Dreiphasentransformator

Dieser Artikel behandelt nicht die Besonderheiten der Transformatoren, die im Energieverteilungsnetz wichtig werden. Hier wird die prinzipielle vereinfachte Arbeitsweise für den Dreiphasenstrom beschrieben. Einfache Drehstromgeneratoren erzeugen drei sinusförmige Spannungen, die zueinander im festen 120 Grad Phasenverhältnis stehen. Die Wicklungen der Generatoren können in Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verbunden werden. Die Sternschaltung hat Anschlüsse für die drei Außenleiter Leiter L1, L2 und L3 und den gemeinsamen Neutralleiter N. Die Dreieckschaltung hat nur drei Anschlüsse für die Außenleiter mit gleichen Spannungen, die im 120 Grad Phasenverhältnis stehen und keinen Neutralleiter. Mit Transformatoren können Spannungen und Ströme gewandelt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit zwischen der Stern- und Dreieckschaltung zu wechseln.

Der Generator soll mit jedem Spulensatz eine effektive Strangspannung von 230 V erzeugen. In der Sternschaltung wird jede Strangspannung gegen den Nullleiter gemessen. Der Spitzenwert ist um den Faktor √2 größer und beträgt 325,3 V. Sind die Spulensätze in Dreieckschaltung verbunden, dann sind die Effektivwerte zwischen jeweils zwei Phasen der Außenleiter um den Faktor √3 größer und betragen 398,4 V. Der zugehörige Spitzenwert ist wieder um den Faktor √2 größer und beträgt 563,4 V.

Bei der Sternschaltung wird die Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter L1-N, L2-N und L3-N als Sternspannung oder UY bezeichnet. Sie ist identisch mit der Strangspannung UStr am zugehörigen Spulensatz des Generators. Bei der Dreieckschaltung wird die Spannung zwischen den Außenleitern L1-L2, L2-L3 und L3-L1 als Dreieck- oder Leiterspannung U bezeichnet und ist gleich der Strangspannung. Die Leiterspannung ist im Vergleich zur Sternspannung, sofern der Neutralleiter zugänglich ist, die höhere Spannung. Der Verkettungsfaktor zwischen beiden ist √3. Normalerweise werden die Spannungen der Außenleiter angegeben.

Bei der Sternschaltung Y ist mit I = IStr der Leiterstrom gleich dem Strangstrom. Für die Leiterspannung gilt U = √3·UStr
Bei der Dreieckschaltung Δ ist mit U = UStr die Leiterspannung gleich der Strangspannung. Für den Leiterstrom gilt I = √3·IStr.

Einen Dreiphasentransformator kann man sich gedanklich aus drei miteinander in Verbindung stehenden Einphasentransformatoren vorstellen. Beim Einphasentransformator sind die Primär- und die Sekundärwicklung auf jeweils einem Schenkel des geschlossenen Eisenkerns angeordnet. Die Funktion bleibt erhalten, wenn die Wicklungen übereinander auf nur einem der beiden Kernschenkel angeordnet sind. Diese drei Einphasentransformatoren können mit ihren freien Kernschenkeln zusammengestellt werden, wo sich die um je 120 Grad verschobenen Magnetflüsse überlagern. Werden die drei Phasen einer Sternschaltung gleichartig belastet, bleibt der gemeinsame Nullleiter stromfrei, da infolge der Phasenlagen im zeitlichen Mittel die Stromsumme null ist. Der Magnetfluss ist proportional zum Stromfluss, folglich heben sich im gemeinsamen Kernschenkel die Magnetflüsse gegeneinander auf. Der wicklungsfreie gemeinsame Kernschenkel kann entfallen, sodass der Dreiphasentrafo nur einen dreischenkligen E-I-Kern benötigt.

Ein Dreiphasentrafo hat primär- und sekundärseitig sechs Anschlüsse. Die Spannungen auf der Primärseite werden auch als Oberspannung und die der Sekundärseite als Unterspannungen bezeichnet. Jede Seite kann in Dreieck- oder Sternschaltung zusammengeschlossen sein. Die die normalerweise höhere Oberspannung liegt an den Außenwicklungen. Damit wird eine bessere elektrische Isolation zum Kern erreicht. Der Schaltungstyp auch als Schaltgruppe bezeichnet kann zwischen der Primär- und Sekundärseite gewechselt werden. Drehstromgeneratoren in Sternschaltung haben vier Außenanschlüsse, drei für die Phasen und einen gemeinsamen Neutralleiter. Zum Energietransport im Hochspannungsnetz kann auf den Nullleiter verzichtet werden, wenn die Sekundärwicklungen des Trafos in Dreieckschaltung verbunden sind. Für das Niederspannungs- oder Haushaltsnetz wird abwärts transformiert. Ist die Sekundärseite in Sternschaltung verbunden, entsteht mit dem Neutralleiter ein Vierleiter Drehstromnetz. Damit können drei voneinander unabhängige Einphasennetze und mit allen drei Leitern gemeinsam ein Drehstromnetz betrieben werden.

Die Schalttypen der Drehstromtransformatoren werden mit Großbuchstaben für die Primärseite und Kleinbuchstaben für die Sekundärseite gefolgt von einer ganzen Zahl bezeichnet. Die Buchstaben Y und y stehen für die Sternschaltung, D und d für die Dreieckschaltung. Die Ziffer gibt mit 30 Grad multipliziert den Phasenwinkel zwischen der Primär- und Sekundärseite an. Die folgende Skizze zeigt oft verwendete Kombinationen.

Die Sternschaltung hat den Vorteil, dass die drei Leiterspannungen im Trafo an den verketteten Wicklungen zu niedrigeren Strangspannungen führen. Fällt ein Segment aus, so kommt es zu einer sehr ungünstigen Leistungsverteilung und oftmals fällt der gesamte Trafo aus. Die Strang-(Wicklungs)-Spannung beträgt 1/√3 der Leiterspannung. Der Strangstrom ist gleich dem Leiterstrom.

In der Dreieckschaltung ist die Leiterspannung gleich der Strangspannung. Der Leiterstrom ist um den Faktor √3 höher als der verkettete Strangstrom. Fällt ein Segment aus, bleibt der Trafo mit rund 66% Drehstromleistung weitgehend arbeitsfähig.

Auf dem Typenschild eines Drehstromtrafos werden die Bemessungswerte für die Scheinleistung SN, die Ober- und Unterspannungen und die Schaltgruppe angegeben. Die Spannungswerte stehen für die verketteten Spannungen der Außenleiter. Die zugehörigen Ströme ohne Berücksichtigung der Trafoverluste errechnen sich für einen Stern zu Stern Yy-Trafo wie folgt:

Übersetzungsverhältnisse

Das Übersetzungsverhältnis errechnet sich aus den Windungsverhältnissen für die Ober- und Unterspannungswicklung. Sie sind für die drei Wicklungssätze gleich. Drehstromtransformatoren vom Schalttyp Dd oder Yy haben bei gleichen Windungszahlen das Übersetzungsverhältnis 1:1 und die Leiterspannungen der Primärseite werden idealisiert 1:1 übertragen zu den Leiterspannungen der Sekundärseite. Beim Schalttyp Dreieck zu Stern Dy oder Stern zu Dreieck Yd ist der Verkettungsfaktor √3 zu berücksichtigen. Sind die Wicklungen der Primärseite in Sternschaltung verkettet, dann ist die Strangspannung um 1/√3 kleiner als die anliegende Leiterspannung. Die Strangspannung wird mit dem Übersetzungsverhältnis auf die Sekundärseite transformiert. Ist die Sekundärseite in Dreieckschaltung verkettet, dann sind die dort die Leiterspannungen gleich den Strangspannungen. Mit entsprechenden Überlegungen gelten für die Spannungs- und Stromtransformationen die folgende Zuordnungen.