Transformatoren
Transformatoren
Transformatoren
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
3. <strong>Transformatoren</strong><br />
Die Aufgabe der Umwandlung der elektrischen Energie auf beliebige Spannungswerte läßt sich<br />
bei Wechselstrom sehr einfach über das Induktionsgesetz lösen. Bereits Faraday verwendete bei<br />
der Entdeckung dieser Erscheinung zwei gekoppelte Spulen und damit das Prinzip eines Transformators.<br />
Die Nennleistung eines Transformators ist seine zulässige Scheinleistung. Sie reicht von einigen<br />
VA bei Kleintransformatoren bis zu 1500 MVA bei Maschinentransformatoren. Drehstromtransformatoren<br />
werden zum Umspannen von Drehstromnetzen, Einphasentransformatoren zum<br />
Umspannen von Einphasennetzen (z.B. Bahnnetzen) verwendet. Man kann auch drei Einphasentransformatoren<br />
zu einer sog. Drehstrombank zusammenschalten.<br />
Obwohl <strong>Transformatoren</strong> und Übertragern das gleiche physikalische Prinzip zugrundeliegt, ist die<br />
technische Problemstellung verschieden. Der Transformator arbeitet stets an gleicher Frequenz;<br />
Frequenzverhalten und verzerrungsfreie Übertragung spielen keine Rolle. Wichtig ist ein<br />
möglichst hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Baukosten.<br />
3.1 Aufbau und Bauformen<br />
Der prinzipielle Aufbau eines Transformators ist sehr einfach. Zwei Wicklungen umfassen einen<br />
geschlossenen Eisenkern, der sie auf diese Weise mit etwa demselben magnetischen Wechselfluß<br />
verkettet. Dadurch verhalten sich nach dem Induktionsgesetz die zwei Klemmenspannungen<br />
praktisch wie die Windungszahlen der Wicklungen.<br />
Der magnetische Kreis des Wechselfeldes muß mit Rücksicht auf die Wirbelstromverluste aus<br />
Blechen geschichtet sein, wozu heute durchweg kornorientierte 0,3 bis 0,35 mm starke Bleche<br />
Verwendung finden. Die gegenseitige Isolation übernimmt heute eine sehr dünne Silikat-<br />
Phosphatschicht, die bereits während des Auswalzens der Bleche aufgebracht wird.<br />
Um den Innendurchmesser der Transformatorwicklung möglichst gut auszunützen, nähert man<br />
durch Stufung der Blechbreiten den Eisenquerschnitt an die Kreisform an. Unter Berücksichtigung<br />
des geometrischen Ausnützungsfaktors ka und des Eisenfüllfaktors fFe kann der Kernquerschnitt<br />
AFe berechnet werden.<br />
2 AFe = D ⋅ ⋅ ka<br />
⋅ fFe<br />
4<br />
π<br />
(3.1)<br />
D<br />
a) 2 Blechbreiten b) 3 Blechbreiten c) 5 Blechbreiten<br />
ka = 0,787 ka = 0,851 ka = 0,908<br />
Stufenweise Anpassung des Kernquerschnitts an die Kreisform<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 24
Mit Rücksicht auf die Geräuschbildung und zur Erzielung einer optimalen magnetischen Leitfähigkeit<br />
werden die Blechstreifen nicht stumpf, sondern verzapft zusammengesetzt.<br />
Bei kornorientierten Blechen muß zur Beibehaltung der magnetischen Vorzugsrichtung ein<br />
Schrägschnitt vorgesehen werden.<br />
Der Zusammenhalt des Eisenkerns erfolgt durch eine Umbandelung, durch Kleben der Bleche<br />
und durch Pressung mit Hilfe der Wicklungen. Bei größeren Leistungen erhält der Kern eine<br />
eigene durch obere und untere Träger zusammengehaltene kräftige Preßkonstruktion.<br />
1. Lage 2. Lage<br />
3. Lage<br />
Schichtung eines Dreischenkelkerns mit kornorientierten Blechen<br />
Mit dem Kern- und dem Manteltyp stehen zwei Bauformen von Einphasentransformatoren zur<br />
Verfügung. Allgemein bezeichnet man den von der Wicklung umschlossenen Teil des Eisenweges<br />
als Schenkel, Säule oder Kern und den äußeren Rückschluß als Joch.<br />
a) b)<br />
1 2<br />
1 2<br />
Aufbau eines Einphasentransformators als Kerntyp (a) und als Manteltyp (b)<br />
Konzentriert man die Wicklungen von drei Einphasen-Kerntransformatoren, die an ein Drehstromsystem<br />
angeschlossen sind, jeweils auf einen Schenkel, so wird in einer Leiterschleife,<br />
welche die drei zusammengestellten Schenkel umfaßt, keine Spannung induziert. Verbindet man<br />
die Joche miteinander, so können die freien Schenkel entfallen. Es entsteht die Bauform eines<br />
Drehstrom-Kerntransformators mit drei Schenkeln; er ist heute am meisten ausgeführt. Bei sehr<br />
großen Leistungen wird auch der Fünfschenkelkern wegen der geringeren Bauhöhe ausgeführt.<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 25
1U 2U 1V 2V 1W 2W<br />
Aufbau eines Drehstrom-Kerntransformators<br />
Nach der grundsätzlichen Ausführung lassen sich bei <strong>Transformatoren</strong> Zylinderwicklungen und<br />
Scheibenwicklungen unterscheiden.<br />
Meist wird die Zylinderwicklung bevorzugt, wobei aus isolationstechnischen Gründen die Unterspannungswicklung<br />
