Grundlagen der Transformatoren: Technik und Anwendungen

Schaltgruppen und Bestimmung des Zeitplan-Index

Der Prozess zur Bestimmung der Schaltgruppe (Zeitplan) ist wie folgt:

1. Single EMK (fems) 1: Stellen Sie die Primärwicklung so dar, dass das Terminal A am oberen Rand des Diagramms liegt (entspricht der Ziffer 12 einer imaginären Uhr, auf der das Vektordiagramm platziert wird).
2. Single EMK (fems) 2: Stellen Sie die Sekundärwicklung dar. Es ist zu beachten, dass die Primär- und Sekundärwicklungen in derselben Säule liegen (homolog zu den Terminals).
3. Überlagerung: Überlagern Sie beide Diagramme. Der Zeitplan ist der Winkel zwischen zwei Vektoren, die durch den Mittelpunkt (PTO) und das Zentrum des Diagramms gebildet werden.

Oberschwingungen (Harmonics)

Wenn eine sinusförmige Spannung an einen einphasigen Transformator angelegt wird und der Kern im Bereich der Sättigung (Magnetisierung im „Ellenbogen“) arbeitet, erhält man einen glockenförmigen Erregerstrom mit ungeraden Oberwellen. Abgesehen von der Grundschwingung ist die dritte Harmonische die wichtigste. Der Laststrom des Transformators folgt der Form:

i = i₀,₁ + i₀,₃ = √2I₀,₁ cos(ωt + φ₁) + √2I₀,₃ cos(3ωt + φ₃)

Bei einer Bank aus drei Einphasen-Drehstrom-Transformatoren erzeugen die Ströme der dritten Harmonischen Spannungsabfälle, die in Phase miteinander liegen. Dies führt zu Verzerrungen und einem Spannungsungleichgewicht am Ende der Leitung. Aus diesem Grund ist in Hochspannungsleitungen (AT) oft eine neutrale Erdung vorhanden. Das Fehlen der dritten Harmonischen im Erregerstrom deutet darauf hin, dass der Strom sinusförmig ist, wodurch der magnetische Fluss seine Sinusform verliert.

Drehstrom-Transformatoren mit Magnetkern

Betrachten wir einen Drei-Phasen-Transformator in Yy-Schaltung: Hier gibt es keinen Neutralleiter in der primären Stromleitung. Daher fließen keine Erregerströme der dritten Harmonischen. Die Flüsse der dritten Harmonischen neigen dazu, über den Luftweg zurückzukehren, was einen hohen magnetischen Widerstand darstellt. Um diese Oberschwingungen zu eliminieren, sollte die Sekundärseite im Dreieck (Delta) verbunden werden.

Verbindungen und Schaltungsarten

• a) YY (Stern-Stern): Für eine Spannung zwischen den Phasen V_L beträgt die Spannung über eine Phase V_L / √3, während in einer Delta-Schaltung die volle Spannung V_L anliegt. Der Strom in einer Y-Schaltung entspricht dem Linienstrom I_L, in der Delta-Schaltung hingegen I_L / √3. Eine Sternschaltung benötigt daher Leiter mit größerem Querschnitt, ist aber oft kostengünstiger. Die Yy-Verbindung ist vorteilhaft für die Kopplung zweier Systeme mit hohen Spannungen ohne Phasenverschiebung. Nachteile sind die Empfindlichkeit gegenüber Schieflast und Oberschwingungen.
• b) Yd (Stern-Dreieck): Diese Verbindung verhält sich gut bei Schieflast. Aufgrund der Delta-Verbindung erfährt die Sekundärspannung jedoch eine Verschiebung von 30° zur Primärspannung, was beim Parallelbetrieb berücksichtigt werden muss.
• c) Dy (Dreieck-Stern): Diese Schaltung bietet die gleichen Vorteile wie die Yd-Verbindung. Sie wird häufig in Verteilungstransformatoren eingesetzt, um einphasige Lasten und Niederspannung zu versorgen. Das primäre Dreieck gleicht Ungleichgewichte durch einphasige Belastungen aus.
• d) dd (Dreieck-Dreieck): Diese Verbindung wird für Niederspannung (BT) verwendet und ist robust gegen Schieflast.
• e) Yz (Zick-Zack-Verbindung): Wird primär auf der Niederspannungsseite in Verteilnetzen eingesetzt, um Lastungleichgewichte auszugleichen.

Parallele Kopplung von Transformatoren

Die Parallelschaltung verbessert die Effizienz und Ausfallsicherheit einer Anlage. Transformatoren laufen parallel, wenn ihre homologen Terminals sowohl primär- als auch sekundärseitig miteinander verbunden sind. Die Anforderungen für eine perfekte Parallelschaltung sind:

1. Gleiche Schaltgruppe (Stundensatz).
2. Gleiches Übersetzungsverhältnis.
3. Identische Kurzschlussspannungen.

Der Spartransformator (Autotransformator)

Ein Spartransformator besitzt eine kontinuierliche Wicklung, die sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung dient. Die Energieübertragung erfolgt teils magnetisch, teils durch direkte elektrische Verbindung. Dies spart Material (Kupfer und Eisen) und verbessert den Wirkungsgrad. Das Verhältnis zwischen dem Gewicht von Kupfer beim Spartransformator (G_a) und dem herkömmlichen Transformator (G_t) zeigt die Materialersparnis auf.

Nachteile: Geringere Kurzschlussfestigkeit und die fehlende galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niederspannungswicklung. Daher wird er meist nur bei geringen Spannungsunterschieden eingesetzt, wobei die gemeinsame Klemme geerdet werden muss.

Messwandler: Spannungs- und Stromwandler

Spannungswandler

Spannungswandler werden parallel angeschlossen und arbeiten aufgrund der hohen Impedanz der Messgeräte fast im Leerlauf. Ein sekundärer Anschluss muss geerdet sein, um Unfälle bei Kontakt zwischen Primär- und Sekundärseite zu vermeiden. Sie müssen eine präzise, proportionale Spannung liefern.

Stromwandler

Stromwandler reduzieren den Netzstrom für Messinstrumente und arbeiten praktisch im Kurzschluss. In Niederspannungsnetzen werden oft Stromzangen verwendet. Wichtig: Ein Stromwandler-Sekundärkreis darf niemals offen gelassen werden, wenn Primärstrom fließt, da dies zu gefährlichen Überspannungen führt. Vor Änderungen am Messkreis muss der Wandler sekundärseitig kurzgeschlossen werden.