Drehstromtrafo

Wirkungsweise allgemein

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

Ein Trafo arbeitet nach dem Prinzip der Ruheinduktion. Dabei erzeugt die Primärspule den nötigen Magnetismus, aus dem die Sekundärspule die entsprechende Spannung induziert. Wenn nicht alle erzeugten Feldlinien im Eisenkern durch beide Spulen fließen (= Streuung) , kommt es zu einer Verkleinerung der Ausgangsleistung. Beim Drehstromtrafo exisitieren je drei Primär- und Sekundärspulen, die auf einem gemeinsamen Kern versuchen, ihre Feldlinien vollständig "auszutauschen". Dafür muss der Eisenkern richtig gebaut werden (möglichst kleine lμ) und die Spulen sollten nicht zu weit auseinander liegen (viel Luftspalt heißt viel Streuung!).

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

Aufbau

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.

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

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).

Zusammenfassung

Der Kern: ... hat die Aufgabe den Streufluss so klein als möglich zu halten (mit wenig Luftspalt zwischen Eisenkern und Wicklung)
Die Wicklung: ... hat die Aufgabe, die Windungsspannung in Magnetismus oder umgekehrt aus Magnetismus eine Spannung je Windung zu erzeugen. Zu beachten ist die Lagenspannung (bei Röhrenwicklung höher als bei Scheibenwicklung)
Scheibenwicklung erst ab 50kVA

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


Wirkungsgrad

Er hängt ab

  1. von den Kupferverlusten
  2. von den Eisenverlusten
  3. und von der Art der Belastung

Der Wirkungsgrad liegt zwischen 95 und 99%.

Schutz von Trafos

Trafos müssen vor zu hoher Betriebstemperatur geschützt werden. Grund für höhere Temperaturen im Trafo können Überlastung, Windungs- oder Kurzschlüsse sein.

Schutz mit Temperaturfühler

Die Übertemperatur kann an geeigneter Stelle angezeigt werden.

Schutz durch entsprechende Absicherung

Schmelzsicherungen können an der Primär- oder Sekundärseite den Kurzschlussschutz übernehmen.

Buchholzschutz

Bei Öltrafos ist der Einbau des Buchholzrelais zwischen Trafogehäuse und Ölausdehnungsgefäß möglich.Am bekanntesten ist der Buchholzschutz. Er arbeitet in zwei Stufen:

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

Buchholzschutz

Kurzschlussspannung

Sie ist ein Maß für die Spannungsänderung bei Belastung.

Die Kurzschlussspannung hängt von der Streuung eines Trafos 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.

Darstellung der Kurzschlussspannung

UK ist die Hypotenuse des Kappschen Dreiecks:

Kappsches Dreieck

Dieses Bild ist für ein Übersetzungsverhältnis 1:1 zu lesen 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 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 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

Einteilung der Trafos nach uK

spannungssteife Trafos spannungsweiche Trafos
uK = 0,1 bis 10% uK = 40 bis 100%
als
  1. Messwandler
  2. Netztransformator
  3. Schutztransformator
als
  1. Klingeltrafo
  2. Schweißtrafo
  3. Zündtrafo

Berechnung des Dauerkurzschlussstromes

Der Kurzschlussstrom kann mit Hilfe der Kurzschlussspannung berechnet werden.

Belastung bis zum Kurzschluss

Kurzschlüsse sind bei spannungssteifen Trafos gefährlicher als bei spannungsweichen.

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

Belastungskennlinie

Schaltgruppen

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.

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 werden weit stärker magnetisiert.

Trafo mit Schieflast

Zick-Zack-Schaltung

Die Bedeutung der Verschaltung der Drehstromwicklung von Trafos lässt sich am besten bei dieser ungünstigen Netzsituation zeigen.

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. Nach dieser Phasenverschiebung werden die Drehstromtrafos in Schaltgruppen eingeteilt.

Zick-Zackschaltung mit Schieflast

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°)

Schaltgruppe Yd5 bedeutet:

Drehstromtrafo mit drei Primärsträngen in Stern und drei Sekundärsträngen in Dreieck geschaltet.
Wobei die Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärseite 150° elektrisch ist.

Parallelschaltung

Folgende Bedingungen zu Parallelschalten von Trafos sind einzuhalten:

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