Dreiphasige Transformatoren

Drehstromtransformatoren sind passive Maschinen, die elektrische Energie zwischen Stromkreisen übertragen. Im Sekundärkreis induziert ein magnetischer Fluss eine elektromotorische Kraft (EMK) und erhöht (erhöht) oder erniedrigt (erniedrigt) so die Spannung, ohne die Frequenz zu verändern. Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Systemen, und daher müssen Transformatoren mit kompatiblen Systemen zusammenarbeiten. Ein Drehstromtransformator arbeitet mit einem dreiphasigen Wechselstromsystem, um die Verbraucher mit stabilem und gerätesicherem Strom zu versorgen. Je nach Branche oder Anwendung unterscheiden sich Größe, Ausführung, Volt-Ampere-Nennleistung und Belastbarkeit des Drehstromtransformators.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Drehstromtransformator?
• Was ist das dreiphasige elektrische System?
• Bedeutung des Faraday'schen Induktionsgesetzes
• Drehstromtransformator-Typen
• Aufbau eines Drehstromtransformators
• Konfigurationen
• Anwendungen
• FAQs

Was ist ein Drehstromtransformator?

In einigen Gleichstrom-Gleichrichtungstransformatoren können Spannungswandler für eine einzelne Phase oder für zwei, drei, sechs und sogar komplexe Kombinationen von bis zu 24 Phasen gebaut werden. Bei der Stromerzeugung, -verteilung und -übertragung kann dreiphasig gearbeitet werden, was als 3φ oder 3-Phasen bezeichnet wird. Ein 3-Phasen-Transformator arbeitet mit einem dreiphasigen Stromnetz, und sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen haben drei Wicklungssätze.

Was ist das dreiphasige elektrische System?

Dreiphasige und einphasige elektrische Systeme arbeiten mit Wechselstrom (AC). Wechselstrom hat im Allgemeinen die Form einer Sinuswelle, aber auch andere Wellenformen wie Rechteck, Dreieck und komplexe Wellen können erzeugt werden. Wechselstromsignale haben drei wichtige Eigenschaften: Amplitude, Periode und Frequenz. Die Amplitude beschreibt das Ausmaß der Welle. Die Periode ist die Zeit, in der eine vollständige Schwingung auftritt, während die Frequenz die Anzahl der Zyklen pro Sekunde angibt.

Eine vollständige Wechselstromschwingung hat sowohl eine Spitze als auch einen Tiefpunkt. Bei dem üblichen 360°-Zyklus liegen diese Punkte bei 90° und 270°. Das einphasige System hat eine einzige Spitze und ein einziges Tal innerhalb eines Leiters, und diese Punkte erfahren maximale Größen, aber in entgegengesetzte Richtungen. dreiphasige Systeme hingegen haben drei Spitzen und Senken auf drei Leitern. Spannungen und Ströme liegen um 120° vor oder hintereinander (Abbildung 2).

Bedeutung des Faraday'schen Induktionsgesetzes

Der Betrieb aller Arten von Transformatoren unterliegt dem Faradayschen Induktionsgesetz, das besagt, dass die Größe der in einem Stromkreis induzierten Spannung direkt proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses ist, der den Stromkreis durchschneidet.

Ein Leiter, der sich in der Nähe eines sich ändernden Magnetfeldes befindet - zum Beispiel von einem mit Wechselstrom betriebenen Elektromagneten - wird daher einen elektrischen Strom erzeugen. Elektromagnetische Schaltungen dieser Art werden als Primärwicklungen bezeichnet.

Da der elektrische Strom zusammenbricht und kontinuierlich mit einer bestimmten Frequenz erzeugt wird, bricht das Magnetfeld zusammen und baut sich in ähnlicher Weise wieder auf. Dieses magnetische Wechselfeld induziert einen Strom in den Leitern, die von diesem Fluss durchschnitten werden; man nennt sie dann Sekundärwicklungen. Die Frequenz ist bei beiden Wicklungen gleich.

Drehstromtransformator-Typen

Dreiphasentransformatoren können je nach ihrer Konstruktion in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Es gibt zwei Arten von 3-Phasen-Transformatoren: den Kerntransformator, bei dem Primär- und Sekundärwicklungen auf einen Kern gewickelt sind, und den Manteltransformator, der drei 1-Phasen-Transformatoren kombiniert.

Kerntyp

Bei Drehstromtransformatoren mit Kern hat der Kern drei Schenkel, die in derselben Ebene liegen. Jedes Glied enthält Primär- und Sekundärwicklungen, die gleichmäßig auf die drei Glieder verteilt sind. Es ist nicht ungewöhnlich, dass man von Hochspannungs- (HV) und Niederspannungswicklungen (LV) hört.

Da eine Niederspannungswicklung leichter zu isolieren ist, liegen diese Wicklungen näher am Kern als die Spulen für höhere Spannungen. Die letzteren Wicklungen wickeln sich um die ersteren, mit isolierendem Material zwischen ihnen. Bei dieser Konstruktion sind die Wicklungen magnetisch miteinander verbunden, wobei eine Wicklung das andere Schenkelpaar als Rückleitung für ihren magnetischen Fluss nutzt (siehe Abbildung 3).

Muscheltyp

Der 3-Phasen-Transformator in Schalenbauweise besteht aus drei separaten 1-Phasen-Transformatoren. Die Magnetfelder der drei Phasen dieses Transformators sind praktisch unabhängig voneinander, und der Kern dieses Transformators hat fünf Schenkel.

Die Hoch- und Niederspannungswicklungen befinden sich um die drei Hauptschenkel. Wie beim 3-Phasen-Gerät mit Kern befindet sich die Niederspannungsspule am nächsten zum Kern. Die beiden äußersten Schenkel dienen als Rücklaufwege für den Fluss.

Der magnetische Fluss teilt sich in zwei Teile, wenn sich das Feld dem Joch nähert. Es ist üblich, dass die äußeren Gliedmaßen und das Joch halb so groß sind wie die Hauptgliedmaßen. Sie können die Höhe des Transformators verringern, indem Sie die Größe des Jochs reduzieren.

Der Aufbau des Drehstromtransformators

Neben dem Kern und den Wicklungen gibt es weitere wichtige Teile in einem Transformator, die im Folgenden erläutert werden:

• Isolierung Dieser Teil dient als Barriere, die die Wicklungen vom Kern trennt.
• Transformatorenöl: Das Transformatorenöl hat zwei Hauptfunktionen: Isolierung und Kühlung. Die Isolationseigenschaften des Öls verhindern Kurzschlüsse und Lichtbögen. Dieses Öl wirkt als Kühlmittel, indem es die Wärme vom Kern und den Wicklungen ableitet.
• Thermometer Thermometer überwachen die Temperatur des Öls.
• Druckentlastungssysteme: Druckentlastungssysteme sind Teil des Sicherheitsprotokolls. Sie entschärfen Überdrucksituationen, wenn Öl aufgrund von Kurzschlüssen aufblitzt.
• Kühler: Das Kühlsystem kühlt das Kühlmittel. Er kühlt das heiße Öl über wasser- oder luftgekühlte Rohre ab. Das Kühlmittel wird dann in den Kern und die Wicklungen zurückgeführt.
• Panzer: Der Tank schützt die Transformatorwicklungen und den Kern vor äußeren Einflüssen und enthält das Kühlmittel.
• Öl-Konservator: Der Ölkonservator ist ein vom Tank getrennt installierter Behälter. Es hilft, das Öl zu halten, nachdem es sich durch die Erwärmung der Wicklungen und des Kerns ausgedehnt hat.
• Spannungsregler: Spannungsregler verändern die Ausgangsspannung, die unter Last tendenziell abnimmt. Durch die Veränderung der Anzapfungen mit einem Stufenschalter wird das Spannungsverhältnis angepasst.
• Gas betätigtes Relais: Gas betätigte Relais haben einen anderen Namen - das Buchholz-Relais. Es hält freigesetztes Gas zurück, das aus dem Transformatoren tank sprudelt, und das Auftreten dieses freien Gases weist auf ein Problem mit dem Transformator hin.
• Entlüfter: Entlüfter sorgen dafür, dass das Transformatoren Öl trocken bleibt. Diese Entlüfter entfernen die Feuchtigkeit aus den Lufteinschlüssen über dem Ölstand des Konservators.

Konfigurationen

Es gibt zwei wichtige Anschlüsse für diese Drehstrommaschinen: die Stern- und die Dreieckskonfiguration.

Die Sternschaltung wird auch als Sternschaltung bezeichnet. Sie hat vier Anschlüsse, aber drei Wicklungen. Die drei Wicklungen bilden die drei Phasen des Stromkreises, während die vierte Klemme die Klemme ist, an der sich die anderen drei Wicklungen treffen; sie ist der gemeinsame Nullpunkt.

Die Dreieckschaltung, auch als Maschenschaltung bekannt, ist eine Verbindung von drei Wicklungen, deren Enden miteinander verbunden sind, so dass eine geschlossene Schleife entsteht. Er hat drei Klemmen und Wicklungen ohne neuralgischen Punkt und verwendet stattdessen Erdungsanschlüsse. Die Dreieckschaltung wird in Systemen mit hohen Beinen konfiguriert, indem der Mittelpunkt einer Phase geerdet wird, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Spannungs- und Strommerkmale

Die Verdrahtung von 3-Phasen-Transformatoren in Stern- oder Dreieckschaltung hat ihre Vor- und Nachteile. Die Kenntnis der Phasen- und Leitungsströme und -spannungen ist für die Wahl des richtigen Systems für Ihre Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Die Phasenströme und -spannungen werden über eine Komponente gemessen, während die Leitungsparameter über zwei Klemmen gemessen werden. Tabelle 1 veranschaulicht die Beziehungen zwischen diesen Merkmalen:

Tabelle 1: 3-phasige Spannungs- und Stromkennlinien

Anschluss	Phasenspannung	Netzspannung	Phasenstrom	Netzstrom
Stern	VP = VL / √3	VL = √3 * VP	IP = IL	IL = IP
Delta	VP = VL	VL = VP	IP = IL / √3	IP = √3 * IL

• VL: Spannung zwischen den Leitungen (Netzspannung)
• VP: Phase-Neutral-Spannung (Phasenspannung)
• IL: Netzstrom
• IP: Phasenstrom

Zusätzlich zu den Spannungen und Strömen benötigt ein 3-Phasen-Transformator-Rechner einen weiteren Parameter, um das Gerät richtig zu dimensionieren - das Windungsverhältnis (TR). Da ein Transformator eine lineare Maschine ist, können die Spannungen in den Sekundärwicklungen anhand der Primärspannungen und des Windungsverhältnisses bestimmt werden. Es ist das Verhältnis der Windungen der Sekundär- und der Primärwicklung.

wicklungsdiagramme für 3-Phasen-Transformatoren

Die Primär- und Sekundärwicklungen in einem Dreiphasentransformator können entweder unterschiedlich oder gleich konfiguriert sein. Die vier wichtigsten Permutationen sind:

Stern-Stern-Konfiguration (Y -Y)

Die Primär- und Sekundärspulen sind im Sternsystem gewickelt. Er hat den großen Vorteil, dass er auf beiden Seiten des Transformators einen neutralen Anschluss besitzt, der die Erdung ermöglicht. Durch die Erdung werden Verzerrungen in der Wellenform beseitigt. Im ungeerdeten Zustand ist der Betrieb eines solchen Transformators zufriedenstellend, wenn die drei Lasten auf den drei Phasen ausgeglichen sind. Es ist hauptsächlich für kleine Hochspannungstransformatoren gedacht.

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS: Sekundäre Spannung
• VP: Primäre Spannung
• IS: Sekundärstrom
• IP: Primärstrom

Dieser Anschluss reduziert die Anzahl der Windungen, da die Phasenspannung 1/√3 der Netzspannung beträgt. Auch die erforderliche Isolierung wird verringert.

Delta-Delta-Konfiguration (Δ-Δ)

Die Primär- und Sekundärspulen befinden sich im Deltasystem. Dieses System ist für große Niederspannungstransformatoren gedacht und verwendet eine größere Anzahl von Windungen als der Y-Y-Typ. Ein Vorteil dieser Verbindung ist, dass sie mit unsymmetrischen Lasten auf den Phasen kompatibel ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die 3-Phasen-Lasten auch bei abgeschaltetem Transformator weiter versorgt werden können. Dies geschieht in der Regel in der offenen Dreieckskonfiguration bei reduzierten Kapazitäten.

In einer Delta-Delta-Konfiguration:

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS: Sekundäre Spannung
• VP: Primäre Spannung
• IS: Sekundärstrom
• IP: Primärstrom

Wye-Delta- oder Star-Delta-Konfiguration (Y-Δ)

Bei dieser Konfiguration ist die Primärwicklung im Stern geschaltet und an ihrem Nullleiter geerdet. Die Sekundärwindungen sind im Dreiecksystem angeschlossen. Sein Hauptanwendungsgebiet ist die Spannungsabsenkung auf der Umspannwerksseite der Stromübertragung.

Die Sekundär- und Primärspannungen stehen in einem Verhältnis von 1/√3 mal dem Übersetzungsverhältnis des Geräts. Außerdem gibt es eine 30-Grad-Verschiebung zwischen den Primär- und Sekundärspannungen.

Dreieck-Stern- oder Dreieck-Stern-Konfiguration (Δ-Y)

Die Primärwicklung ist im Dreieck und die Sekundärwicklung im geerdeten Stern geschaltet. Er wird hauptsächlich in Aufwärtstransformatoren verwendet, die sich dort befinden, wo die Übertragungsleitung ihren Ursprung hat. Die Sekundär- und Primärspannungen stehen in einem Verhältnis, das dem √3-fachen Übersetzungsverhältnis des Geräts entspricht. Wie beim Wye-Delta-Transformator gibt es auch hier eine 30-Grad-Verschiebung zwischen Primär- und Sekundärspannungen.

Neben den vier Hauptvarianten gibt es zwei weitere Konfigurationen. Die anderen sind ein Produkt der Veränderung der primären Dreieck- und Sternwicklungen. Sie umfassen:

Offene Dreieckschaltung (V-V)

In diesem System gibt es zwei Transformatoren. Die V-V-Verbindung kommt ins Spiel, wenn einer der Transformatoren ausgeschaltet ist, aber dennoch ein regulärer Lastbetrieb erforderlich ist. Der Dienst wird so lange fortgesetzt, bis eine Reparatur oder ein Ersatzgerät installiert wird.

Diese Konfiguration kann kleine dreiphasige Lasten unterstützen, bei denen die Installation einer kompletten dreiphasigen Transformatorbank nicht notwendig ist. Seine Tragfähigkeit beträgt 57,7 % der gesamten Delta-Delta-Verbindung.

Scott-T (T-T) Verbindung

In diesem 3-Phasen-Transformator-Wicklungssystem werden zwei Transformatoren verwendet. Der eine hat Mittelanzapfungen an den Primär- und Sekundärwicklungen und wird als Haupttransformator bezeichnet. Der andere Transformator, der so genannte Teaser-Transformator, hat einen Abgriff von 0,87. Der Teaser-Transformator arbeitet mit 87 % der Nennspannung.

Es wird verwendet, wenn ein dreiphasiges System mit einem zweiphasigen System zusammengeschaltet wird. Die Versorgung eines Elektroofens, der mit einem Zweiphasensystem arbeitet, ist eine typische Anwendung für einen T-T-Anschluss.

Hochbeinige Dreieckschaltung

Eine hochschenklige Dreieckschaltung entsteht, wenn die im Dreieck geschaltete Sekundärseite mittig angezapft wird; diese Anzapfung ist dann mit der Erde verbunden. Eine solche Konfiguration erzeugt eine 3-phasige Versorgung (Dreieckschaltung) und eine 1-phasige Versorgung.

Sowohl gewerbliche als auch private Verteilungssysteme nutzen diese Verbindung. Die Verbraucher können 240 V (Netzspannung) für große Maschinen oder 120 V (Phasenspannung) für kleinere Geräte oder Beleuchtung erhalten, ohne dass ein zusätzlicher Transformator erforderlich ist.

Anwendungen

Drehstromtransformatoren sind vielseitige Maschinen, die in vielen Bereichen zum Einsatz kommen. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

1. Bei der Stromerzeugung und -übertragung werden Drehstromtransformatoren eingesetzt.

2. Dreiphasentransformatoren können in vielen Industriezweigen Spannungen hoch- oder heruntertransformieren. Diese Transformatoren werden u. a. im Bergbau, in der Druckindustrie, in der Textilindustrie, in Aufzügen, in der industriellen Automatisierung und in der Petrochemie eingesetzt.

3. Da der Drehstromtransformator durch seine interne Kopplung Rauschen und hochfrequente Impulsstörungen ausschließen kann, ist er für den Bau von Präzisionswerkzeugmaschinen unerlässlich. Vorhanden in industriellen Hochleistungs-Lastsystemen wie Motorantrieben, Gleichrichtern und anderen Geräten.

FAQs

Kann ein Dreiphasen-Transformator eine einphasige Quelle nutzen, um dreiphasigen Strom zu liefern?

Es ist nicht möglich, einphasige Eingangsspannungen so umzuwandeln, dass sie am Ausgang des Transformators dreiphasigen Strom liefern. Bei der Umwandlung eines Einphasensystems in ein Dreiphasensystem werden Phasenschieber oder Phasenwandler wie Kondensatoren und Drosseln benötigt.

Können Drehstromtransformatoren mit höheren Frequenzen als der Nennfrequenz betrieben werden?

Es ist möglich, Drehstromtransformatoren bei höheren Frequenzen als den Nennwerten zu verwenden. Doch je höher die Frequenz über den Nennwert hinausgeht, desto geringer ist die Spannungsregelung.

Was bedeutet Impedanz, wenn es um Drehstromtransformatoren geht?

Die Impedanz ist eine Stromwiderstands-/Begrenzungseigenschaft des Transformators und wird in der Regel in Prozent angegeben. Dieser Parameter bestimmt das Ausschaltvermögen einer Sicherung oder eines Leistungsschalters zum Schutz der Primärwicklungen des Transformators.