Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 1 3.2 Elektrische Maschinen 3.2.1 Transformatoren.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 1 3.2 Elektrische Maschinen 3.2.1 Transformatoren."—  Präsentation transkript:

1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen Elektrische Maschinen Transformatoren Transformatoren sind Energieumformer P 2 mit U 2,I 2,f,cos 2 P 1 mit U 1,I 1,f,cos 1 Trafo Pv mit Q, Der Einstieg in die elektrischen Maschinen erfolgt aus didaktischen Gründen mit den Transformator. Aufbau: Ein Transformator besteht im einfachsten Fall aus drei Elementen, der Primärwicklung, dem Kern und der Sekundärwicklung. Eisenkern Primärwicklung Sekundärwicklung U1U1 I1I1 U2U2 1 I2I2 Energieflussrichtung U 1 : Primärspannung I 1 : Primärstrom U 2 : Sekundärspannung I 2 : Sekundärstrom 1 : Durchflutung der Primärwicklung 2 : Durchflutung der Sekundärwicklung : Magnetischer Fluss 2

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 2 U1U1 Ui 2 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des idealen Transformators Idealer Transformator = verlustloser Transformator Leitwert der Wicklungen = 0; Leitwert des Eisens =0; d.h. keine Stromwärme- und Ummagnetisierungsverluste ErsatzschaltbildWirkungsschemaZeigerdiagramm 1. Fall: Leerlauf 2. Fall: Belastung Ui 1 U1U1 I U1U1 I I Ui 1 Ui 2 i : Magnetisierungsstrom infolge von X L des Transformators Ui 2 U1U1 I -Ui 1 U1U1 Ui 1 U1U1 I I 1 Ui 1 Ui 2 U1U1 I -Ui 1 R I2I2 I2I2 I2I I 1´ I1I1 I1I1 I1I1 Durch den Sekundärstrom I 2 entsteht in der Sekundärwicklung die Durchflutung 2. Diese ergibt sich wie der Sekundärstrom aus der Sekundärspannung. Ui 2 und ist wegen des Induktionsvorgangs (Regel von Lenz) dem Fluß entgegengerichtet. Der Fluß wird verkleinert, wodurch sich und alle Induktionsspannungen verkleinern, auch Ui 1 in der Primärwicklung. Es entsteht in der Primärwicklung die Spannungsdifferenz U = U 1 –Ui 1. Die Folge ist, dass durch die Last I 2 die Stromstärke I 1´ in der Primärwicklung entsteht.

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 3 Übersetzungsverhältnis des idealen Transformators In welchem Zusammenhang stehen U 1 und U 2, sowie I 1 und I 2 ? U1U1 I1I1 I2I2 U2U2 Für die induzierten Spannungen gilt: Da beide Wicklungen vom selben Fluss durchsetzt werden, lassen sich beide Gleichungen gleich setzen. Durch Umformung der Gleichung ergibt sich das Übersetzungsverhältnis i. Die aufgenommene und abgegebene Leistung ist beim idealen Transformator gleich. Die Gleichsetzung ergibt: Das Übersetzungsverhältnis lautet folglich:

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 4 Im realen Transformator entstehen Verluste, weil seine Werkstoffe keine idealen Eigenschaften haben. Das gilt auch für alle anderen elektrischen Maschinen. Der Reale Transformator Abweichung vom idealen Werkstoffverhalten Allgemeine Erscheinung Wirkung auf den Leistungsfluss Fe Hysteresisschleife Hysteresis- oder Ummagnetisierungsverluste Fe 0 Wirbelströme im KernWirbelstromverluste Luft 0 Streuung zwischen den Wicklungen Streuverluste Wicklungen Wicklungswiderstand Wicklungsverluste 1. Hysteresis- oder Ummagnetisierungsverluste Wirkung: Die Fläche der Hysteresisschleife ist das Maß für die Ummagnetisierungsarbeit und damit der erzeugten Verlustleistung. Ursache: Die Permeabilität von Eisen ist keine konstante Größe. Das wird verständlich, wenn man die Kraftflussdichte B als Funktion der magnetischen Feldstärke H betrachtet.

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 5 2. Wirbelstromverluste Ursache: Ungerichtete Induktionsspannungen im Eisen des Kerns. Wirkungen: Induktionsströme, die wegen ihrer Stromwärme die Verluste erhöhen. Gegenmaßnahmen: Blätterung des Kerns mit Dynamoblechen zur Verringerung des Querschnitts. Gegenmaßnahmen: Verwendung von magnetisch weichem Material (Dynamoblech) für Wechselstrommaschinen. Das ist ein Feinblech aus Siliziumstahl. Magnetisch hart sind z.B. Eisen - Aluminium - Nickel - Kobald - Legierungen. Streuverluste Ursache: Ausbreitung des Magnetfeldes außerhalb des Kerns als Streufeld Wirkung: Induktionsspannungen in allen metallischen Teilen der Umgebung die ihrerseits Ströme mit den entsprechenden Verlusten verursachen, die Streuverluste. Die Streuverluste werden als induktiver Blindwiderstand X S aufgefaßt. 3. Wicklungsverluste Ursache: Widerstands R des Wicklungsmaterials Wirkungen: Stromwärmeverluste Gegenmaßnahmen: Verwendung von Kupfer. Eisenverluste treten im Kern auf, Kupferverluste in den Wicklungen.

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 6 1. Realer Transformator im Leerlauf R1R1 X S2 R2R2 U1U1 X S1 I0I0 Ui 1 U R1 Ui 2 U XS1 U1U1 I0I0 1 Ui 2 Ui 1 I I Fe IVIV U1U1 IVIV I Ui 2 -Ui 1 U XS1 U R1 I0I0 I 0 : Leerlaufstrom I : Magnetisierungsstrom I V : Verluststrom, Wirkkomponente des Leerlaufstromes I Fe : Wirbelströme im Eisen U XS1 und U R1 : innere Spannungsabfälle : Phasenverschiebungswinkel im Leerlauf Wirkungsschema: Zeigerdiagramm Ersatzschaltbild.

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 7 2. Realer Transformator bei ohmisch-induktiver Belastung U1U1 I0I0 1 I IVIV U1U1 IVIV I Ui 2 -Ui 1 U XS1 U R1 I0I0 I 1 : Primärstrom I 2 : Sekundärstrom I 0 : Leerlaufstrom I : Magnetisierungsstrom I V : Verluststrom, Wirkkomponente I Fe : Wirbelströme im Eisen I 1´ :transformierter Strom R1R1 X S2 R2R2 U1U1 X S1 I0I0 Ui 1 U R1 Ui 2 U XS1 Ui 1 Wirkungsschema: Zeigerdiagramm R XLXL M Ui 2 Ersatzschaltbild I Fe U R2 U XS2 I2I2 I2I2 2 I2I2 U R2 U XS2 U2U2 U2U2 U R2 I 1´ I1I1 I1I1 I1I1 U 1 : Primärspannung U i1 : Primär Induktionsspannung U i2 : Sekundäeinduktionsspannung U XS1 / U XS1 und U R1 /U R2 : innere Spannungsabfälle U 2 : Klemmenspannung (abgegebene Spannung) : Phasenverschiebungswinkel des Transformators

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 8 Experimentelle Ermittlung der Kupfer- und Eisenverluste 1. Eisenverluste Pv FE werden im Leerlauf ermittelt. Der Transformator wird mit Nennspannung U N betrieben. Dadurch wird der Kern voll aufmagnetisiert. Es treten alle Verluste im Kern auf. Der Strom I 10 der Primärwicklung ist sehr klein, so dass die Wicklungsverluste Pv Cu vernachlässigt werden können. 2. Kupferverluster werden im Kurzschluss ermittelt. Der Transformator wird bei kurz geschlossener Sekundärwicklung mit Nennstromstärke i 2N betrieben. Das erfolgt mit der Kurzschlussspannung U K (Primärseite), die weit unter der Nennspannung U N liegt. Dadurch wird der Kern kaum aufmagnetisiert. Es treten fast nur die Verluste Pv Cu in den Wicklungen auf. Die Eisenverluste Pv Fe sind dagegen sehr klein, so dass sie vernachlässigt werden können. V W A W VV U 1N U 20 Ri I 2 0 P Pv Fe U 1 =U K U K

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 9 Anwendung von Transformatoren 1. Transformatoren in Energienetzen Transformatoren spielen beim Übertragen von Elektroenergie eine entscheidende Rolle. Im Jahre 1891 wurde auf der internationalen Elektrotechnikausstellung in Frankfurt am Main die erste Fernübertragung von Elektroenergie vorgeführt. Bei Fernübertragungen entsteht folgendes Problem. Zur Übertragung einer bestimmten Leistung P benötigt man bei einer bestimmten Spannung U eine entsprechende Stromstärke I. Das fließen der Stromstärke verursacht über den Widerständen der Übertragungsleitungen Spannungsabfälle. Aus Stromstärke und Spannungsabfall setzt sich die Verlustleistung des Übertragungssystems zusammen, die seinen Wirkungsgrad bestimmt. Mit der Stromstärke wächst also die Verlustleistung. Gelingt es also, bestimmte elektrische Leistungen mit hoher Spannung und kleiner Stromstärke zu übertragen, bleiben in diesem Fall auch die Verluste klein. Mit Transformatoren werden also zu übertragende elektrische Leistungen so umgeformt, dass bei hoher Spannung kleine Ströme fließen können. In diesem Fall spricht man von Umspannern, sie verbinden verschiedene Spannungsebenen. Beispiel: Es soll die Leistung P= 1 MW auf zwei Spannungsebenen übertragen werden. U 1 = 37 kV (Generatorspannung), U 2 = 380 kV (Höchstspannung). Der Leitungswiderstand R betrage in beiden Fällen 500. Wie groß sind die Stromstärken I 1 und I 2, die Spannungsabfälle über den Leitungen U L1 und U L2 und die Verlustleistungen P V1 und P V2

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 10 Übertragung mit Generatorspannung 37 kV Übertragung mit Höchstspannung 380 kV Beträge der Stromstärken Beträge der Spannungsabfälle über den Leitungen Beträge der Verlustleistungen Prozentsätze der Verluste

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 11 Drehstromtransformator – praktische Ausführung Unterspannungsseite eines Drehstromtransformators Oberspannungsseite eines Drehstromtransformators Maststation

12 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen Transformatoren zur Erzeugung von Kleinspannungen Für schulische Anwendungen ist nur Schutzkleinspannung zugelassen. Es gelten folgende Grenzwerte: Gleichspannung U = 120 V Wechselspannung U = 50 V In der Regel werden in der Schule maximal 24 V Gleich- oder Wechselspannung angewendet. Die Bereitstellung erfolgt mit Batterien, Akkumulatoren oder Stromversorgungsgeräten. In Stromversorgungsgeräten wird die Netzspannung 230 V auf Schutzkleinspannung herunter transformiert. Printtrafo für Platinen Ringkerntrafo Mantelkerntransformatoren für Geräte

13 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 13 Für elektronische Geräte muss grundsätzlich niedere Gleichspannung (2 V - 50 V) erzeugt werden. U 1 = 230VU 2 = 12V Graetzschaltung (Brückengleichrichter) Verbraucher Strompfad bei positiver Halbwelle Strompfad bei negativer Halbwelle Stromrichtung im Verbraucher + _ + _ Es entsteht im Verbraucher ein pulsierender Gleichstrom. Das Pulsieren von Strom und Spannung kann mit einem Kondensator beseitigt werden. Der Kondensator läd sich während der Amplituden des Stromes auf und versorgt den Verbraucher während der Nulldurchgänge der Wechselspannung.

14 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen Transformatoren für technologische Anwendungen Punktschweißgerät Einsatz zum Fügen von Blechen, vor allem im Karosseriebau. U < 40 V I < 100 kA 0,05 s < t< 3 S InduktionsschmelzofenLichtbogenschweißgerät Einsatz zum Fügen im Rohrleitungs- und Behälterbau, Schiff- und Fahrzeugbau, Hochbau usw. 15 V < U < 30 V 10 A < I < 600 A Weitere Anwendungen von Transformatoren: Induktionskochplatten Halogentransformatoren Klingeltransformatoren u.v.a. Einsatz zum Schmelzen von Roheisen, Schrott und Kreislaufmaterial. 100 kW < P < 20 MW 50 Hz < f <10 kHz < 1500 °C


Herunterladen ppt "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2 Elektrische Maschinen 1 3.2 Elektrische Maschinen 3.2.1 Transformatoren."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen