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Kurzschluss, Leerlauf, unsymmetrische Belastung und M3-Brücke in ... Bild 2-3: Magnetische Flüsse im Transformator am Leerlauf. : Hauptfluss,.
Art: Skripte
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Faculty of Engineering and Computer Science Department of Information and Electrical Engineering
Fakultät Technik und Informatik Department Informations- und Elektrotechnik
Asim Gül
Drehstromtransformator
Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorprüfung im Studiengang Informations- und Elektrotechnik am Department Informations- und Elektrotechnik der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Betreuender Prüfer : Prof. Dr.-Ing. Gustav Vaupel Zweitgutachter : Prof. Dr. Henry Reetmeyer Abgegeben am 02.0 6.
Danksagung (^4)
Für die freundliche Unterstützung bedanke ich mich zunächst bei meinem betreuenden Professor Dr.- Ing. Gustav Vaupel und Herrn Dipl. Ing. Frank Korpel für die notwendigen Hilfestellungen.
Ferner bedanke ich mich bei meinem Zweitgutachter Prof. Dr.-Ing. Henry Reetmeyer.
Ein besonderes Dankeschön geht an meine Familie, meine Frau, meine Freunde und natürlich auch an Havva und Yusuf Cengiz, die mich moralisch unterstützt und motiviert haben und auf die ich mich immer verlassen kann.
Diese Abschlussarbeit widme ich meinen Eltern, die mich so gut es ging, unterstützen…
Bild 4-16: Bestimmung der Kurvenform des Magnetisierungsstromes a) zeitlich
Einleitung (^10)
Elektrische Maschinen, Transformatoren, Spulen sowie Elektromagnete basieren auf zwei Grundgesetze, Faraday’sches Induktionsgesetz und Ampère’sche Gesetz. Motoren und Generatoren haben dynamische Systeme, wohingegen Transformatoren statische Systeme haben. Transformatoren sind eine direkte Umsetzung des Faraday’schen Induktionsgesetzes, welches die Elektromagnetische Kraft beschreibt und die Berechnungen bei elektrische Maschinen, Induktoren und Generatoren definiert. Alle elektrischen Maschinen und Transformatoren und Gleichrichter sind Energieumwandlungssysteme. Ein Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie und ein Elektromotor hingegen die elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Transformator wandelt die elektrische Energie mit Wechselspannung und einer Frequenz in unterschiedliche Wechselspannung mit gleicher Frequenz. Ein Gleichrichter dagegen richtet die Wechselspannung in Gleichspannung. Es ist also möglich, mit Transformatoren die elektrische Energie mit Wechselspannung in Wechselspannungssystem umzuändern, wobei die Frequenz gleich bleibt.
Allgemeine Gesetze (^11)
Allgemein lässt sich das Ampère’sche Gesetz durch das Integral um das magnetische Feld, das die Summe der im magnetischen Feld fließenden Ströme ist, beschreiben.
Bild 2 - 1 : Darstellung des Ampère’schen Gesetzes
Das Ampère’sche Gesetz bezieht sich auf den Zusammenhang zwischen der Durchflutung und die daraus resultierende magnetische Feldstärke H.
d
Das Produkt ist die eigentliche Größe des magnetischen Feldes und diese ergibt die Durchflutung, die auch Gesamtflutung , bzw. Magnetfeld genannt wird. Die Durchflutung einer Wicklung wird berechnet, in dem praktisch der Strom mit der Wicklungszahl multipliziert wird. Das Flächenintegral der Stromdichte ist der allgemeine Ausdruck der Durchflutung. Die Stromdichte J und der Flächenanteil dA sind vektorielle Größen. Das Skalar-Produkt von und ergibt in Skalarform. Falls die Stromdichte J konstant und senkrecht zu der Fläche ist, dann vereinfacht sich die Formel. Wird der Schnitt eines Leiters durch die Bezeichnung
Allgemeine Gesetze (^13)
Der Strom, der von der induzierten Spannung verursacht wird, liegt stets gegen die Flussänderung. Es ist hier zu beachten, dass der Strom nicht gegen den Fluss, sondern gegen die Flussänderung liegt
Das Flächenintegral der Induktion ist allgemeiner Ausdruck des magnetischen Flusses. Auch hier gilt, dass die Induktion und der Flächenanteil vektorielle Größen sind. Das Skalar-Produkt von Induktion und Fläche ergibt den Fluss in Skalar-Form. Der Flächenvektor ist stets senkrecht zur Flächenoberfläche. Falls die Flussdichte B konstant ist und ein Winkel von mit der Flächensenkrechte bildet, dann verkürzt sich die Formel. Ist die Flussdichte B senkrecht zu der Flächenebene, ist der Fluss gleich der Multiplikation von der Induktion und der Fläche.
Der magnetische Fluss in einem Schnitt oder der elektrische Strom hängt von der vektoriellen Lage dieses Schnitts ab.
Diese drei Flächen haben immer geschlossene Flächenlinien, d.h. diese Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende. Die magnetische Flussdichte B ergibt sich aus der Multiplikation von der magnetischen Leitfähigkeit μ, auch Permeabilität , bzw. Magnetismus genannt, und der magnetischen Feldstärke H.
Magnetisches Feld hat zwei wichtige Auswirkungen:
Bild 2 - 2 : Darstellung des Faraday’schen Gesetzes
Allgemeine Gesetze (^14)
Die Ursache dieser Auswirkungen ist nicht die Feldstärke , sondern die
Größe.
Die magnetische Feldkonstante μ 0 definiert das Verhältnis von der magnetischen Flussdichte B zu der magnetischen Feldstärke H. Die Permeabilitätszahl μr, auch relative Permeabilität genannt, ist eine dimensionslose Größe und stellt das Verhältnis von der magnetischen Leitfähigkeit einer Materie zu der magnetischen Feldkonstante dar.
Um überhaupt funktionieren zu können, brauchen Elektrische Maschinen und Transformatoren einen bestimmten magnetischen Fluss Φh. Dass dieser magnetische Fluss von der Durchflutung verursacht wird, ist oben bereits erwähnt. Da der magnetische Kreis des Transformators sehr einfach ist, ist die Anwendung dieses Gesetztes auf Transformatoren ist relativ unkompliziert. In den konstanten Flächen bleibt die Induktion entlang des magnetischen Kreises unverändert. Der Luftspalt an den Verbindungspunkten des Eisenblechs kann vernachlässigt werden. Im Folgenden wird die Formel für den Erregerstrom am magnetischen Kreis mit der konstanten Fläche A und der Länge l eines Transformators angegeben: (s. Bild 2- 2 )
Der Erreger- bzw. Magnetisierungsstrom ist proportional zu der Länge des magnetischen Kreises und ist umgekehrt proportional zu der Fläche.
Aufgabenstellung (^16)
von den vektoriellen Größen, magnetische Feldstärke H und der Strom I, erhalten wird. Es ist auch möglich beide Größen H und I auch arithmetisch zu multiplizieren, da sie praktisch vektoriell in gleicher Richtung sind.
Im Rahmen der Bachelorarbeit werden folgende Punkte hinsichtlich der Labordurchführungen parallel zu der Lehrveranstaltung im Fachbereich Energietechnik untersucht:
Bestimmung der Ersatzparameter der einphasigen Ersatzschaltbilder Unterschiedliche Schaltgruppen Einschaltverhalten in Abhängigkeit von Phasenwinkel Wirkungsgrad Unsymmetrische Belastung abhängig von Schaltgruppen Theorie der symmetrischen Komponenten
Transformatoren, auch Umspanner genannt, sind eine Art von elektrischen Maschinen, welche die elektrische Energie mit der Spannung auf der Primärseite in die Spannung auf der Sekundärseite umwandelt. Dabei ändert sich nicht die Frequenz. Diese Energieübertragung erfolgt über ein magnetisches Feld. Die Kerngröße der Transformatoren ist der magnetische Fluss und die Analyse eines Transformators basiert auch im Allgemeinen auf dieser Größe.
Einphasentransformatoren haben keine Schaltgruppen. Aus dem Grund, dass die Drehstromtransformatoren auf Einphasentransformatoren basieren, wird hier nicht in die Details eingegangen. Die im Kapitel 4.5 und 4.6 bearbeiteten Themen gelten auch für einen Einphasentransformator.
Transformatoren (^17)
In Drehstromnetzen werden für die Umwandlung des dreiphasigen Spannungssystems Drehstromtransformatoren verwendet. Die Primär- und Sekundärwicklungen, bzw. Ober-und Unterspannungswicklungen sind auf drei Schenkeln, die mit Jochen in einem Eisenkreis miteinander verbunden sind, bewickelt. Diese Wicklungen der Drehstromtransformatoren können in Stern (Y) oder Dreieck (Δ) geschaltet werden. Die Verbindungsform der Primär- und Sekundärwicklungen werden unabhängig voneinander gewählt.
Bild 4-1: Aufbau Drehstrom-Dreischenkeltransformator
Da der magnetischer Fluss jeder einzelnen Phase des Drehstromtransformators, der aus drei gleichen Einphasentransformator zusammengeführt wurde, einen getrennten magnetischen Kreis bildet, werden die getrennten magnetischen Flüsse voneinander nicht beeinflusst. Aus diesem Grunde gibt es keine magnetische Kopplung zwischen den Phasen. In Dreiphasensystemen liegt zwischen den Spannungen eine Phasenverschiebung von 120 o.^ Daraus folgt, dass auch zwischen magnetischen Flüssen eine Phasenverschiebung von 120o^ liegt.
In der folgenden Abbildung sind zwei unterschiedliche Bauformen der Drehstromtransformatoren dargestellt. Der Dreischenkelkern- Transformator ist eine weitverbreitete Bauform. Fünfschenkelkerntransformatoren sind für sehr große Leistungen ausgeführt.
Bild 4-2: a) Dreischenkelkern; b) Fünfschenkelkern
Transformatoren (^19)
Bild 4 - 3 : Drehstromtransformator zur Testdurchführung, Offenes Gehäuse
Bild 4 - 4 : Drehstromtransformator, Offenes Gehäuse mit Anzapfungen
Für Transformatoren gelten unter DIN VDE 0532 bestimmten Normen.
Transformatoren (^20)
In Ober- und Unterspannungswicklungen der Drehstromtransformatoren können beidseitig Stern- (Y) und Dreieckswicklungen (Δ) verwendet werden. Zick-Zack- Schaltungen wird in der Unterspannungsseite geschaltet. Die Schaltungsanordnung gibt die Schaltgruppen an, wobei diese bei dem Parallelbetrieb mehrerer Transformatoren wichtige Rolle spielen.
Die Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren teilen sich in vier Hautgruppen auf, denen die Kennzahlen 0, 5, 6 und 11 zuzuordnen sind. Diese Kennzahlen geben die Gruppenwinkel an. In der Schaltgruppe 0 ist die Phasenverschiebung zwischen den primär- und sekundärseitigen Phasen gleich Null. Das heißt, die jeweiligen Phasenwicklungen an den Primär- und Sekundärseiten liegen in der gleichen Phase. Dem Entsprechend ist der Gruppenwinkel gleich 150o^ für die Schaltgruppe mit der Kennzahl 5. Für die Schaltgruppe 6 ist der Gruppenwinkel gleich 180o^ und 330o^ für die Schaltgruppe mit der Kennzahl 11. Es deutet also darauf hin, dass der Gruppenwinkel berechenbar ist, in dem die entsprechenden Gruppenkennzahlen mit 30o^ multipliziert werden. Daraus folgt, dass die Kennzahlen den Gruppenwinkel angeben.
Bild 4-5: Bestimmung der Kennzahl bei Schaltgruppe Dy [2]
Die Schaltgruppen mit den Kennzahlen 0 und 5 sind praktisch in der Lage alle Anforderungen erfüllen zu können.
Yy0: Kleine Verteilungstransformatoren. Der Sternpunt kann nicht voll belastet werden.
Yz5: Kleine Verteilungstransformatoren. Der sekundärseitige Sternpunkt kann voll belastet werden.
Dy5: Werden in Kraftwerken und Trafo-Stationen verwendet. Nicht für Verteilung geeignet.
