Grundlagen der elektrischen Maschinen und Transformatoren

Grundlagen der elektrischen Maschinen

Elektrische Maschinen sind Geräte, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln oder elektrische Leistung in einer anderen Form bereitstellen. Diese Energie wird über einen Zeitraum als Speicher in einem Magnetfeld vorgehalten. Sie werden grundlegend in Generatoren, Motoren und Transformatoren unterteilt.

Induktion ist das Phänomen, bei dem eine elektromotorische Kraft in einem Medium oder Körper erzeugt wird, wenn dieser einem variablen Magnetfeld oder einer relativen Bewegung zu einem statischen Magnetfeld ausgesetzt ist.

Induktivität bezeichnet das Phänomen, bei dem ein zeitlich variierender elektrischer Strom in einem Stromkreis eine induzierte Spannungsänderung (elektromotorische Kraft) im selben Schaltkreis erzeugt, die der ursprünglichen Spannung entgegenwirkt.

Aufbau und Komponenten von Transformatoren

Magnetleiter bestehen aus dicken Stücken, die aus dünnen Blechen, Spulen oder Streifen aus magnetischem Stahl gefertigt sind.

Der Kern (Nucleus) bildet den magnetischen Kreis, der die Energie von einem Stromkreis zum anderen überträgt. Seine Hauptaufgabe ist es, den magnetischen Fluss gezielt zu führen.

Wicklungen stellen die Stromkreise und die Last dar. Die Hauptfunktion der Primärwicklung besteht darin, ein Magnetfeld mit sehr geringem Energieverlust zu erzeugen. Die Sekundärwicklung nutzt diesen magnetischen Fluss, um eine elektromotorische Kraft zu produzieren.

Funktionsweise und Schaltungsarten

Ein Transformator funktioniert ausschließlich mit Wechselstrom (AC), da ein variierendes Magnetfeld über der Spule erforderlich ist, um elektrischen Strom zu induzieren. Zu den Transformatortypen gehören unter anderem Leistungs- und Messtransformatoren.

Bei der Sternschaltung eines Transformators sind Netzspannung und Phasenspannung unterschiedlich, während die Stromstärken von Linie und Phase identisch sind. Bei einer Dreieckschaltung verhält es sich genau umgekehrt.

Besonderheiten des Spartransformators

Ein Spartransformator besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein herkömmlicher Transformator, mit dem Unterschied, dass die Wicklungen nicht galvanisch voneinander getrennt sind. Die Vorteile sind:

• Geringere Verluste
• Geringeres Gewicht
• Materialeinsparung

Die Nachteile bestehen darin, dass er nicht für sehr große Leistungen geeignet ist und nicht zur Netztrennung eingesetzt werden kann.

Prüfverfahren und Verlustmessung

Tests an Transformatoren werden durchgeführt, um die auftretenden Verluste zu ermitteln. Die Arten von Verlusten unterteilen sich in Eisenverluste im Magnetkreis und Kupferverluste im Stromkreis.

Der Leerlaufversuch (Vakuumtest) ermittelt die Verluste im Magnetkreis. Dabei bleibt der Sekundärkreis offen, während die Primärseite mit ihrer Nennspannung versorgt wird.

Der Kurzschlussversuch wird durchgeführt, indem die Sekundärwicklung des Transformators über ein Amperemeter kurzgeschlossen und die Spannung regelbar eingestellt wird. Hierbei werden Kupferverluste, Impedanz, Widerstand des Transformators sowie der maximale Kurzschlussstrom (Icc) ermittelt.

Zur Messung des Kurzschlusses wird ein Amperemeter in Reihe mit dem sekundären Ausgang verbunden. Das Gerät zur Messung des Isolationswiderstandes ist das Megohmmeter (Megger).

Physikalische Grundlagen der Elektrizität

Atome bestehen aus neutralen Teilchen (Neutronen), Protonen und Elektronen. Metalle sind gute Leiter, da sich die Elektronen in der äußeren Valenzschale besonders leicht bewegen können.

Das Coulomb-Gesetz definiert den Wert der Kraft, mit der sich zwei elektrisch geladene Teilchen in einem festen Abstand anziehen oder abstoßen.

Drei gute Isolatoren sind Kunststoff, Holz und Gummi, da sie einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweisen.

Magnetische Feldgrößen und Phänomene

Die magnetische Feldstärke ist die magnetische Spannung, die erforderlich ist, um eine Längeneinheit eines Materials zu magnetisieren. Die Einheit der magnetischen Feldstärke ist das Oersted.

Der magnetische Fluss beschreibt die Gesamtzahl der Kraftlinien in einem Magnetfeld. Die magnetische Permeabilität gibt den Grad der Durchlässigkeit eines Mediums für die magnetischen Kraftlinien an.

Die Polarität ist abhängig von der Bewegungsrichtung des Leiters im Verhältnis zum Magnetfeld. Wirbelströme sind ein elektrisches Phänomen, das auftritt, wenn ein Leiter ein sich änderndes Magnetfeld durchläuft. Um diese zu vermeiden, werden Kerne aus gestapelten Stahlplatten verwendet.