dem Eisenkern zugewandt ist. Für höhere Spannungen wird die Zylinderwicklung<br />
in einzelne übereinanderliegende Spulen aufgeteilt.<br />
Bei der Scheibenwicklung werden Ober- und Unterspannungswicklung unterteilt und abwechselnd<br />
übereinandergeschichtet. Zur Erzielung einer besseren Verkettung der Wicklungen<br />
und mit Rücksicht auf die Isolation beginnt und endet der Aufbau mit je einer Halbspule der<br />
Unterspannungsseite.<br />
Zur Leiterisolation wird meist und vor allem bei Betrieb des Transformators in einem Ölkessel<br />
eine Papierumbandelung gewählt. Zwischenisolationen, Abstützungen und die Distanzierung<br />
erfolgen durch Preßspan, Hartpapier und Holz.<br />
a) b)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
UW<br />
OW<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
OW<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
UW Unterspannungswicklung OW Oberspannungswicklung<br />
Zylinderwicklung (a) und Scheibenwicklung (b)<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 26<br />
UW
Die Wachstumsgesetze können einfach anhand der Scheinleistung S eines Einphasentransformators<br />
erläutert werden. Es gilt:<br />
S = U ⋅ I<br />
Φ<br />
S<br />
=<br />
=<br />
A<br />
Fe<br />
⋅ B<br />
mit U<br />
und<br />
2 ⋅ π ⋅ f ⋅ B⋅<br />
J ⋅ A<br />
Fe<br />
=<br />
w ⋅ I = w ⋅ A ⋅ J = A<br />
⋅ A<br />
Cu<br />
2 ⋅ π ⋅ f ⋅ w ⋅ Φ<br />
L<br />
Bei einer gleichmäßigen linearen Vergrößerung aller geometrischer Abmessungen um den Faktor<br />
k gilt bei konstanter spezifischer Beanspruchung des Eisens (Induktion B) und des Kupfers<br />
(Stromdichte J) gegenüber dem Bezugstransformator für die Scheinleistung S, die Masse m, die<br />
Verluste PV und die Oberfläche O:<br />
S<br />
P<br />
*<br />
*<br />
V<br />
= S ⋅ k<br />
=<br />
P<br />
V<br />
4<br />
⋅ k<br />
3<br />
m<br />
O<br />
*<br />
*<br />
3<br />
= m ⋅ k<br />
2<br />
= O ⋅ k<br />
Die Erhöhung der Einheitsleistung bei konstanten spezifischen Beanspruchungen ergibt damit<br />
- eine geringere relative Masse in kg/kVA,<br />
- weniger relative Verluste in kW/kVA,<br />
- eine kleinere relative Kühlfläche in m 2 /kW.<br />
Beim Übergang auf eine höhere Einheitsleistung erhält man als Vorteile eine größere spezifische<br />
Leistung und einen besseren Wirkungsgrad, muß jedoch immer intensivere Kühlverfahren<br />
anwenden.<br />
Der Nennwirkungsgrad ηN von <strong>Transformatoren</strong> ist hoch; bei einer Scheinleistung von<br />
SN = 100 kVA liegt er bei 0,977 und steigt bei SN = 100 MVA auf 0,995 an.<br />
P<br />
+ P<br />
Es treten Eisenverluste PFe und Stromwärmeverluste (Kupferverluste) PCu auf, wobei erstere infolge<br />
der günstigeren Verlustziffer der kornorientierten Bleche von v15 = 0,85 bis 0,95 W/kg nur<br />
einen Bruchteil der Kupferverluste ausmachen. Die Verlustziffer v15 gibt die spezifischen Eisenverluste<br />
bei einer Flußdichte B = 1,5 T und der Netzfrequenz f = 50 Hz an.<br />
Man wählt für Leistungstransformatoren ein Verlustverhältnis a = 0,17 bis 0,25.<br />
PFeN<br />
a =<br />
(3.5)<br />
P<br />
Cu<br />
FeN CuN<br />
η N = 1-<br />
(3.4)<br />
SN<br />
CuN<br />
Die Eisenverluste sind unabhängig von der Belastung (Netzspannung nahezu konstant) und die<br />
Kupferverluste sind quadratisch vom Strom abhängig. Allgemein gilt für den Wirkungsgrad η:<br />
2<br />
PFe<br />
+ PCu<br />
η = 1 -<br />
S<br />
⎛ U ⎞<br />
PFeN<br />
⋅ ⎜ + PCuN<br />
U ⎟<br />
N<br />
= 1 -<br />
⎝ ⎠<br />
S<br />
⎛ I ⎞<br />
⋅ ⎜<br />
I ⎟<br />
⎝ N ⎠<br />
(3.6)<br />
Der maximale Wirkungsgrad ηmax tritt bei<br />
S = a ⋅ S<br />
(3.7)<br />
1<br />
N<br />
auf. In diesem Betriebspunkt sind die Kupferverluste gleich den Eisenverlusten. Bei Nennspannung<br />
beträgt mit Gl. (3.6) der maximale Wirkungsgrad ηmax:<br />
2 ⋅ P<br />
FeN<br />
η max = 1-<br />
(3.8)<br />
S1<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 27<br />
⋅ J<br />
2<br />
(3.2)<br />
(3.3)
Bei einer Vergrößerung der Einheitsleistung nehmen die Verluste rascher als die Oberfläche zu<br />
[siehe Gl. (3.3)], womit die Wärmeabgabe immer schwieriger wird. Dies bedeutet, daß mit<br />
Rücksicht auf die begrenzte zulässige Erwärmung der Isolierstoffe immer intensivere und aufwendigere<br />
Kühlungsmethoden anzuwenden sind.<br />
Für kleinere Leistungen (bis 200 kVA) genügen Trockentransformatoren, deren Wicklungen der<br />
freien Luft ausgesetzt sind. Für Leistungen bis rd. 15 MVA und 30 kV werden <strong>Transformatoren</strong><br />
mit Gießharzisolierung gebaut, bei denen die vergossene Wicklung einen kompakten Zylinder<br />
bildet.<br />
Für größere <strong>Transformatoren</strong> und hohe Betriebsspannungen setzt man den aktiven Teil des<br />
Transformators in einen Ölkessel. Öl besitzt gegenüber Luft neben einer wesentlich besseren<br />
Isolationsfestigkeit eine bessere Wärmeübergangszahl und eine bessere Wärmeleitfähigkeit.<br />
3.2 Betriebsverhalten des Einphasentransformators<br />
Beim Transformator sind prinzipiell zwei Wicklungen mit den Windungszahlen w1 und w2 auf<br />
einem gemeinsamen Eisenkern gekoppelt. Führen beide Wicklungen Strom, so entstehen die<br />
Durchflutungen Θ1 und Θ2, die nach dem Grundgesetz magnetischer Kreise (3.9) den Hauptfluß<br />
Φh (im Eisen) und den Streufluß Φσ erzeugen.<br />
Φ = Θ ⋅ Λ<br />
(3.9)<br />
Die Darstellung eines Transformators wird zur reinen Ersatzschaltung, wenn man die Wirkung<br />
aller Feldanteile durch ihre Induktivitäten bzw. Blindwiderstände darstellt.<br />
U 1<br />
w 2<br />
w 1<br />
I 1<br />
Streuraum<br />
Φ h<br />
Φ 2σ<br />
Φ 1σ<br />
Magnetische Flüsse im Transformator<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 28<br />
I 2<br />
U 2<br />
-I 2<br />
Z
Mit der allgemeinen Definition<br />
2<br />
L = w ⋅ Λ<br />
(3.10)<br />
erhält man für die Streuwege die Streuinduktivitäten:<br />
L<br />
L<br />
1σ<br />
2σ<br />
=<br />
=<br />
w<br />
w<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
⋅ Λ<br />
⋅ Λ<br />
1σ<br />
2σ<br />
Φ<br />
= w1<br />
⋅<br />
I<br />
= w<br />
2<br />
1σ<br />
1<br />
Φ<br />
⋅<br />
I<br />
2σ<br />
2<br />
(3.11)<br />
Auf dem gemeinsamen Hauptweg mit dem Leitwert Λh ergeben sich je eine Hauptinduktivität<br />
und eine Gegeninduktivität:<br />
L<br />
L<br />
1h<br />
12<br />
=<br />
=<br />
w<br />
L<br />
2<br />
1<br />
21<br />
⋅ Λ<br />
h<br />
L<br />
2h<br />
1<br />
=<br />
2<br />
w<br />
2<br />
2<br />
= M = w ⋅ w ⋅ Λ<br />
⋅ Λ<br />
h<br />
h<br />
In Analogie zum Übertrager werden der Kopplungsfaktor │k│ und der Streufaktor σ berechnet:<br />
k<br />
2<br />
2 2<br />
=<br />
M<br />
σ = 1-<br />
k<br />
(L1h<br />
+ L1σ<br />
) (L2h<br />
+ L2σ<br />
)<br />
⋅<br />
U 1<br />
R 1<br />
I 1<br />
X 1σ<br />
U q1<br />
Idealer Transformator mit vorgeschalteten Wirk- und Blindwiderständen<br />
Die Spannungsgleichungen beider Seiten lauten damit:<br />
u<br />
u<br />
1<br />
2<br />
=<br />
=<br />
R<br />
R<br />
1<br />
2<br />
⋅ i + L<br />
1<br />
⋅ i<br />
2<br />
1σ<br />
+ L<br />
2σ<br />
di1<br />
di1<br />
di2<br />
⋅ + L1h<br />
⋅ + M ⋅<br />
dt dt dt<br />
di2<br />
di2<br />
di1<br />
⋅ + L2h<br />
⋅ + M ⋅<br />
dt dt dt<br />
Φ h<br />
U q2<br />
X 2σ<br />
I 2<br />
R 2<br />
(3.12)<br />
(3.13)<br />
Zur Behandlung des Transformators als Vierpol im Netz ist es üblich, Gl. (3.14) auf die Windungszahl<br />
w1 der Primärseite mit dem Übersetzungsverhältnis ü zu beziehen. Es gilt:<br />
Mit Gl. (3.15) lauten die Spannungsgleichungen:<br />
U 2<br />
(3.14)<br />
' w2<br />
1<br />
i2 = i2<br />
⋅ = i2<br />
⋅<br />
(3.15)<br />
w ü<br />
u<br />
u<br />
1<br />
'<br />
2<br />
=<br />
=<br />
R<br />
R<br />
1<br />
'<br />
2<br />
⋅ i<br />
1<br />
1<br />
⋅ i<br />
+ L<br />
'<br />
2<br />
1σ<br />
+ L<br />
'<br />
2σ<br />
di1<br />
⋅ + L<br />
dt<br />
'<br />
h<br />
di2<br />
⋅ + L<br />
dt<br />
' ⎛ di ⎞<br />
⎜ 1 di2<br />
⋅ ⎟<br />
⎜<br />
+<br />
⎟<br />
⎝ dt dt ⎠<br />
h<br />
' ⎛ di ⎞<br />
⎜ 1 di2<br />
⋅ ⎟<br />
⎜<br />
+<br />
⎟<br />
⎝ dt dt ⎠<br />
(3.16)<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 29
Anstelle mit den Augenblickswerten der Differentialgleichungen rechnet man bei stationären Betriebszuständen<br />
mit den Effektivwerten und erhält in komplexer Schreibweise:<br />
U<br />
U<br />
1<br />
'<br />
2<br />
=<br />
=<br />
R<br />
1<br />
R<br />
⋅ I<br />
'<br />
2<br />
1<br />
⋅ I<br />
+ j X<br />
'<br />
2<br />
+<br />
1σ<br />
jX<br />
⋅ I<br />
'<br />
2σ<br />
I 1<br />
1<br />
+<br />
⋅ I<br />
'<br />
2<br />
j X<br />
h<br />
+ j X<br />
R 1<br />
⋅ ( I + I )<br />
h<br />
1<br />
'<br />
2<br />
⋅ ( I + I )<br />
1<br />
'<br />
2<br />
X 1σ<br />
U1 Xh Uq '<br />
U2<br />
I µ<br />
Ersatzschaltung eines Transformators ohne Eisenverluste entsprechend Gl. (3.17)<br />
X '<br />
2σ<br />
R 2 '<br />
I 2 '<br />
(3.17)<br />
Die Gln. (3.17) sind Maschengleichungen eines Vierpols, der damit die allgemeine Ersatzschaltung<br />
für zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen darstellt.<br />
Um in der Ersatzschaltung auch die Eisenverluste des Hauptflusses zu erfassen, legt man parallel<br />
zu der Hauptreaktanz Xh einen sogenannten Eisenverlustwiderstand RFe und erhält die vollständige<br />
Ersatzschaltung eines Transformators.<br />
I 1<br />
R 1<br />
X 1σ<br />
I µ<br />
U1 X U '<br />
h q RFe U2<br />
I 0<br />
X '<br />
2σ<br />
I Fe<br />
Vollständige Ersatzschaltung eines Transformators<br />
Formeln zur Umrechnung der sekundären Werte auf die Primärseite:<br />
U<br />
R<br />
'<br />
2<br />
'<br />
2<br />
=<br />
=<br />
U<br />
R<br />
2<br />
2<br />
w<br />
⋅<br />
w<br />
w<br />
⋅<br />
w<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
I<br />
'<br />
2<br />
X<br />
=<br />
'<br />
2σ<br />
I<br />
=<br />
2<br />
w<br />
⋅<br />
w<br />
X<br />
2<br />
1<br />
2σ<br />
w<br />
⋅<br />
w<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
Nach dem Induktionsgesetz werden in den Wicklungen Quellenspannungen induziert, deren<br />
Effektivwert lautet:<br />
q<br />
h<br />
h<br />
R 2 '<br />
I 2 '<br />
(3.18)<br />
U = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ w ⋅ Φ = 4,44 ⋅ f ⋅ w ⋅ Φ<br />
(3.19)<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 30
Im Leerlauf gilt mit sehr guter Näherung:<br />
U ≈ (3.20)<br />
1 : U2<br />
w1<br />
: w2<br />
Der Leerlaufstrom I0 beträgt nur einen Bruchteil des Nennstromes. Er kann in seine Blindkomponente,<br />
den Magnetisierungsstrom Iµ, und die Wirkkomponente IFe zerlegt werden. IFe beträgt rd.<br />
10% von I0 und dient zur Deckung der Eisenverluste.<br />
Spannung und Magnetisierungsstrom des Transformators sind über die Dynamoblechkennlinie<br />
miteinander verknüpft. Dies bedeutet bei Nenninduktionen im Eisen von 1,5 bis 1,7 T wegen der<br />
magnetischen Sättigung eine nichtlineare Zuordnung zwischen Φh und Iµ.<br />
Die harmonische Analyse der Stromkurve ergibt neben der Grundschwingung ungradzahlige<br />
Oberschwingungen mit nach der Ordnungszahl abnehmenden Amplituden.<br />
Grob gilt der Zusammenhang:<br />
I 1<br />
ν 7 : Iν5<br />
: Iν3<br />
: Iν<br />
= 1:<br />
2:<br />
4:<br />
8<br />
(3.21)<br />
Flußdichte B in T<br />
2,5<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
H · 0,01<br />
H · 0,01<br />
0 100 200 300 400 500<br />
magn. Feldstärke H in A/cm<br />
1 warmgewalztes Elektroblech 0,5 mm v10 = 3 W/kg<br />
2 kornorientiertes Blech 0,35 mm v10 = 0,45 W/kg<br />
Gleichstrom-Magnetisierungskurven<br />
Schaltet man einen leerlaufenden Transformator mit seiner Primärwicklung an das Netz, so stellt<br />
sich der stationäre Leerlaufstrom erst nach dem Abklingen eines elektromagnetischen Ausgleichsvorganges<br />
ein. Vernachläßigt man netzseitige Spannungsabfälle, so entspricht der Schaltvorgang<br />
dem Zuschalten der starren Netzspannung auf eine Spule mit dem Wicklungswiderstand R1.<br />
u1 = 2 ⋅ U1<br />
⋅ sin(<br />
ωt<br />
+ α)<br />
(3.22)<br />
Es gilt die Spannungsgleichung:<br />
di1<br />
dΦ1t<br />
u1<br />
= R1<br />
⋅ i1<br />
+ L1<br />
⋅ = R1<br />
⋅ i1<br />
+ w1<br />
⋅<br />
(3.23)<br />
dt<br />
dt<br />
Für den Verlauf des Flusses gilt:<br />
Φ<br />
1 t<br />
= - Φ<br />
R<br />
2 ⋅ U<br />
1<br />
1<br />
1 ⋅ cos(<br />
ωt<br />
+ α)<br />
+ Φ1<br />
⋅ cosα<br />
+ Φrem<br />
- ⋅ ∫ i1<br />
dt mit = Φ1<br />
(3.24)<br />
w1<br />
ω⋅<br />
w1<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 31<br />
1<br />
2<br />
1
R 1·I 1<br />
U 1<br />
jX 1σ·I 1<br />
ϕ 1<br />
U q<br />
I µ<br />
U 2 '<br />
I 0<br />
jX2σ·I ' ' 2<br />
I 1<br />
R2·I ' ' 2<br />
I Fe<br />
I 2 '<br />
Da beim Nennfluß Φ1 Kerninduktionen von etwa<br />
1,5 T üblich sind, entstehen bei Φmax Werte von über<br />
3 T mit extremen Sättigungen, wozu beträchtliche<br />
Magnetisierungsstromspitzen notwendig sind. Sie<br />
können Werte bis zum 15fachen Scheitelwert des<br />
Nennstromes betragen und klingen innerhalb eines<br />
Sekundenbruchteils, bei großen Leistungen in einigen<br />
Sekunden ab. Der ungünstigste Fall tritt ein, wenn im<br />
Spannungsnulldurchgang zugeschaltet wird.<br />
Die Folgen einer beliebigen Belastung auf der<br />
Sekundärseite des Transformators können über die<br />
vollständige Ersatzschaltung bestimmt werden.<br />
Vollständiges Zeigerdiagramm bei<br />
ohmsch-induktiver Belastung<br />
Zur Untersuchung der Spannungshaltung eines Transformators bei beliebiger Belastung kann man<br />
den hochohmigen Querzweig und damit den Magnetisierungsstrom vernachlässigen; man erhält<br />
das vereinfachte Ersatzschaltbild. Es gilt:<br />
R = R + R X = X σ + X Z = R + X<br />
(3.25)<br />
k<br />
1<br />
I<br />
U 1<br />
'<br />
2<br />
R k<br />
X k<br />
k<br />
1<br />
' U2 '<br />
2σ<br />
k<br />
2<br />
k<br />
2<br />
k<br />
Vereinfachte Ersatzschaltung<br />
Im Zeigerdiagramm unterscheiden sich die beiden Klemmenspannungen durch ein Dreieck, das<br />
den Namen Kappsches Dreieck trägt. Während bei ohmscher und vor allem induktiver Belastung<br />
U'2 < U1 wird, steigt die abgegebene Spannung bei stark kapazitivem Strom mit U'2 > U1 über den<br />
Leerlaufwert an.<br />
In VDE 0532 ist die Spannungsänderung eines Transformators zwischen Leerlauf- und Volllastspannung<br />
auf der Abgabeseite bei Nennstrom festgelegt.<br />
Häufig werden relative Werte, die auf Nennspannung bezogen sind, verwendet. Es gilt:<br />
U<br />
I<br />
I<br />
u ⋅<br />
ϕ<br />
1N<br />
1N<br />
ϕ =<br />
u R = R k ⋅<br />
u X = X k<br />
(3.26)<br />
U N<br />
U1<br />
U1<br />
Bei beliebigem Leistungsfaktor cosϕ und Nennstrom gilt:<br />
'<br />
u ϕ = u X ⋅sin<br />
ϕ + u R ⋅ cosϕ<br />
⋅ cos ϕ − u<br />
''<br />
u ϕ = u X<br />
R<br />
'<br />
''<br />
2<br />
u ϕ = u ϕ + 1 - 1-<br />
u ϕ<br />
⋅sin<br />
ϕ<br />
(3.27)<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 32
Für beliebige Belastung gilt mit<br />
u<br />
ϕ<br />
''<br />
ϕ<br />
u n 1<br />
und<br />
I1<br />
n =<br />
I<br />
' 1 ''<br />
2<br />
= n ⋅ uϕ<br />
+ ⋅ (n ⋅ uϕ<br />
)<br />
(3.28)<br />
2<br />
Die Sekundärspannung bei Belastung ergibt sich zu:<br />
'<br />
U2 1 ϕ<br />
2 20 ϕ<br />
= U ⋅ (1-<br />
u ) bzw. U = U ⋅ (1-<br />
u )<br />
(3.29)<br />
U 1<br />
U N<br />
= 1<br />
u ϕ''<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
U' 2<br />
UN uϕ' u ϕ<br />
2 1 - u'' ϕ<br />
1<br />
1N<br />
Bestimmung der relativen<br />
Spannungsänderung<br />
Bei Kurzschluß an den Sekundärklemmen eines Transformators wird aus der Ersatzschaltung ein<br />
Zweipol mit der Eingangsimpedanz Zk.<br />
Z = R + j X<br />
(3.30)<br />
k<br />
k<br />
k<br />
Eine wichtige Kenngröße ist die Kurzschlußspannung Uk, die primärseitig angelegt werden muß,<br />
um bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung Nennstrom zu erreichen. Sie ergibt sich zu:<br />
U = I ⋅ Z<br />
(3.31)<br />
k<br />
1N<br />
k<br />
Sie wird als relative Kurzschlußspannung uk auf die Nennspannung bezogen.<br />
Uk<br />
uk<br />
= ⋅ 100%<br />
(3.32)<br />
U<br />
1<br />
Außerdem gilt:<br />
u R<br />
Pk<br />
=<br />
S<br />
und uX<br />
=<br />
2 2<br />
uk<br />
- uR<br />
(3.33)<br />
N<br />
Aus der relativen Kurzschlußspannung läßt sich der Dauerkurzschlußstrom IkN bei Nennspannung<br />
berechnen. Es gilt:<br />
100%<br />
IkN = I1N<br />
⋅ (3.34)<br />
u<br />
k<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 33
Bei <strong>Transformatoren</strong> sind Dauerkurzschlußströme bis zum 25fachen Nennstrom zu erwarten.<br />
Rechnerisch bildet sich im Dauerkurzschluß ein Hauptfluß aus, der gleich dem halben Nennfluß<br />
ist. Er wird kompensiert durch den Fluß über die Streuwege.<br />
U 1<br />
I 1k<br />
Φ 1<br />
Φ 1σ<br />
Φ h<br />
Φ 2σ<br />
Φ 2 = 0<br />
I 2k<br />
Feldverlauf im Dauerkurzschluß bei R = 0<br />
Wird ein am Netz leerlaufender Transformator sekundärseitig plötzlich kurzgeschlossen, so fließt<br />
der stationäre Dauerkurzschlußstrom erst nach einem elektromagnetischen Ausgleichsvorgang.<br />
Tritt der Kurzschluß im Spannungs-Nulldurchgang ein, dann berechnet sich der Stoßkurzschlußstrom:<br />
i<br />
s<br />
mit<br />
=<br />
2 ⋅ I<br />
T<br />
k<br />
=<br />
k<br />
⋅<br />
-t<br />
T<br />
( sin(<br />
ωt<br />
- ϕ ) + sin ϕ ⋅ k)<br />
Xk<br />
ω⋅<br />
R<br />
k<br />
k<br />
ϕ<br />
k<br />
k e<br />
X<br />
= arctan<br />
R<br />
In diesem Fall entsteht die maximale Stromspitze bei ωt = ϕk + π/2.<br />
k<br />
k<br />
(3.35)<br />
R<br />
⎛<br />
- k π<br />
⋅ ( + ϕ )<br />
I = ⋅ I ⋅<br />
⎞<br />
s 2 k ⎜1<br />
+ sin ϕ k ⋅<br />
k e Xk<br />
2 ⎟<br />
(3.36)<br />
⎝<br />
⎠<br />
Die erste Stromspitze kann bei Großtransformatoren etwa das 1,9fache des Dauerkurzschlußstromes<br />
betragen. Der Stoßkurzschlußstrom (wird als Scheitelwert angegeben) führt zu den größten<br />
mechanischen Beanspruchungen des Transformators.<br />
I s<br />
u, i<br />
ϕ k<br />
π 2π ωt<br />
u 1<br />
i s<br />
i gl<br />
i k<br />
(stationär)<br />
Verlauf des Stoßkurzschlußstromes is bei Kurzschluß im Spannungsnulldurchgang<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 34
3.3 Betriebsverhalten von Drehstromtransformatoren<br />
Bei Drehstromtransformatoren bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten für die elektrische<br />
Schaltung der drei Ober- und Unterspannungswicklungen. Die wichtigsten sind in VDE 0532 zu-<br />
sammengestellt.<br />
Die gebräuchlichsten Schaltgruppen sind Yy0, Dy5, Yd5 und Yz5.<br />
Ist<br />
der Sternpunkt einer Wicklung herausgeführt, wird zur Kennzeichnung ein N bzw. n zugefügt.<br />
Die Kennzahl in der Schaltgruppe gibt die gegenseitige Phasenlage beider Drehspannungsysteme<br />
an.<br />
Schalt- Zeigerbild<br />
Schaltungsbild<br />
gruppe Oberspg. Unterspg. Oberspg. Unterspg.<br />
Yy0<br />
Dy5<br />
Yd5<br />
Yz5<br />
1V 2V 1U 1V 1W<br />
1U 1W<br />
2U 2W<br />
1V<br />
2U<br />
1U 1V 1W<br />
2W<br />
2U 2V 2W<br />
1U 1W<br />
2V<br />
2U 2V 2W<br />
1V 2U 1U 1V 1W<br />
1V 2U 1U 1V 1W<br />
1U 1W<br />
2W<br />
1U 1W 2U 2V 2W<br />
2V<br />
2W<br />
2V<br />
Schaltgruppen von <strong>Transformatoren</strong><br />
2U 2V 2W<br />
Zur Erzeugung eines sinusförmigen Flusses muß ein Transformator einen Magnetisierungsstrom<br />
mit einer netzfrequenten Grundschwingung und deren ungeradzahligen Oberschwingungen aufnehmen.<br />
Für die Magnetisierung eines Drehstromtransformators ist bedeutsam, daß die 3. Stromoberschwingung<br />
und ihre ungeradzahligen Vielfachen (9., 15.) eine gegenseitige Phasenverschiebung<br />
von 3 · 120° = 360° aufweisen, d.h. in allen drei Wicklungen gleichphasig sind.<br />
Da sich beim Drehstromtransformator in Sternschaltung die durch drei teilbaren Stromoberschwingungen<br />
im Magnetisierungsstrom nicht zu Null addieren können, ist eine vollständige<br />
Magnetisierung nur dann möglich, wenn bei primärer Sternschaltung der Sternpunktleiter N<br />
angeschlossen ist. Eine andere Möglichkeit ist die Ausführung einer Dreieckwicklung auf einer<br />
Seite oder eine interne Ausgleichswicklung, in welcher die gleichphasigen Stromoberschwingungen<br />
als Kreisstrom fließen können.<br />
Bei einer Schaltung Yyn0 können sich die durch drei teilbaren Stromoberschwingungen wegen<br />
des fehlenden Sternpunktleiters N auf der Eingangsseite nicht ausbilden. Man spricht hier von<br />
einer erzwungenen Magnetisierung, die zu einer Abflachung der sekundären Strangspannung<br />
führt. Die Außenleiterspannung bleibt sinusförmig.<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 35
Für den praktischen Betrieb bedeutet dies, daß Verteilertransformatoren nicht in der Schaltgruppe<br />
Yyn0 verwendet werden dürfen. Dies ist mit Rücksicht auf eine mögliche unsymmetrische Belastung<br />
nicht zulässig.<br />
Drehstromschaltungen bei unsymmetrischer Belastung<br />
Bei der unsymmetrischen Belastung eines Drehstromtransformators kann eine Störung des<br />
Durchflutungsgleichgewichts hervorgerufen werden.<br />
Eine zweisträngige Belastung führt bei allen Drehstromtransformatoren zu keiner Störung des<br />
Durchflutungsgleichgewichts; sie ist also immer zulässig.<br />
I 1<br />
I 1<br />
I 2<br />
I 2<br />
Zweisträngige Belastung bei Schaltgruppe Yyn0<br />
Eine einsträngige Belastung beim Transformator mit der Schaltgruppe Yyn0 zwischen einem<br />
Außenleiter und dem Sternpunktleiter führt zu einer Störung des Durchflutungsgleichgewichts.<br />
Bei diesem Transformator ist nur eine einsträngige Belastung I < IN zulässig.<br />
Bei <strong>Transformatoren</strong> mit den Schaltgruppen Dyn5 und Yzn5 führt einsträngige Belastung nicht zu<br />
einer Störung des Durchflutungsgleichgewichts; sie ist damit zulässig.<br />
I V<br />
I U<br />
I W<br />
U V<br />
N<br />
Einsträngige Belastung bei Schaltgruppe Yyn0<br />
Zur Berechnung der drei primären Strangströme bei einsträngiger Belastung und Schaltgruppe<br />
Yyn0 wird zunächst die Knotenpunktgleichung (siehe Bild) gebildet. Zwei weitere Gleichungen<br />
erhält man aus der Bedingung, daß die Summe der Laststrom-Durchflutungen längs der zwei<br />
Transformatorfenster Null sein müssen. Dies ist erforderlich, da das primärseitig an den Transformator<br />
angelegte symmetrische Spannungssystem nur gleichphasige Zusatzflüsse pro Kern<br />
zuläßt.<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 36<br />
I 2<br />
I 2<br />
N<br />
Z<br />
Z
I<br />
I<br />
U<br />
U<br />
- I<br />
V<br />
+ I<br />
V<br />
+ I<br />
- I<br />
W<br />
'<br />
2<br />
=<br />
=<br />
0<br />
0<br />
I<br />
V<br />
mit<br />
+ I<br />
W<br />
I<br />
µ<br />
- I<br />
'<br />
2<br />
n<br />
I<br />
'<br />
2<br />
= 0<br />
Aus den Gln. (3.37) folgt für die Strangströme.<br />
I<br />
U<br />
=<br />
I<br />
W<br />
=<br />
(3.37)<br />
1 '<br />
2 '<br />
⋅ I2<br />
IV<br />
= ⋅ I2<br />
(3.38)<br />
3<br />
3<br />
Bei der Schaltgruppe Yyn0 erzeugen die lastabhängigen Zusatzdurchflutungen in allen drei<br />
Strängen gleichgerichtete Flüsse ΦZ. Sie induzieren in den Wicklungen gleichgerichtete Zusatzspannungen.<br />
I' 2<br />
U'<br />
1 /3 I' 2<br />
Φ Z<br />
∆U Z<br />
I V<br />
U<br />
Φ h<br />
U'<br />
U U<br />
U' V<br />
V'<br />
∆U Z<br />
∆U Z<br />
Zeigerdiagramm des bela- Sternpunktverschiebung<br />
steten Wicklungsstranges<br />
U<br />
0'<br />
U V<br />
0<br />
V<br />
U W<br />
Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yyn0<br />
Die einphasig belastete Wicklung bricht in ihrer Strangspannung teilweise zusammen. Die Höhe<br />
des Spannungseinbruchs hängt bei gegebener Belastung von dem magnetischem Leitwert ΛZ ab,<br />
den<br />
der Zusatzfluß vorfindet.<br />
In der Bauform des Dreischenkelkerns ist der Zusatzfluß über den Streuweg beschränkt. Die<br />
Sternpunktverschiebung<br />
ist hier gering.<br />
Beim Fünfschenkelkern (3 · Einphasentransformatoren) kann sich der Zusatzfluß kräftig auf dem<br />
Eisenweg über den freien Rückschluß ausbilden; eine starke Sternpunktverschiebung ist zu erwarten.<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 37<br />
W'<br />
W
Sternschaltung<br />
mit Ausgleichwicklung<br />
Führt man den Transformator bei primärer und sekundärer Sternschaltung mit einer zusätzlichen<br />
Dreieckwicklung aus, so erfolgt eine Kompensation der Lastdurchflutung auch bei einsträngigem<br />
Sekundärstrom.<br />
I U<br />
I V<br />
I W I 3<br />
N<br />
Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yyn0 mit Ausgleichswicklung<br />
Die Ausgleichswicklung führt den zuvor nicht kompensierten Anteil als Kreisstrom (3.39).<br />
I<br />
'<br />
'<br />
3 (3.39)<br />
I2<br />
=<br />
3<br />
Für den belasteten Strang gilt die Durchflutungsgleichung der Lastströme (3.40).<br />
' '<br />
' 1 2<br />
Θ V = w1<br />
⋅ ( I2<br />
- I3<br />
- IV)<br />
= w1<br />
⋅ I2<br />
⋅ (1-<br />
- ) = 0<br />
(3.40)<br />
3 3<br />
Die einsträngige Belastung führt bei Stern-Sternschaltung mit Ausgleichswicklung nicht zu einer<br />
Sternpunktverschiebung.<br />
Dreieck-Sternschaltung<br />
Im Bild erkennt man, daß die Sternpunktbelastung keine Störung des magnetischen Gleichgewichtes<br />
hervorruft, da auf der Primärseite nur der belastete Strang Strom führt.<br />
I V<br />
I U<br />
I 2<br />
I 2<br />
I 2<br />
N<br />
I 2<br />
Z<br />
Z<br />
Einsträngige Belastung<br />
in Schaltgruppe Dyn5<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 38
Stern-Zickzackschaltung<br />
Bei der Stern-Zickzackschaltung verteilt sich die Wechselstromlast auf zwei Schenkel und kann<br />
damit primärseitig kompensiert werden. Von Nachteil ist die schlechtere Wicklungsausnützung in<br />
Bezug auf die Sekundärschaltung.<br />
U<br />
2<br />
=<br />
3<br />
w<br />
2 ⋅ U1<br />
⋅<br />
(3.41)<br />
2 ⋅ w1<br />
Parallelbetrieb von <strong>Transformatoren</strong><br />
I U<br />
I V<br />
I 2<br />
N<br />
Einsträngige Belastung in Schaltgruppe Yzn5<br />
Der Parallelbetrieb von <strong>Transformatoren</strong> ist grundsätzlich möglich. Voraussetzung für diesen<br />
Betrieb sind:<br />
1. Die Nennspannungen und die Nennfrequenz müssen übereinstimmen.<br />
2. Die Schaltgruppen müssen zueinander passen.<br />
3. Die Kurzschlußspannungen müssen innerhalb der zulässigen Toleranzen gleich sein.<br />
4. Das Verhältnis der Nennleistungen soll nicht größer als 3 : 1 sein. Hierdurch wird im<br />
allgemeinen ein etwa gleiches Verhältnis Rk/Xk erreicht.<br />
Die prozentualen Belastungen von parallelgeschalteten <strong>Transformatoren</strong> verhalten sich umgekehrt<br />
wie die relativen Kurzschlußspannungen.<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
I<br />
I<br />
⎞ ⎛<br />
⎟ : ⎜<br />
⎠ ⎝<br />
N I<br />
I<br />
I<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
N II<br />
= u<br />
U 1<br />
kII<br />
: u<br />
kI<br />
Z kI<br />
I I<br />
U' 2<br />
I 2<br />
I<br />
Z<br />
I 2<br />
Z kII<br />
Ersatzschaltbild paralleler <strong>Transformatoren</strong><br />
I II<br />
U 1<br />
Z<br />
(3.42)<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 39
3.4 Sondertransformatoren<br />
Netztransformatoren besitzen im allgemeinen Wicklungsanzapfungen, um die Übersetzung den<br />
Betriebsanforderungen anzupassen. In einfachen Fällen genügt es durch einen Umsteller auf der<br />
Oberspannungsseite im spannungslosen Zustand die Windungszahl gelegentlich zu variieren.<br />
U1<br />
Wird ein ständiger Ausgleich der belastungsabhängigen Spannungsfälle<br />
verlangt, so ist eine möglichst feinstufige Überset-<br />
1 zungsänderung<br />
unter Last mittels Stufenschalter erforderlich.<br />
4<br />
5<br />
U V W<br />
4 6 2<br />
1 3 5<br />
U V W<br />
4 6 2<br />
5 3 1<br />
2<br />
3<br />
U2<br />
5<br />
R R<br />
6<br />
N<br />
N<br />
5<br />
4<br />
1 Stammwicklung<br />
2 Grobstufe<br />
3 Feinstufe<br />
4 Vorwähler<br />
5 Feinwähler<br />
6 Lastumschalter<br />
Prinzip eines Stufenschalters (ein Strang)<br />
Bei Stromrichtertransformatoren wird häufig eine Erhöhung der sekundären<br />
Phasenzahl vorgesehen, um durch ein 6- oder 12-Phasensystem<br />
eine geringere Welligkeit der Gleichspannung zu erhalten.<br />
Die Netzrückwirkungen der Stromrichter können so auch erheblich<br />
reduziert werden.<br />
U W<br />
6<br />
5<br />
4<br />
V<br />
3<br />
V<br />
U W<br />
3<br />
6<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
Stern - Doppelsternschaltung<br />
Schaltung der Wicklungen<br />
und<br />
Zeigerbild der Spannungen<br />
Dreieck - Stern-Gabelschaltung<br />
Schaltung der Wicklungen<br />
und<br />
Zeigerbild der Spannungen<br />
Aufbau von Sechsphasensystemen<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 40
Im großen Umfang werden auch kleine, hauptsächlich einphasige <strong>Transformatoren</strong> gebaut. Sie<br />
dienen<br />
meist der Energieversorgung von Steuer- und Regeleinrichtungen.<br />
Für den Entwurf dieser Kleintransformatoren stehen mit DIN 41300-309 sehr umfassende<br />
Unterlagen zur Verfügung. Sie enthalten bereits die für die genormten Blechschnitte günstigste<br />
elektrische<br />
und magnetische Auslegung.<br />
Im Unterschied zu großen <strong>Transformatoren</strong> enthält der gesamte Spannungsverlust durch den<br />
relativ hohen Wicklungswiderstand eine große ohmsche Komponente. Außerdem ist der relative<br />
Leerlaufstrom wesentlich größer.<br />
Strom-<br />
und Spannungswandler<br />
Strom- und Spannungswandler sind <strong>Transformatoren</strong>, wobei die Stromwandler im Kurzschluß,<br />
die<br />
Spannungswandler im Leerlauf arbeiten.<br />
Der Stromwandler hat die Aufgabe, den ihm primärseitig eingeprägten zu messenden Strom in<br />
eine für das Amperemeter geeignete Größenordnung zu übertragen. Diese Übersetzung soll nach<br />
Betrag und Phasenlage möglichst fehlerlos erfolgen. Die Definition der verschiedenen<br />
Wandlerfehler, wie auch die weitere Normung, kann den VDE-Bestimmungen VDE 0414 entnommen<br />
werden.<br />
Spannungswandler dienen zur Herabsetzung der Hochspannung auf einen bequem meßbaren<br />
Wert. Auch hier tritt ein Übersetzungsfehler auf. Er wird durch Spannungsabfälle an den<br />
Längswerten der Ersatzschaltung des Transformators hervorgerufen und besteht infolge des Magnetisierungsstromes<br />
auch bei einem sehr hochohmigen Voltmeter.<br />
Spartransformatoren<br />
Werden die zwei Wicklungen eines Transformators anstelle in der übliche Vollschaltung<br />
verbunden, so entsteht ein Spartransformator. Diese Schaltung ergibt teilweise beträchtliche<br />
Kostenersparnisse, denen allerdings auch einige Nachteile gegenüberstehen.<br />
a)<br />
U 1<br />
I P<br />
w P<br />
w R<br />
I 2<br />
U R<br />
b)<br />
U 1<br />
U R<br />
I 1<br />
I P<br />
w R<br />
w P<br />
Schaltung der Transformatorwicklungen<br />
I 2<br />
U 2<br />
a) Vollschaltung<br />
b) Sparschaltung<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 41
Wicklung und Kern des Spartransformators sind so ausgelegt, daß man in Vollschaltung die<br />
Typleistung ST (3.43) erhält.<br />
S = U ⋅ I = U ⋅ I<br />
(3.43)<br />
T<br />
1<br />
P<br />
R<br />
2<br />
In der Sparschaltung kann man dagegen bei gleicher Belastung der Wicklungen die Durchgangsleistung<br />
SD (3.44) übertragen.<br />
Die Typenleistung ST, welche den Materialaufwand festlegt, ist beim Spartransformator stets<br />
S = U ⋅ I = U ⋅ I<br />
(3.44)<br />
D<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
kleiner als die Durchgangsleistung SD.<br />
ST<br />
U1<br />
= SD<br />
⋅ (1-<br />
)<br />
U<br />
(3.45)<br />
2<br />
Bei geringen Spannungsunterschieden von U1 und U2 ist die Kostenersparnis gegenüber dem<br />
normalen Transformator beträchtlich. Nachteilig ist die geringe Kurzschlußspannung ukD und der<br />
damit verbundene hohe Dauerkurzschlußstrom.<br />
U1<br />
ukD<br />
= ukT<br />
⋅ (1-<br />
)<br />
(3.46)<br />
U<br />
2<br />
Ein weiterer Nachteil ist die galvanische Verbindung der zwei Netzteile, was sich bei Schadensfällen<br />
ungünstig auswirken kann.<br />
Bei Netzkuppelungen wird der Spartransformator in Drehstrom-Spartransformatorbänken mit<br />
Spannungen U1 = 220 kV und U2 = 380 kV bei Leistungen bis über 1000 MVA eingesetzt.<br />
Drosselspulen<br />
Nutzt man den gesamten Wickelraum eines Eisenkerns nur für eine Wicklung/Strang, so erhält<br />
man eine Drosselspule mit etwa der doppelten Typenleistung wie bei der Ausführung eines<br />
Transformators. Der Spannungsfall im Nennbetriebspunkt beträgt nur einen Bruchteil der<br />
Netzspannung U. An sinusförmiger Spannung stellt sie einen fast reinen induktiven Verbraucher<br />
dar.<br />
uk<br />
ST<br />
= SD<br />
⋅ (3.47)<br />
2<br />
In Anlagen der Energieverteilung werden Kompensations-Drosselspulen zum Ausgleich kapazitiver<br />
Netzbelastung durch leerlaufende Hochspannungsleitungen und als Petersendrossel zum<br />
selbstätigen Löschen des kapazitiven Erdschlußstromes in Mittelspannungsnetzen eingesetzt.<br />
Bei stromrichtergespeisten Antrieben verwendet man Netzdrosseln und Glättungsspulen zur<br />
Verringerung der Oberschwingungen.<br />
G. Schenke, 9.2002 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, Abt. E+I 42