Elektrische Maschinen Teil: 1 u. 2

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Prof. Dr.-Ing. E. Nolle 2-4 Elektrische Maschinen Zylinderwicklung Scheibenwicklung Bild 2.6 Wicklungskonzepte bei Transformatoren [Quelle: Moeller] 1 Oberspannungswicklung 2 Unterspannungswicklung 2.1.3 Kühlung Zwar haben Transformatoren von allen elektrischen Maschinen die besten Wirkungsgrade, doch fallen trotzdem u. U. recht große Verlustleistungen an, die eine wirksame Kühlung erfordern. So weisen z. B. große Netzkupplungstransformatoren mit PN = 100 MVA trotz ihres guten Wirkungsgrades von η ≈ 99 % Verlustleistungen in der Größenordnung Pv ≈ 0,01 PN ≈ 0,01 100 MVA = 1 MW auf, so dass hier nur Öl gekühlte Ausführungen in Frage kommen. Demgegenüber werden Kleintransformatoren aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt für Luftkühlung konzipiert. Für die genauen Zusammenhänge siehe hierzu auch Abschnitt 6.3. 2.1.4 Konstruktionsteile Insbesondere im Bereich der Kleintransformatoren sind außer den Elektroblechen und Lackdrähten auch die wichtigsten Konstruktionsteile wie: - Befestigungswinkel - Spulenkörper - Anschlussklemmen - Sicherheitsabdeckungen usw. genormt. Diese Teile können dann in großen Stückzahlen gefertigt werden und sind preisgünstig verfügbar. Demgegenüber sind Großtransformatoren meist Sonderkonstruktionen, die meist anwendungsspezifisch konzipiert und als Einzelstücke hergestellt werden. Neuerdings versucht man jedoch auch hier Standardkomponenten mit Hilfe des Baukasten-Konzeptes möglichst für mehrere Ausführungen zu verwenden, um so eine schnelle und rationelle Fertigung zu ermöglichen.
Prof. Dr.-Ing. E. Nolle 2-5 Elektrische Maschinen 2.2 Wirkungsweise Transformatoren sind die konsequente Anwendung des Induktionsgesetzes für ruhende Anordnungen. Sie bestehen nach Bild 2.7 aus - der Primärwicklung, die als Verbraucher vom speisenden Netz bzw. Generator elektrische Leistung gegebener Spannung u1 beim Strom i1 aufnimmt und im Kern ein zeitlich veränderliches Magnetfeld aufbaut, - dem weichmagnetischen Kern, der das Magnetfeld möglichst gut bei minimalen Verlusten leitet und - der Sekundärwicklung, in der entsprechend dem Induktionsgesetz eine Quellenspannung induziert wird und die so an einen etwaigen Lastkreis elektrische Leistung bei der Spannung u2 und dem Strom i2 abgeben kann. 2.2.1 Idealer Transformator Die grundlegenden Zusammenhänge lassen sich besonders einfach am idealen Transformator erkennen, für den folgende Idealisierungen gelten: - der Kern leitet das Magnetfeld perfekt und ohne Verluste (μrFe→∞; PvFe→0) - die Wicklungen bestehen aus elektrisch perfekt leitendem Material (κCu→∞) und - die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen ist vollkommen (keine Streufelder). Prim.- Wickl. u 1 i 1 elektr. Energie Bild 2.7 Wirkungsweise des Transformators Mit den in Bild 2.7 eingetragenen Zählrichtungen gilt dann allg. mit dΨm1 dΦ dB u1 = = N1 = N1 AFe dt dt dt dΨm 2 dΦ dB u2 = = N2 = N2 AFe = N2 dt dt dt für das Übersetzungsverhältnis des Transformators u1 N1 ü = = . u2 N 2 u1 N1 Weiterhin erfordert ein idealer Kern keine resultierende Durchflutung, so dass mit den festgelegten Zählrichtungen für den Strom in Richtung des Leistungsflusses gilt: Θ1 + Θ2 = N1i1 − N 2i2 = 0 i1 N 2 1 = = . i N ü 2 1 magn. Energie magn. Fluss Eisenkern Verläuft der magnetische Fluss bzw. die Flussdichte im idealen Transformator gemäß Φ () t = AFe B() t = AFe Bˆ sinω t sinusförmig, so gilt dies, abgesehen von einer Zeitverschiebung, auch für die Spannungen . Sek.- Wickl. i 2 u 2 elektr. Energie
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