Dreiphasenwechselstrom Transformator und Schaltgruppen

Der Transformator wird benötigt, wenn es darum geht, Ströme und Spannungen rauf und runter zu transformieren. Sie werden bei der Energieübertragung zwischen Erzeuger und Verbraucher benutzt. Der Erzeuger ist meistens ein Kraftwerk. Transformatoren dienen der Spannungsumwandlung in Energieversorgungsanlagen und in technischen Geräten. Besonders in Netzteilen dienen sie der Bereitstellung von Kleinspannungen. So können wir unser Handy, die Kaffeemaschine und den Föhn benutzen. Es gibt aber unterschiedliche Transformatoren, die in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen. Der folgende Beitrag beschäftigt sich mit dem Dreiphasenwechselstrom-Transformator und den Schaltgruppen.

Der Dreiphasenwechselstrom-Transformator

Dieser wird auch Dreiphasentransformator oder Drehstromtransformator genannt. In einem Dreiphasensystem sind drei einzelne Transformatoren notwendig. Der Drehstromtransformator fasst diese zur Transformation in einem einzigen zusammen.
Leistungstransformatoren sind normalerweise als Dreiphasentransformator ausgeführt. Der erste Transformator dieser Art wurde das 1890 gebaut. Den ersten praktischen Einsatz zur elektrischen Übertragung von Energie hatte er im Rahmen der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung 1891.

Schaltgruppen von Transformatoren

Als Schaltgruppe bezeichnet man bei Dreiphasentransformatoren in der elektrischen Energietechnik die Verschaltung der ober- und unterspannungsseitigen Wicklungen in einem Dreiphasenwechselstromsystem. Die Unterseite kennzeichnet dabei die Seite des Transformators mit einer niedrigen Spannung. Die Oberseite jene mit einer höheren Spannung. Es ergibt sich immer ein Windungszahlverhältnis. Je nach Schaltgruppe können sich zusätzlich dazu noch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen Ober- und Unterseite ergeben.

Schema des Dreiphasentransformators

Der Dreiphasentransformator besitzt drei bewickelte Eisenschenkel. In der einfachsten Ausführung des Transformators tragen sie mit lediglich einem ober- und einem unterspannungsseitigen Drehstromsystem je eine Ober- und eine Unterspannungswicklung. Dieser Transformator hat also insgesamt sechs Wicklungen. Bei einem solchen Drehstromtransformator lassen sich die drei zusammengehörigen Wicklungen auf unterschiedliche Weise verschalten. Dies lässt sich in Form von unterschiedlichen Schaltgruppen genauer darlegen. Jede Seite des Dreiphasentransformators lässt sich in eine der Grundschaltungen einteilen. Jede Seite kann unabhängig von der anderen Seite eine bestimmte Form annehmen:

1. Sternschaltung

Diese ist die Grundschaltung in der Elektrotechnik. Bei der Sternschaltung in einem Dreiphasenwechselstromsystem werden jeweils drei Wicklungen (Spulen), Widerstände, Kondensatoren oder andere elektrische Bauelemente an einem gemeinsamen Punkt sternförmig zusammengeschlossen. Dieser Punkt heißt Sternpunkt oder auch Neutralpunkt. Die Sternschaltung wird als Wicklungsschaltung bevorzugt bei Drehstromtransformatoren, -generatoren und -motoren angewendet. Hierbei teilt sich die Leiterspannung oder auch Strangspannung mit dem Faktor 1/√3 auf die Wicklungsstränge auf. √3 ist hier der Verkettungsfaktor. Durch die Verteilung der Leiterspannung entstehen bessere Isolationsbedingungen.

2. Gleichrichterschaltung

Die Gleichrichterschaltungen werden auch als Doppelsternschaltungen ausgeführt. Meistens werden dann zwei Sternschaltungen über eine Saugdrosselschaltung parallel geschaltet. So wird eine sechspulsige Gleichspannung erzeugt. Die Gleicherschaltungen haben genau diese Aufgabe: aus sinusförmigen Wechselspannungen Gleichspannungen zu erzeugen. Dies lässt sich mit unterschiedlichen Schaltungen erzeugen. Man kann diese Schaltungen in zwei Klassen einteilen, und zwar in die der Einweg- und die der Zweiwegschaltungen.

3. Dreieckschaltung

Auch diese gehört zu den Grundschaltungen der Elektrotechnik. Hierbei werden in einem Dreiphasen-Wechselstromsystem drei Wicklungen, Widerstände, Kondensatoren oder andere elektrische Bauelemente allerdings ringförmig, also im Dreieck, hintereinander geschaltet. Diese wird ebenfalls bevorzugt bei Drehstromtransformatoren, -generatoren und -motoren angewendet. Dabei teilen sich die Leiterströme, auch Strangströme genannt, mit dem Faktor 1/√3 auf die einzelnen Wicklungsstränge auf. Die Dreieckschaltung hat Vorteile bei hohen Strömen und kleinen Spannungen. Aus diesem Grund sind Kraftwerksgeneratoren im Dreieck geschaltet. Das gilt auch für die Oberspannungswicklung von Drehstromtransformatoren. Immer dann, wenn die Unterspannungswicklung im Stern geschaltet ist sowie auf der Niederspannungsseite eine einphasige, also unsymmetrische Belastung auftreten kann.

Der Nachteil dieser Schaltung gegenüber der Sternschaltung ist aber, dass der Isolationsaufwand besonders hoch ist. Der Anschluss von elektrischen Geräten und Verbrauchsmitteln erfolgt bei dieser Schaltung zwischen den Außenleitern. Einen Neutralleiter oder auch einen Neutralpunkt wie bei der Sternschaltung gibt es bei der Dreiecksschaltung nicht.

4. Zickzackschaltung

Diese wird für die Lastverteilung auf der Unterspannungsseite von Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren zur Speisung von Niederspannungsnetzen benutzt. Man kann sie als Kombination von Stern- und Dreieckschaltung ansehen. Wie bei der Sternschaltung sind bei dieser Schaltung am Ausgang zwei Spannungen vorhanden. Sie besitzt nämlich auch eine Sternpunktanzapfung, aber sie verträgt auch Schieflast wie die Dreieckschaltung. Bei der Dreieck- und Sternschaltung befinden sich die einzelnen Wicklungen jeweils auf einem Schenkel. Bei der Zickzackschaltung werden die Wicklungen aber in zwei gleich große Teile geteilt. Je zwei Wicklungsteile werden dann auf die Schenkel verteilt. So kann auch eine unsymmetrische Last auf der Sekundärseite auf die Außenleiter der Primärseite besser verteilt werden. Allerdings birgt dieser Vorteil auch Nachteile in sich. Man benötigt mehr Kupfer. Etwa 15 % mehr. Das liegt daran, dass mehr Kupfer zu größeren Wicklungsverlusten führt. Aufgrund dieser Verluste gibt es Transformatoren mit dieser Schaltung nur bis zu 400 kVA. Die Herstellung eines solchen Trafos mit einer Zickzackschaltung ist deutliche aufwendiger. Grundsätzlich ist auch eine Doppel-Zickzack-Schaltung möglich. Durch die primär- und sekundärseitige Zickzackschaltung ist der Material- und Fertigungsaufwand erhöht und die Schaltung ist besonders für Spezialfälle interessant.

Sonderfall

Ein Sonderfall sind Spartransformatoren oder auch Autotransformatoren. Bei diesen stellt die Unterspannungswicklung einen Teil der Oberspannungswicklung dar. Spartransformatoren für den Dreiphasenwechselstrom werden in der Sternschaltung ausgeführt. Die Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannungsseite beträgt dabei 0°.

Fazit

Transformatoren werden dazu verwendet, dass sie elektrische Spannungen verändern. Im europäischen Stromnetz beträgt diese 230 Volt. Ein Stromschlag dieser Stärke kann tödlich sein. Viele Dinge wie Handys, Laptops, MP3-Player benötigen viel weniger Spannung. Meistens nur vier bis zwölf Volt. Damit diese Geräte nicht beschädigt oder zerstört werden, wenn wir sie an die Steckdose anschließen, muss die Spannung reduziert werden. Dank des Transformators ist dies möglich. Er ist ein notwendiger Helfer im Alltag.

Das könnte dich auch interessieren …

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.