Grundlegendes und Einsatzzweck
Nach dem IEV ist der Transformator ein „statisches Gerät mit zwei oder mehr Wicklungen, das durch elektromagnetische Induktion ein System von Wechselspannung und Wechselstrom in ein anderes System von Wechselspannung und Wechselstrom, gewöhnlich mit verschiedenen Werten bei derselben Frequenz, zum Zwecke der Übertragung elektrischer Energie umwandelt“.
Als eine Analogie zur Mechanik kann der Transformator als das Getriebe der Elektrotechnik gesehen werden: Die Drehzahl analog zur Spannung und das Drehmoment analog zum Drehmoment. Möchte man das eine verkleinern muss das andere entsprechend vergrößert werden. Dabei kommt es auch immer zu Verlusten.
Der primäre Einsatz von Transformatoren ist die Transformation der Spannung für die wirtschaftliche Übertragung elektrischer Energie über weite Entfernungen. Die Leitungsverluste steigen im Quadrat mit dem Strom, wird die Spannung verdoppelt braucht man nur den halben Strom um die gleiche Leistung zu übertragen.
Sekundär wird der Transformator auch eingesetzt:
- zur Spannungsregelung
- zur Begrenzung der Kurzschlussleistung
- zur Galvanische Trennung und Sternpunktbehandlung
Abb 1. 220-kV Transformator (auch Umspanner genannt) der Firma Siemens im Umspannwerk Homburg
Es gibt verschiedene Arten von Transformatoren, in Teil 1 wird nur der Standard und einfachste Fall behandelt: der Zweiwicklungstransformator als Volltransformator. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Zweiwicklungstransformators mit Primär- und Sekundärwicklung. Der magnetische Hauptfluss wird durch den Eisenkern geleitet und erzeugt eine induzierte Spannung in der Sekundärwicklung. Neben dem Hauptfluss gibt es Streuflüsse, die sich um die Wicklungen herum bilden.
Abb 2. Schematischer Aufbau eines Transformators mit Primär- und Sekundärwicklung
Schließlich kann der Transformator in ein Ersatzschaltbild überführt werden. Abbildung 3 zeigt das Ersatzschaltbild. Es enthält den idealen Transformator, der die Spannungs- und Stromgrößen ideal mit dem Übersetzungsverhältnis transformiert. Die Längswiderstände stellen die ohmschen Widerstände der Kupferwicklungen dar. Der Querwiderstand stellt die Eisenverluste (fe – ferrum) dar, die sich aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammensetzen.
Abb 3. Ideales Ersatzschaltbild eines Zweiwicklungstransformators
Abbildung 4 zeigt die Veranschaulichung der Wirbelströme im Eisenkern des Transformators, einmal mit festen Eisenkern (links) und einmal mit „laminierten“ Eisenkern (rechts). Der Wiederstand der Strompfade wird damit erhöht, es fließt ein kleinerer Strom und es werden weniger andere Ströme induziert.
Abb 4. Wirbelströme im Eisenkreis (links) und reduzierte Wirbelströme durch „laminierten“ Eisenkern (rechts)
Abbildung 5 zeigt das gleiche Ersatzschaltbild, jedoch mit den transformierten Sekundärgrößen. Die Größen werden mit Hilfe von Übersetzungsverhältnissen transformiert. Dies ist das am häufigsten verwendete Ersatzschaltbild.
Abb 5. Ersatzschaltbild eines Zweiwicklungstransformators mit transformierter Sekundärgrößen
Um diese Größen aus dem Ersatzschaltbild zu bestimmen, werden der sogenannten Kurzschlussversuch und Leerlaufversuch durchgeführt. Im Leerlaufversuch wird an der Primärseite die Bemessungsspannung angeschlossen, die Sekundärseite ist offen. Es fließt ein Strom, der sich über den Eisenwiderstand und die Hauptfeldreaktanz schließt und an den Klemmen gemessen werden kann. Bei dem Kurschlussversuch wird die Sekundärseite kurzgeschlossen und die Spannung an der Primärseite solange erhöht, bis der Bemessungsstrom erreicht wird, siehe Abb. 6. Die Querimpedanz ist dabei deutlich größer, als die Streufeldimpedanz und der Kupferwiderstand auf der Sekundärseite, weshalb unter Vereinfachung die Querimpedanz zur Berechnung auch vernachlässigt werden kann. Um wirklich genau zu berechnen, werden keine Größen vernachlässigt und es erfolgt auch ein Kurzschlussversuch, wo die Primärseite kurzgeschlossen wird und auf der Sekundärseite fließt der Bemessungsstrom.
Abb 6. Ersatzschaltbild für die Kurzschlussversuch