Wiki

Der Kern eines Transformators hat die Aufgabe den magnetischen Kreis zu schließen und dabei möglichst den Wirkungsquerschnitt des magnetischen Feldes ganz auszufüllen. Der Trafokern ist meistens in Bleche aufgeteilt, die aus einem magnetischen Werkstoff bestehen. Man verwendet als Kernmaterial eine Eisenlegierung mit Silizium, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen (Wirbelstromverluste). Dieses Material kann nach einem speziellen Verfahren kaltgewalzt werden, wodurch es eine magnetische Vorzugsrichtung bekommt.
Je größer ein Transformator ist, desto mehr wird sein Kernquerschnitt der Kreisform angenähert. Dies geschieht durch Abstufen des Kerns (Stufenkern). Kleine Transformatoren haben wegen der geringeren Herstellungskosten einen rechteckigen Kern. Auch die axiale Form des Kerns kann gegenüber dem rechteckigen Entwurfsmuster optimiert werden. Die rechteckige Bauweise hat nämlich den Nachteil, daß an den Übergängen der einzelnen Blechpakete Streufelder und erhöhte Eisenverluste enstehen.

Bei einem Schnittbandkern verlaufen die Feldlinien immer ungefähr in der Vorzugsrichtung des Materials, weil die Bleche an den Enden zueinander hin gebogen sind. Daraus resultiert ein hoher Wirkungsgrad wegen geringer Leerlaufverluste. Ein Ringkerntrafo hat aus diesem Grund einen torusförmigen Ferritkern, mit dem fertigungstechnischen Nachteil, daß die Wicklungen schwer auf den geschlossenen Kern aufzubringen sind.

Drehstrom - Trockentransformatorkerne werden gefertigt, indem zunächst die Bleche mit der Kernschneidemaschine zugeschnitten und in den richtigen Mengen abgezählt werden. Dann werden die Blechpakete im Joch und die Enden der Schenkel durch ein Preßeisen zusammengedrückt, um die Bleche im Kern möglichst dicht zu komprimieren. Am Ende der Fertigung werden die Joche durch Zugstangen aufeinander zu gezogen. Das ist nötig, weil schon ein sehr kleiner Luftspalt zwischen Schenkeln und Jochen eine deutliche Erhöhung des magnetischen Widerstands und damit des Leerlaufstroms verursacht.

Aufbau und Flußverteilung verschiedener Kernformen

1. Transformatoren für Drehstrom

1.1. Dreischenkelkerntransformator

Bild K.1: Warum ein Drehstromtransformator mit drei Schenkeln auskommt

1.2. Fünfschenkelkerntransformator

Bild K.2: Fünfschenkelkerntransformator als magnetisches Widerstandsnetzwerk mit drei Spannungsquellen

Das obige Widerstandsnetzwerk soll zeigen, daß ein vorhandener magnetischer Rückfluß doch beansprucht wird, wenn man ihn nicht in der Mitte, sondern an den äußeren Schenkeln anbringt. Dieses Widerstandsnetzwerk ist nicht für eine genaue Berechnung geeignet. Es dient nur dazu festzustellen, ob die zusätzlich angebrachten Schenkel etwas nützen.

Ein Fünfschenkelkerntransformator bringt hauptsächlich dann Vorteile, wenn man z.B. um einen großen Transformator per Bahn zu transportieren, eine geringe Bauhöhe beabsichtigt. Die äußeren Schenkel werden nur durchflossen, weil der magnetische Widerstand der Joche gegenüber dem der Schenkel nicht vernachlässigt werden kann. Das bedeutet, daß das Joch in der Mitte durch die äußeren Schenkel flußmäßig entlastet wird. Dadurch kann man an den Jochen oben und unten Bauhöhe sparen, wenn man sie für die gleiche Flußdichte wie die Schenkel auslegt.

2. Einphasen Transformatorkerne

2.1. Mantelkerntransformator

Bild K.3: Mantelkerntransformator (gestrichelte Linie ist Trennlinie zwischen Primär- und Sekundärseite)

Der Mantelkerntransformator ist die häufiger verwendete Bauart für kleine Einphasentransformatoren. Er ist kostengünstiger zu produzieren, weil er nur einen Spulenkörper hat. Seine Bauhöhe und sein Eisengewicht sind geringer als bei dem Kerntransformator.

Die beim Kleintrafobau für diesen Kerntyp verwendeten Bleche werden abfallos in einer nach dem Aussehen der Buchstaben als "EI" bezeichneten Form gestanzt. Das Joch wird dabei aus dem freiwerdenden Zwischenraum für die Wicklungen gewonnen. Aus der Form der Bleche wird ersichtlich, daß hier eine Verwendung von kornorientierten Material mit Vorzugsrichtung keinen Sinn macht und man auf dessen Vorteile verzichten muss.

2.2. Einphasen- Kerntransformator

Bild K.4: Kerntransformator mit Primär- und Sekundärwicklung auf verschiedenen Schenkeln

Für größere Leistungen wird oft der Einphasen-Kerntransformator verwendet, weil der Wärmeaustausch der Wicklungen mit der Umgebung dort besser funktioniert. Ein weiterer Grund für die Verwendung des Mantelkerns bei eher kleinen Transformatoren ist die geometrische Unmöglichkeit einen effizienten kreisförmigen Kernquerschnitt aus seinen zwei Blechpaketen herzustellen. Man verschenkt so nämlich bei den Übergängen auf das Joch wertvolle Querschnittsfläche. Bei einem Einphasen- Kerntransformator, der durch Kernschneiden hergestellt wurde, hat man dieses Problem nicht.

2.2.1. Möglichkeiten, die Wicklungen auf dem Kern eines Einphasen- Kerntransformators anzuordnen

Primär- und Sekundärwicklungen über beide Schenkel verteilt:
Bessere Verstellmöglichkeiten des Spannungs / Strombereichs durch Paralell / Reihenschaltung der Wicklungen auf den verschiedenen Schenkeln
Bei dieser Bauweise muß man die Wicklungen im richtigen Sinn zueinander schalten. Wenn man z.B. die primären Wicklungsstränge so verschaltet, daß ihre Magnetfelder sich aufheben, resultiert daraus ein sehr hoher Leerlaufstrom und der Transformator funktioniert nicht.

Primär- und Sekundärwicklungen auf verschiedenen Schenkeln aufgebracht:
Gute Isolation zwischen Primärseite und Sekundärseite durch großen Abstand. Größeres Streufeld, weil jede Seite nur noch die halbe Wickellänge hat.
Die Kernform von gestanzten rechteckigen Kernen dieser Art bezeichnet man mit "UI". Sie wird ähnlich wie die Form "EI" bei Mantelkerntransformatoren abfallos gestanzt und bei kleineren Transformatoren angewendet als das Kernschneideverfahren.

Die Herstellung durch Kernschneiden ermöglicht die Verwendung kornorientierter Bleche. Man hat dann allerdings zwei Luftspalte mehr in dem magnetischen Kreis.

2.3. Ringkerntransformator

Beim Ringkerntransformator sind die Primären und Sekundären Wicklungen über die Länge des ganzen Kerns verteilt. Die mittlere Feldlinienlänge, die für viele Berechnungen benötigt wird, entspricht nicht der Mittellinie in dem Torus, weil innen die Leiter zwangsläufig dichter angeordnet sind als außen. Infolge des Durchflutungssatz ist die mittlere Feldlinienlänge, also die Länge der Trennlinie, die den magnetischen Fluß in zwei gleich große Teile teilt, kürzer als die geometrische Mittellinie.

Das Ferritmaterial eines Ringkerntransformators hat einen geringeren magnetischen Leitwert als Trafobleche, ist aber aufgrund geringerer Wirbelstromverluste besser für hohe Frequenzen geeignet. Es wird verwendet, weil sich Trafobleche ohne Beeinträchtigung ihrer Eigenschaften nicht so stark biegen lassen.

Kernform und Material ermöglichen außerdem die günstige Eigenschaft des Magnetkreises luftspaltfrei zu sein.

Die Leiter müssen bei der Herstellung eines Ringkerntrafos von Hand oder mit einer sehr komplizierten Maschine um den Kern gewickelt werden.

Die Kerne von Drosseln werden auch in den drei hier beschriebenen Bauweisen hergestellt. Größere Drosseln werden dabei häufig als Kern-Typ gefertigt. Kleine Drosseln kann man oft leichter in der Mantelkern- Ausführung bauen. Für Funkentstörung und hohe Frequenzen (z.B. in Schaltnetzteilen) verwendet man Ringkerne aus Ferrit.

Siehe auch:

Der Kühlkanal ist ein radialer Freiraum innerhalb der einzelnen Wicklungen eines Transformators.

Er dient bei einem Trockentransformator dazu, die in den Spulen freiwerdenden Kupferverluste durch Konvektion der Umgebungsluft abzutransportieren (Kühlungsarten). Dabei ist er so ausgelegt, daß die Strömung der Luft turbulent verläuft, damit noch mehr Wärmeaustausch zwischen den Spulen und der Luft stattfindet.

Siehe auch:

Die Kupferverluste werden hauptsächlich durch den ohmschen Widerstand der im Transformator verwendeten Leiter hervorgerufen. Der Stromfluß durch diesen Widerstand verursacht eine Verlustleistung, die dann sekundärseitig fehlt.

Formel K.1: Berechnung der Kupferverluste aus primären und sekundären Wicklungswiderständen und Stromstärken

Daraus resultiert dort ein geringer Spannungsabfall gegenüber Leerlaufbetrieb.
Bei sehr großen Transformatoren ist neben diesem direkten ohmschen Anteil der K. noch folgende Verlustleistung zu berücksichtigen:

Der Anteil der durch das Streufeld im Kupfer hervorgerufenen Wirbelstromverluste kann nicht mehr vernachlässigt werden. Sie lassen sich in Form einer zusätzlichen, in Reihenschaltung mit der Primärwicklung verketteten Sekundärwicklung darstellen.

Der Widerstand dieser Wicklung sinkt mit steigendem Streufeld, weil die Eindringtiefe der Feldlinien in das Kupfer mit der Flußdichte zunimmt.

Daher steigen diese Verluste im Unterschied zu den normalen Kupferverlusten ungefähr linear mit der Stromstärke an.

Der Kupferwiderstand im Ersatzschaltbild verhält sich deshalb nicht mehr nach dem ohmschen Gesetz und die Ergebnisse, die das Ersatzschaltbild liefert sind für große Transformatoren nicht so exakt.

Dennoch werden diese Wirbelstromverluste den Kupferverlusten zugerechnet. Sie sollten nicht mit den Wirbelstromverlusten des Eisens im Kern oder den größtenteils aus Wirbelstromverlusten bestehenden Zusatzverlusten verwechselt werden.

Bei Transformatoren mit hohen Leiterquerschnitten kann es vorkommen, daß es nicht ausreicht den Gleichstromwiderstand der Wicklungen der Berechnung zugrunde zu legen, sondern man muß die Stromverdrängung berücksichtigen.
Die K. entsprechen bei Nennlast ziemlich genau der Kurzschlußleistung  P_k . Sie hängen wie auch der spezifische Widerstand von Kupfer von der Temperatur ab, bei höherer Temperatur werden sie größer.

Siehe auch:

Die Kurzschlußfestigkeit teilt sich in zwei Teile auf:

1. Mechanische Kurzschlußfestigkeit

Diese Kurzschlußfestigkeit ist die ausreichende mechanische Belastbarkeit eines Transformators und der Zuleitungen für die an anderer Stelle beschriebenen Lorentzkräfte. Die Kräfte müssen für den Spitzenwert des Kurzschlußstroms I_k berechnet werden.

Diese Art Kurzschlußfestigkeit ist eine Grundvoraussetzung für jeden Transformator.

Zusätzlich muß er noch in gewissem Umfang eine zweite Art von K. erfüllen:

2. Thermische Kurzschlußfestigkeit

Im Kurzschlußfall werden große Transformatoren mit einer Wärmeentwicklung konfrontiert, die weit über dem liegt, was im zulässigen Temperaturbereich abgegeben werden kann.

Die Wärmekapazität der verwendeten Materialien speichert jedoch die Wärme und sorgt für einen vorteilhaften gleichmäßigen Anstieg der Temperatur.
Der Transformator muß in jedem Fall so konstruiert sein, daß er diesem Temperaturanstieg standhält, bis die Schutzeinrichtungen ansprechen. (Thermisches Modell eines Transformators)

Nach Norm gilt für die meisten Transformatoren eine Kurzschlußdauer von 2 Sekunden.

Siehe auch:

Die Kurzschlußspannung u_k ist neben dem Leerlaufstrom eine wichtige Kenngröße des Transformators. Die K. bezeichnet die Spannung, die man an der Primärseite eines Transformators anlegen muss, damit bei kurzgeschlossener Sekundärseite der Bemessungsstrom des Transformators fließt.

Dieser Wert wird meist in Prozent von der primären Bemessungsspannung angegeben. Üblich sind 3,5 bis 5 Prozent.

Die in diesem Betriebszustand umgesetzte Wirkleistung bezeichnet man als Kurzschlußverlustleistung Pk. Sie entspricht ungefähr der Kupferverlustleistung, weil sie hauptsächlich an dem Kupferwiderstand der Wicklungen umgesetzt wird.

Die Kurzschlußspannung wird außer durch diesen Wirkwiderstand auch durch die Streuinduktivität verursacht, die jedoch nur Blindleistung umsetzt. ( Ersatzschaltbild)

Daher ist die Zerlegung der K.  u_k in einen Wirkanteil u_R und einen Blindanteil j uσ üblich.

Formel K.2: Zusammensetzung der Kurzschlußspannung als reelle und komplexe Größe

Man kann die K. auch als Spannungsabfall der Ausgangsspannung bei Nennlast gegenüber dem Wert im Leerlaufbetrieb betrachten, wobei sie rechnerisch auf die Sekundärseite transformiert werden muß und dann mittels Vektoraddition abgezogen wird.

Bei der Paralellschaltung von Transformatoren ist die K. eine wichtige Größe, weil sie Aufschluß über die Impedanz des Transformators gibt. Von diesem Wert ist die Verteilung der Belastung paralell geschalteter Transformatoren stark abhängig.

Man muß deshalb häufig die nötige K. vor der Konstruktion des Transformators spezifizieren, um sie dann durch die richtige Größe des Streufelds durch passende Anordnung der Wicklungen zu erreichen.

Siehe auch:

Den Kurzschlußstrom eines Transformators kann man sehr einfach berechnen, indem man den Kehrwert des des Betrags der Kurzschlußspannung in Prozent bildet und das Ergebnis mit dem hundertfachen primären Bemessungsstrom multipliziert.

Formel K.3: Berechnung des Kurzschlußstroms aus der Kurzschlußspannung in Prozent

Das Ergebnis ist jedoch nur ein Näherungswert, weil in dieser Formel der komplexe Widerstand des Stromnetzes auf der Primärseite nicht berücksichtigt wird. Es wird einfach angenommen, daß das Stromnetz keinen Innenwiderstand hat.

Dieser Widerstand müßte zu dem Innenwiderstand des Transformators addiert werden, den man aus Kurzschlußspannung erhält. Wenn man einen relativ kleinen Transformator an ein Netz mit relativ hoher Kurzschlußleistung anschließt, kann man den Netzwiderstand leicht vernachlässigen.

Für einige Berechnungen, die mit dem K. durchgeführt werden, ist es notwendig den Spitzenwert auszurechnen, den man durch Multiplikation mit  erhält.

Wenn bei einer Kurzschlußmessung der Zeitraum der Messung keine ganzahlige Anzahl an Halbwellen umfaßt, muß die Phasenlage am Anfang und Ende der Messung mit berücksichtigt werden. Die entstandene Wärmemenge steigt aufgrund der Sinusform des Kurzschlußstroms nämlich nicht gleichmäßig mit der Zeit an.

Bei einer 2 s - Messung hat man immer 200 Halbwellen und braucht sich deshalb um die Phasenlage keine Gedanken zu machen.

Siehe auch:

Die Kurzschlußverluste geben an, wieviel Wirkleistung umgesetzt wird, wenn ein Transformator bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung primär mit Bemessungsstrom durchflossen wird. Die dann anliegende Spannung nennt sich Kurzschlußspannung. Das Formelzeichen für die Kurzschlußverluste ist P_k.

Diese Leistung entspricht, wenn man die Zusatzverluste, die auch ein Bestandteil der Kurzschlußverluste sind, außer acht läßt, der Kupferverlustleistung im Betrieb bei Abgabe der Bemessungsleistung. Die Kupferverlustleistung wiederum besteht größtenteils aus der vom Bemessungsstrom an dem ohmschen Widerstand der Leiter umgesetzten Leistung.

Zusammenfassend kann man sagen, daß alle Verluste, die irgendwie von der Stromstärke, also der Belastung des Transformators, abhängen zu den Kurzschlußverlusten gezählt werden.

Der Anteil der Eisenverluste an den Kurzschlußverlusten ist meistens vernachlässigbar gering.

Siehe auch:

Die bei Transformatoren verwendeten Kühlungsarten werden nach der Art des inneren Kühlsystems und der Art der äußeren Kühlung unterschieden. "Inneres Kühlsystem" bedeutet das Kühlsystem, das mit den Wicklungen in Kontakt tritt.

Die äußere Kühlung dient dazu die Wärme vom Transformator zu entfernen. Sie muß nicht mit Rücksicht auf gute elektrische Isolationseigenschaften konstruiert werden.

Die Kühlungsarten werden nach den Kühlmedien und nach Art des Kühlmittel - Transports unterschieden. Dabei werden die Anfangsbuchstaben der entsprechenden englischen Begriffe verwendet.

Als Kühlmedien für den inneren Kreislauf kommen in Frage:

Für den äußeren Kreislauf stehen folgende Kühlmittel zur Auswahl:

Bei normalen Trockentransformatoren, die durch Konvektion der Umgebungsluft funktionieren, gibt es nur ein Kühlsystem.

Weiter unterscheidet man die Art in der das Kühlmedium geführt und transportiert wird:

Die Bezeichnung der Kühlungsart setzt sich, wenn zwei Kühlsysteme vorhanden sind aus vier Buchstaben zusammen, die wie folgt angeordnet sind:

<Kühlmittel innen> <Kühlmittelbewegung innen> <Kühlmittel außen> <Kühlmittelbewegung außen>

Einige Kühlungsarten als Beispiel: