Wann tritt der Magnetisierungseinschaltstrom in Transformatoren auf?

Magnetisierende Einschaltvorgänge treten zudem mit einer viel höheren Frequenz auf als Kurzschlüsse, daher lohnt es sich, dieses Phänomen genauer zu untersuchen.

Betrachten wir, was beim erstmaligen Einschalten eines Einphasentransformators geschieht. Der magnetische Fluss im Kern entspricht dem Integral der Erregerspannung.

Wird der Stromkreis geschlossen, wenn die Spannung den Nulldurchgang durchläuft und der Anfangsfluss null ist, ist der sinusförmige Fluss vollständig von Null abgehoben. Der Spitzenwert des abgehobenen Flusses ist doppelt so hoch wie der Spitzenwert des symmetrischen sinusförmigen Flusses. Anders ausgedrückt: Der Spitzenwert des abgehobenen Flusses kann nahezu doppelt so hoch sein wie der normale Spitzenwert, was üblicherweise ausreicht, um den Kern in die Sättigung zu treiben.

An diesem Punkt ist die einzige Begrenzung des Magnetisierungsstroms die Luftkernimpedanz der Wicklung, die um Größenordnungen kleiner ist als die normale Magnetisierungsimpedanz.

Daher ist der Feldstrom während der Halbperiode der Kernsättigung wesentlich größer als der normale Feldstrom. Während der entgegengesetzten Halbperiode ist der Kern nicht mehr gesättigt, und der Feldstrom entspricht annähernd dem normalen Feldstrom.

Die Situation verschärft sich noch, wenn im Kern ein Restfluss vorhanden ist und dessen Richtung mit der Richtung der Abweichung der sinusförmigen Flusswelle übereinstimmt. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. Zu beachten ist, dass die Abbildungen 1 und 2 unterschiedliche Stromskalen aufweisen; der in Abbildung 2 dargestellte Spitzenstrom ist daher deutlich höher als der in Abbildung 1 dargestellte.

02 Erregungsspitzenwert

Um den maximalen Stoßstrom zu ermitteln, der nur durch die Luftkernreaktanz begrenzt ist, ist es zweckmäßig, die Induktivität der Wicklung in cgs-Einheiten zu berechnen:

Hier:

N – Anzahl der Spulenwindungen

Amt – Fläche innerhalb des mittleren Spulendurchmessers, cm²

l – die axiale Länge der Spule, cm

L – Spuleninduktivität, μH

Der vom Induktor erzeugte Fluss φL entspricht dem Restfluss plus dem Zweifachen der normalen Flussänderung minus dem Sättigungsfluss, da der Sättigungsfluss im Eisen liegt. φL ist jedoch von der Induktivität und dem Strom abhängig:

Daher wird der Spitzeneinschaltstrom im cgs-Einheitensystem wie folgt ausgedrückt:

Hier:

Ipeak in Ampere und

φr – Restfluss

φn – Änderung des normalen magnetischen Flusses

φs – Sättigungsfluss

Ohne Widerstände im Stromkreis hätte jeder aufeinanderfolgende Spitzenwert denselben Wert, und der Einschaltstrom würde unbegrenzt anhalten. Sind jedoch Widerstände im Stromkreis vorhanden, ist der Spannungsabfall über den Widerstand groß, und der Anstieg des magnetischen Flusses muss nicht mehr so ​​hoch sein wie im vorherigen Zyklus.

Das Integral des Spannungsabfalls entspricht der Nettoverringerung des zur Aufrechterhaltung der angelegten Spannung erforderlichen magnetischen Flusses. Da der Spannungsabfall i×R stets in dieselbe Richtung verläuft, verringert sich der benötigte magnetische Fluss mit jedem Zyklus. Sobald der Spitzenwert des magnetischen Flusses unter den Sättigungswert des Kerns fällt, klingt der Einschaltstrom ab. Die Abklingrate ist nicht exponentiell, ähnelt aber der eines exponentiell abklingenden Stroms.

Wichtig! Bei großen Leistungstransformatoren kann der Einschaltstrom einige Sekunden anhalten, bevor er schließlich abklingt.

Die Leitungsreaktanz reduziert den Einschaltstrom, indem sie die Luftkerninduktivität der Wicklung erhöht. Zwischen Einschaltstrom und Kurzschlussstrom besteht ein direkter Zusammenhang, da beide von der Luftkerninduktivität der Wicklung abhängen.

Bedenken Sie, dass Kurzschlüsse dazu führen, dass der magnetische Fluss aus dem Kern verdrängt wird.

Faustregel! Im Allgemeinen gilt die Faustregel, dass der maximale Einschaltstrom etwas über 90 % des maximalen Kurzschlussstroms liegt. Die durch den Einschaltstrom verursachte magnetische Kraft ist jedoch üblicherweise viel geringer als die Kurzschlusskraft. Da jede Phase nur eine Wicklung enthält, tritt keine magnetische Abstoßung zwischen den Wicklungen auf.

Die Analyse von Magnetisierungseinschaltströmen gestaltet sich bei Drehstromtransformatoren deutlich schwieriger. Dies liegt daran, dass die Phasenwinkel der Erregerspannungen um 120° versetzt sind, eine Strom- und Spannungswechselwirkung zwischen den Phasen auftritt und die drei Pole des Schaltgeräts nicht exakt gleichzeitig geschlossen werden.

Man kann jedoch mit Sicherheit sagen, dass der Spitzenstrom beim Einschaltvorgang eines Dreiphasentransformators nahe am Kurzschlussstrom liegt.

Eine interessante Eigenschaft von Magnetisierungseinschaltströmen ist der hohe Anteil an geradzahligen Oberschwingungen, da sich die Ströme vollständig gegenseitig aufheben. Geradzahlige Oberschwingungen treten in Stromkreisen selten auf.

03 Empathiefluss

Es gibt außerdem ein Phänomen namens „Mitstromstoß“, bei dem ein zuvor eingeschalteter Transformator eine plötzliche Stromänderung aufweist, wenn ein benachbarter Transformator eingeschaltet wird. Dieser Mitstromstoß wird durch die Spannungsänderung im Netz verursacht, die durch den Einschaltstrom des zweiten Transformators hervorgerufen wird.