingestellt werden.

    Kennlinie eines Schweißtrafos

    Messwandler

    Messwandler sind Trafos zu Messzwecken. Sie sind ein Glied in der Messkette und müssen somit eine entsprechende Genauigkeit besitzen. Die Genauigkeit der Wandler wird wie bei Messgeräten in Klassen angegeben, und teilen sich in Übertragungs- und Winkelfehler.

    Kennwerte von Wandlern

    Auf dem Leistungsschild werden zum Beispiel folgende Kennwerte angegeben:

    • Nennstrom oder Nennspannung (Verhältniszahl)
    • Nennbelastung (Bürde)
    • Nennfrequenz oder Frequenzbereich
    • Klassengenauigkeit (wie bei Meßgeräten, s.o.)

    Spannungswandler

    Die Sekundärspannung ist mit 100V genormt.

    Er darf sekundärseitig

    • nie kurzgeschlossen werden.
    • muss abgesichert werden und
    • ist einseitig zu erden.

    Schaltbild

    Spannungsfehler FU und Winkelfehler Fφ bei Spannungswandlern
    Klasse FU in % Fφ in '
    (1° = 60')
    0,2 0,2 10
    0,5 0,5 20
    1 1,0 40
    3 3,0 120

    Stromwandler

    Der Sekundärstrom von 1A oder 5A ist genormt. Die Sekundärseite

    • ist vorschriftsgemäß zu erden;
    • darf nie ohne Last (Bürde) betrieben werden;
    • darf nie abgesichert werden;

    Stromfehler Fi und Winkelfehler Fφ bei Stromwandlern
    Klasse Fi in % Fφ in '
    (1° = 60')
    0,2 0,2 10
    0,5 0,5 30
    1 1,0 60
    3 3,0 -
     

    Spartrafo

    Er besitzt nur eine Wicklung mit Anzapfung. Die Anzapfung kann fix oder verstellbar ausgeführt werden.

    Die übertragene Energie geht nur über die obere Teilspule. Deswegen muß die gesamte Wicklung nur für die Bauleistung SB und nicht für die Durchgangsleistung SD gebaut werden. Somit kann Baumaterial eingespart werden. Es gilt: