Transformator (Grundlagen)

Allgemein

Der Transformator ist ein Energieübertrager. Die Übertragung von der Primär- zur Sekundärseite geschieht durch den Magnetismus.

Trafo00 (35K)

Prinzip der Ruheinduktion

Die Primärspule nimmt den Wechselstrom I1 auf, und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld Φ. Dieses induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung U2.

Trafo01 (65K)

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)

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.

Bauformen des Eisenkerns

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

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.

Übersetzung

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.

Verluste von Trafos

Verluste werden immer in Form von Wärme abgegeben. Sie entstehen im Eisenkern und in den Wicklungen. Gäbe es keine Verluste, würde der Trafo im Leerlauf keinen Strom aufnehmen, weil er erst aktiv werden muss, wenn es Leistung zu übertragen gibt, also wenn er belastet wird.

Wir unterscheiden

Verluste im Leerlauf
1/4 PVFe
Verluste bei Belastung
3/4 PVCu
Leerlaufverluste entstehen hauptsächlich im Fe-Kern
  1. Wirbelstromverluste
  2. Ummagnetisierungsverluste
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)

Trafo 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

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

Das folgende Bild soll die Verteilung der Magnetischen Flüsse auf die Schenkel verdeutlichen.

Zeigerdiagramm der Fluesse bei Drehstrom   Aufteilung der Fluesse bei Drehstrom

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).

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

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.

Die folgende Bilderserie zeigt das Problem der unsymmetrischen Flüsse auf dem gemeinsamen Kern. Die unterschiedliche Feldlinienlänge lm ist eine Ursache der unsymmetrischen Leistungsübertragung.

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.

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: