Stromwandler: Aufbau, Funktionsweise und Typen

Stromwandler sind in der modernen Energietechnik weit verbreitet als Geräte zur Veränderung verschiedener elektrischer Parameter unter Beibehaltung ihrer Grundwerte. Die Funktionsweise des Geräts basiert auf dem Induktionsgesetz, das für magnetische und elektrische Felder gilt, die sich sinusförmig verändern. Der Wandler transformiert den Primärstromwert hinsichtlich Modulation und Winkelübertragung proportional zu den Rohdaten. Die Auswahl der Geräte muss auf der Grundlage des Anwendungsbereichs und der Anzahl der angeschlossenen Verbraucher erfolgen.

Was ist ein Stromwandler?

Sie werden in der Industrie, im Kommunal- und Tiefbau, in der Wirtschaft und anderen Bereichen eingesetzt, um Strom mit definierten physikalischen Parametern zuzuführen. Die Spannung wird an die Spulen der Primärwicklung angelegt, wo durch die magnetische Strahlung ein Wechselstrom erzeugt wird. Die gleiche Strahlung durchläuft die übrigen Spulen, wodurch sich die EMK-Kräfte bewegen, und wenn die Sekundärspulen kurzgeschlossen oder an den Stromkreis angeschlossen werden, tritt im System ein Sekundärstrom auf.

Moderne Stromtransformatoren ermöglichen es, Energie so umzuwandeln, dass ihre Verwendung keine Schäden an den Geräten verursacht, die sie nutzen. Sie ermöglichen auch die Messung höherer Lasten bei maximaler Sicherheit für Maschinen und Personal, da die Primär- und Sekundärwicklungen zuverlässig voneinander isoliert sind.

Wozu Transformatoren?

Wozu ein Stromwandler gut ist, liegt auf der Hand: Seine Anwendungen decken alle Bereiche ab, in denen Energiewerte transformiert werden. Diese Geräte sind Hilfsmittel, die parallel zu Messgeräten und Relais eingesetzt werden, um einen Wechselstromkreis zu bilden. In diesen Fällen wandeln Transformatoren die Energie um, um die Entschlüsselung von Parametern zu erleichtern oder um Geräte mit unterschiedlichen Eigenschaften an denselben Stromkreis anzuschließen.

Es gibt auch die Messfunktion von Transformatoren: Sie werden verwendet, um Stromkreise mit höheren Spannungen zu betreiben, an die Messgeräte angeschlossen werden müssen, was aber nicht direkt möglich ist. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Informationen über die Stromwerte an die an die Sekundärwicklung angeschlossenen Messgeräte zu übertragen. Es ermöglicht auch die Überwachung des Stroms im Stromkreis: Wenn das Relais benutzt wird und der maximale Stromwert erreicht ist, wird ein Schutz aktiviert, der das Gerät ausschaltet, um einen Durchbrand und Personenschäden zu vermeiden.

Prinzip der Arbeitsweise

Die Funktionsweise dieser Geräte beruht auf dem Induktionsgesetz, wonach die Spannung an die Primärspulen angelegt wird und der Strom den durch die Wicklung erzeugten Widerstand überwindet, wodurch der magnetische Fluss auf die Magnetspule übertragen wird. Der Fluss steht senkrecht zum Strom, wodurch die Verluste minimiert werden, und wenn er die Sekundärwicklungen durchquert, wird die EMK aktiviert. Dadurch wird im System ein Strom induziert, der größer ist als der Spulenwiderstand, während die Spannung am Ausgang der Sekundärspulen reduziert wird.

Die einfachste Transformatorenkonstruktion besteht also aus einem Metallkern und einem Paar von Wicklungen, die nicht miteinander verbunden sind und als isolierte Drähte ausgeführt sind. In einigen Fällen liegt die Last nur auf den Primärwicklungen und nicht auf den Sekundärwicklungen: Dies ist der so genannte Leerlaufbetrieb. Wird ein stromverbrauchendes Gerät an die Sekundärwicklung angeschlossen, fließt ein Strom durch die Spulen und es entsteht eine elektromotorische Kraft. Die EMK wird durch die Anzahl der Windungen bestimmt. Das Verhältnis der elektromotorischen Kraft für die Primär- und Sekundärwindungen wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet und aus dem Verhältnis der Windungszahlen berechnet. Es ist möglich, die Endspannung durch Änderung der Anzahl der Primär- oder Sekundärwindungen zu regulieren.

Klassifizierung von Stromwandlern

Es gibt verschiedene Arten von Stromwandlern, die nach einer Reihe von Kriterien eingeteilt werden, u. a. nach dem Verwendungszweck, der Art der Installation, der Anzahl der Umwandlungsstufen und anderen Faktoren. Diese Parameter sollten vor der Auswahl eines Stromwandlers berücksichtigt werden:

• Zweck. Dies dient der Unterscheidung zwischen Mess-, Zwischen- und Schutzmodellen. So werden beispielsweise Zwischentransformatoren für den Anschluss von Geräten für Rechenoperationen in Relaisschutzsystemen und anderen Schaltungen verwendet. Separat zu unterscheidende Labortransformatoren, die eine höhere Genauigkeit der Indikatoren ermöglichen, haben eine große Anzahl von Umwandlungskoeffizienten.
• Installationsmethode. Es gibt Transformatoren für die Außen- und Innenaufstellung: Sie sehen nicht nur anders aus, sondern haben auch unterschiedliche Indikatoren für die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse (z. B. haben Geräte für den Außeneinsatz einen Schutz gegen Niederschlag und Temperaturschwankungen). Man unterscheidet auch zwischen Aufbautransformatoren und tragbaren Transformatoren; letztere haben ein vergleichsweise geringes Gewicht und geringe Abmessungen.
• Art der Wicklung. Transformatoren können Ein- und Mehrspannungstransformatoren, Spulen-, Kern- oder Sammelschienentransformatoren sein. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung können unterschiedlich sein, und auch die Isolierung (trocken, Porzellan, Bakelit, Öl, Verbundstoff usw.) ist unterschiedlich.
• Die Ebene der Transformationsschritte. Das Gerät kann ein- oder zweistufig (Kaskade) sein, die Spannungsgrenze von 1000 V kann minimal oder maximal sein.
• Entwurf. Nach diesem Kriterium werden zwei Arten von Stromwandlern unterschieden: ölgefüllte und trockene. Im ersten Fall befinden sich die Wicklungen und der Magnetkern in einem Behälter, der eine spezielle ölhaltige Flüssigkeit enthält: Sie dient der Isolierung und ermöglicht die Regulierung der Betriebstemperatur des Mediums. Im zweiten Fall ist die Kühlung luftgekühlt, und solche Systeme werden in Industrie- und Wohngebäuden eingesetzt, da Öltransformatoren wegen der erhöhten Brandgefahr nicht in Innenräumen installiert werden können.
• Art der Spannung. Transformatoren können sowohl als Abwärts- als auch als Aufwärtstransformatoren eingesetzt werden: Im ersten Fall wird die Spannung an den Primärwicklungen verringert, während im zweiten Fall die Spannung erhöht wird.
• Eine weitere Möglichkeit der Klassifizierung ist die Auswahl eines Stromwandlers nach seiner Leistung. Dieser Parameter hängt vom Zweck der Anlage, von der Anzahl der angeschlossenen Verbraucher und deren Eigenschaften ab.

Parameter und Merkmale

Bei der Auswahl solcher Geräte müssen Sie die wichtigsten technischen Parameter berücksichtigen, die sich auf den Anwendungsbereich und die Kosten auswirken. Die wichtigsten Merkmale sind:

• Nennlast oder Leistung: Eine Auswahl kann anhand der Vergleichstabelle der Transformatoreneigenschaften getroffen werden. Der Wert dieses Parameters bestimmt die anderen Stromstärken, da er streng genormt ist und dazu dient, das korrekte Funktionieren des Geräts in der gewählten Genauigkeitsklasse zu definieren.
• Nennstrom. Dieser Wert gibt an, wie lange das Gerät funktionieren kann, ohne auf kritische Temperaturen zu überhitzen. Transformatoren haben in der Regel eine beträchtliche thermische Reserve und arbeiten auch bei einer Überlastung von bis zu 18-20 % normal.
• Spannung. Dieser Wert ist wichtig für die Qualität der Wicklungsisolierung und gewährleistet das reibungslose Funktionieren der Maschine.
• Irrtümer. Dieses Phänomen wird durch den magnetischen Fluss verursacht; der Fehlerwert ist die Differenz zwischen dem genauen Primär- und Sekundärstrom. Der erhöhte magnetische Fluss im Transformatorkern trägt zu einem proportionalen Anstieg des Fehlers bei.
• Das Übersetzungsverhältnis, d. h. das Verhältnis des Stroms in den Primärwicklungen zu den Sekundärwicklungen. Der tatsächliche Wert des Koeffizienten weicht vom Nennwert um einen Betrag ab, der dem Grad des Energieumwandlungsverlustes entspricht.
• Grenzmultiplikator, ausgedrückt als Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Primärstrom und dem Nennstrom.
• Vielfaches des Stroms, der in den Wicklungen der Sekundärwicklung fließt.

Die Eckdaten eines Stromwandlers werden anhand eines Leistungsfaktordiagramms ermittelt: So können die Eigenschaften des Geräts in verschiedenen Betriebsarten, von Leerlauf bis Volllast, untersucht werden.

Die wichtigsten Werte sind auf dem Gehäuse des Geräts durch eine spezielle Markierung gekennzeichnet. Sie kann auch Informationen über die Art des Anhebens und der Installation des Geräts, Warnhinweise über hohe Spannungen an den Sekundärwicklungen (über 350 Volt) und Informationen über das Vorhandensein eines Erdungspolsters enthalten. Der Energiewandler ist mit einem Aufkleber oder mit Farbe gekennzeichnet.

Mögliche Fehler

Wie jedes andere Gerät auch, fallen Transformatoren von Zeit zu Zeit aus und müssen von Experten gewartet und diagnostiziert werden. Vor der Überprüfung des Geräts ist es wichtig zu wissen, welche Fehler auftreten und welche Zeichen ihnen entsprechen:

• Ungleichmäßige Geräusche innerhalb des Gehäuses, Knistern. Dieses Phänomen deutet in der Regel auf eine Unterbrechung des Erdungselements, eine Überlappung der Wicklungswindungen mit dem Gehäuse oder eine lockere Verpressung der als Magnetkern dienenden Bleche hin.
• Übermäßige Erwärmung des Gehäuses, erhöhter Strom auf der Verbraucherseite. Das Problem kann durch Wicklungskurzschlüsse aufgrund von Abnutzung oder mechanischer Beschädigung der Isolierschicht sowie durch häufige Überlastungen infolge von Kurzschlüssen verursacht werden.
• Gerissene Isolatoren, Gleitentladungen. Diese treten auf bei Produktionsfehlern, die vor der Inbetriebnahme nicht erkannt werden, bei Fremdkörpern, die eindringen, und bei Überschneidungen zwischen Phasenleitungen mit unterschiedlichen Werten.
• Ölemissionen, bei denen die Membrane der Auspuffanlage gerissen ist. Das Problem wird auf Kurzschlüsse zwischen den Phasen zurückgeführt, die durch Verschleiß der Isolierung, Absinken des Ölstands, Spannungsabfälle oder das Auftreten von Überströmen bei einem durchgehenden Kurzschluss verursacht werden.
• Öl tritt unter Dichtungen oder in Transformatorhähnen aus. Die Hauptursachen sind fehlerhaftes Schweißen von Bauteilen, schwache Dichtungen, zerstörte Dichtungen oder nicht geriebene Ventilkegel.
• Aktivierung des Gasschutzrelais. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich das Öl aufgrund eines Wicklungsfehlers, eines offenen Stromkreises, des Durchbrennens von Schaltkontakten oder eines Kurzschlusses zum Transformatorgehäuse zersetzt.
• Ausschalten des Gasschutzrelais. Aktive Zersetzung der Ölflüssigkeit infolge eines Zwischenphasenfehlers, interner oder externer Überspannung oder durch einen so genannten "Stahlbrand" verursacht das Problem.
• Ausgelöster Differentialschutz. Dieser Fehler tritt auf, wenn das Gehäuse des Abzweigs defekt ist, wenn sich die Phasen überschneiden oder in anderen Fällen.

Um die Funktionalität des Geräts zu maximieren, sollten regelmäßige Kontrollen mit einer Wärmebildkamera durchgeführt werden: Das Gerät kann eine Verschlechterung der Kontaktqualität und eine Verringerung der Betriebstemperatur diagnostizieren. Die Fachleute führen während der Überprüfung die folgenden Tätigkeiten aus:

• 1. Spannungs- und Strommesswerte.
  2. Lastüberprüfung mit einer externen Quelle.
  3. Bestimmung der Parameter im Betriebskreislauf.
  4. Berechnung des Umwandlungsverhältnisses, Vergleich und Analyse der Werte.

Berechnung eines Transformators

Das Grundprinzip wird durch die folgende Formel definiert U1/U2=n1/n2, dessen Elemente wie folgt entschlüsselt werden:

• U1 und U2 sind die Spannungen der Primär- und Sekundärwindungen.
• n1 und n2 sind die Anzahl der Primär- bzw. Sekundärwicklungen.

Eine andere Formel wird zur Bestimmung der Kernquerschnittsfläche verwendet: S=1,15 * √PDie Leistung wird in Watt und die Fläche in Quadratzentimetern gemessen. Wenn der im Gerät verwendete Kern die Form des Buchstabens S hat, wird die Querschnittsfläche für den mittleren Kern berechnet. Um die Windungen der Primärwicklung zu bestimmen, verwenden Sie die folgende Formel n=50*U1/S, Wenn das Bauteil 50 nicht unveränderlich ist, wird empfohlen, es durch 60 zu ersetzen, um das Auftreten elektromagnetischer Störungen zu verhindern. Eine andere Formel lautet d=0,8*√Iwobei d der Querschnitt des Leiters und I der Stromstärkeindex ist, wird zur Berechnung des Kabeldurchmessers verwendet.

Die berechneten Werte werden aufgerundet (z. B. wird die berechnete Leistung von 37,5 W auf 40 W abgerundet). Eine Rundung ist nur nach oben zulässig. Alle oben genannten Formeln werden für die Auswahl von Transformatoren verwendet, die im 220-V-Netz betrieben werden; beim Bau von Hochfrequenzleitungen werden andere Parameter und Berechnungsmethoden verwendet.

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