Was sind Drehtransformatoren?

Hochstromtransformatoren kommen z.B. zur Anwendung bei Erwärmungsanlagen, Elektroöfen, Glasschmelzanlagen, Prüffelder u.s.w.

Letztendlich ist „stufenlose Spannungsverstellung unter Last, ohne jegliche Schleifkontakte“ die prägnante Eigenschaft dieser Transformatorvariante.

Aufbau

Drehtransformatoren entsprechen in ihrem Aufbau grundsätzlich den Asynchron-Maschinen.

In dem feststehenden Stator liegt der drehbare Rotor, beide enthalten genutete Blechpakete und Wicklungen, wie sie in Drehstrommotoren üblich sind. Die Wicklungen werden zweipolig ausgeführt, um eine bessere Typenausnutzung zu erreichen. Vierpolige Wicklungen werden nur dann vorgesehen, wenn extrem hohe Durchgangsströme nur durch vierfache Parallelschaltung zu erreichen sind. Zur Isolation werden alle im Elektromaschinenbau üblichen Materialien mit den entsprechenden Isolationsklassen verwendet. Die Erregerwicklung liegt normalerweise im Rotor, da die Zusatzwicklung im Stator oft verhältnismäßig hohe Ströme führt. Der Rotor mit der Erregerwicklung wird zur Spannungseinstellung um 180° verdreht. Die Stromzuführung erfolgt dabei über spiralförmig angeordnete Kupferbänder, die fest an die Wicklung angeschlossen sind. Es gibt daher keine Kontakte oder Schleifringe, die zu Störungen führen könnten. Zur Lagerung des Rotors werden reichlich dimensionierte Nadellager, bzw. kombinierte Axial-Nadellager verwendet.

Der Rotor wird durch ein Schneckengetriebe verstellt und in seiner jeweiligen Lage zum Stator festgehalten. Die Verstellung erfolgt stetig unter Last durch einen Getriebemotor. Eine Bremse am Motor verhindert ein Nachlaufen oder ein selbständiges Verstellen des Drehtransformators.

In jeder Endstellung ist ein Endschalter vorgesehen, der ein Überfahren des Stellbereichs verhindert. Ein weiterer Schalter ist direkt im Motorstromkreis angeordnet, um bei einem Fehler in der Steuerung den Motor zusätzlich abzuschalten.

Drehtransformatoren werden in Trocken- oder Ölausführung gebaut. In vielen Fällen werden sie mit einem Festtransformator im gemeinsamen Ölkessel untergebracht.

 

Wirkungsweise

Die an der Erregerwicklung angeschlossene Netzspannung U erzeugt ein umlaufendes Drehfeld. In der Zusatzwicklung wird entsprechend dem Windungsverhältnis eine Zusatzspannung U erzeugt, die in jeder Stellung die gleiche Größe hat, sich jedoch gegenüber der Netzspannung in der Phasenlage um 180° dreht. Verbindet man den Anfang der Zusatzwicklung mit dem Netz, so ergibt sich am Ende der Wicklung eine resultierende Ausgangsspannung, die in dem Bereich U +- U stetig verändert werden kann.

Die Zusatzwicklung kann auch, statt an die Netzspannung, an jede andere feste Spannung angeschlossen werden, z. B. an die Sekundärseite eines zusätzlichen Festtransformators. In dieser Kombination lassen sich daher unabhängig von der Netzspannung alle gewünschten Regelbereiche erzielen.

Zwischen Ein- und Ausgang tritt durch die Verdrehung der Zusatzspannung jedoch praktisch keine Verschlechterung des Netz – cos phi ein, da gleichzeitig mit der Spannung auch der Strom in der Zusatzwicklung entgegengesetzt verdreht wird und der Drehtransformator damit sozusagen selbst kompensiert.

Ausführungsgrenzen

Drehtransformatoren werden zur Zeit bis zu einer Typenleistung von etwa 3,2 MVA gebaut.

Die Anschlußspannung liegt normalerweise unter 1000 Volt, bei höheren Leistung werden jedoch auch Werte bis 10 kV vorgesehen. Da jedoch die Wicklung in Nuten untergebracht ist, wird durch den erhöhten Isolationsaufwand der verfügbare Wickelraum und damit auch die Typenleistung erheblich verringert. Es ist daher in jedem Fall zu prüfen, ob im Rahmen der Gesamtanlage die Einspeisung mit Hochspannung zweckmäßig ist.

Die Zusatzspannung kann praktisch frei gewählt werden. Da die Wicklung jedoch symmetrisch auf eine bestimmte Nutzahl aufgeteilt werden muß, ergibt sich eine Mindestleiterzahl, die für jede Type die ausführbare Spannung nach unten begrenzt.

FUNKTION

Verbindet man die Zusatzwicklung (Stator) mit der Erregerwicklung (Rotor), so dreht sich der Vektor der Zusatzsspannung Uz1, Uz2, Uz3 um die feststehende Erregerspannung U1, U2, U3 mit dem Verdrehen des Rotors um den Winkel @. Die resultierende beider Spannungen ergibt die Ausgangsspannung U1 + Uz1, U2 + Uz2, U3 + Uz3, die sich zwischen U1 + Uz1 zu U1 – Uz1 stufenlose ändert. Die Verdrehung des Rotors erfolgt nur von 0 bis 180°, da anschließend die Ausgangsspannung wieder ansteigt.

Im Leerlauf ist

I = I1 = Im

Der Leerlaufstrom der Erregerwicklung des Drehtransformators ist größer gegenüber konventionellen Transformatoren. Durch einen kleinen Luftspalt zwischen Stator und Rotor läßt sich dieser jedoch auf vernünftige Werte einstellen.

DEFINITION

Durchgangsleistung: Produkt aus der Ausgangsspannung U1 + Uz1 und Ausgangsstrom.

Typenleistung: Produkt aus Zusatzspannung Uz1 und Ausgangsstrom.