Lektion 4 von 10

Transformatoren

Der Transformator ist wohl das einzige Betriebsmittel, das das moderne Energieversorgungssystem überhaupt erst möglich macht — er ist es, der es Ingenieuren erlaubt hat, "die für die Übertragung effiziente Spannung" von "die für die Nutzung sichere Spannung" zu trennen, ein Problem, das schon die allererste Lektion dieses Tracks aufgeworfen hat, ohne zu erklären, wie es gelöst wird. Diese Lektion erklärt das Bauteil selbst, bevor die nächste Lektion (das Per-Unit-System) zeigt, wie es rechnerisch aus den Berechnungen verschwinden kann.

Das Grundprinzip: gegenseitige Induktion

Ein Transformator hat keine beweglichen Teile und keine direkte elektrische Verbindung zwischen seinen beiden Seiten. Zwei Drahtspulen sind um einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt; ein Wechselstrom in der ersten (Primär-)Wicklung erzeugt einen sich ändernden magnetischen Fluss im Kern, und dieser sich ändernde Fluss induziert rein durch elektromagnetische Induktion eine Spannung in der zweiten (Sekundär-)Wicklung. Das Verhältnis der beiden Spannungen ist allein durch das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt:

Anders als die Spannung ist der Strom umgekehrt proportional zum Windungsverhältnis — ein idealer Transformator überträgt die Leistung (V × I) unverändert von einer Seite zur anderen, er tauscht lediglich Spannung gegen Strom oder Strom gegen Spannung, in einem festen Verhältnis.

Warum ein realer Transformator nicht ganz ideal ist

Reale Transformatoren weichen auf einige gut verstandene Arten vom obigen Idealverhältnis ab, die üblicherweise gemeinsam als Ersatzschaltbild dargestellt werden: Der Wicklungswiderstand verursacht I²R-Verluste (Kupferverluste); nicht der gesamte magnetische Fluss verkettet sich mit beiden Wicklungen, was eine Streureaktanz erzeugt; und der Kern selbst verbraucht bei jeder Ummagnetisierung etwas Leistung, was zu Eisenverlusten führt. Für die meisten Netzberechnungen werden diese Effekte zu einer einzigen äquivalenten Längsimpedanz zusammengefasst — genau diese Transformatorimpedanz rechnest du in der nächsten Lektion in Per-Unit um.

Dreiphasen-Transformatorschaltungen

Eine dreiphasige Transformatorbank verschaltet Primär- und Sekundärwicklung mit denselben Stern- (Y) und Dreieck-Optionen (Δ), die in der Lektion zur Dreiphasenleistung behandelt wurden — und die Wahl auf jeder Seite spielt eine große Rolle:

Yy

Stern auf beiden Seiten. Stellt auf beiden Wicklungen einen Sternpunkt bereit, bietet aber ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen keinen Pfad für umlaufende Drittoberschwingungsströme — ein möglicher Nachteil.

Dy (oder Yd)

Dreieck auf einer Seite, Stern auf der anderen — bei Verteiltransformatoren extrem verbreitet, da die Sternseite einen Sternpunkt (für Strang-Lasten) bereitstellt, während die Dreieckseite einen natürlichen Umlaufpfad für Drittoberschwingungsströme bietet.

Dd

Dreieck auf beiden Seiten. Kein Sternpunkt auf beiden Seiten, aber robust gegenüber bestimmten unsymmetrischen Zuständen — in manchen Industrie- und Mittelspannungsanwendungen eingesetzt.

Spartransformatoren in Kürze

Ein Spartransformator verwendet eine einzige, an einem Zwischenpunkt angezapfte Wicklung statt zweier elektrisch getrennter Wicklungen — günstiger und effizienter bei Anwendungen mit einem relativ kleinen Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung, auf Kosten einer direkten elektrischen Verbindung zwischen beiden Seiten (der Spartransformator verliert damit die galvanische Trennung, die ein Zweiwicklungstransformator bietet). Verbreitet in Übertragungsnetzen, die zwei relativ ähnliche Hochspannungsebenen verbinden.

Messwandler: Stromwandler und Spannungswandler

Eine eigene, kleinere Klasse von Transformatoren existiert allein, um Messung und Schutz überhaupt erst möglich zu machen: Messwandler skalieren gefährliche, schwer messbare Primärgrößen auf kleine, standardisierte, sichere Werte für Relais und Messgeräte herunter — ohne Messwandler müsste jedes Messgerät und jedes Schutzrelais so gebaut sein, dass es der vollen Netzspannung und dem vollen Netzstrom direkt standhält.

Stromwandler (CT)

Skaliert einen großen Primärstrom auf einen kleinen, standardisierten Sekundärstrom herunter (üblicherweise 1 A oder 5 A), für Schutzrelais und Messung. In Reihe mit dem zu messenden Kreis geschaltet.

Spannungswandler (VT / PT)

Skaliert eine hohe Primärspannung auf eine kleine, standardisierte Sekundärspannung herunter (üblicherweise 100 V oder 110 V), für denselben Zweck. Parallel zum zu messenden Kreis geschaltet.