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Transformatorkern

Transformatorkerne sorgen für eine effiziente magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen. Erfahren Sie alles über Transformatorkerntypen, wie sie aufgebaut sind und was sie tun.

Ein Transformatorkern ist eine Struktur aus dünnen, laminierten Blechen aus Eisenmetall (am häufigsten Siliziumstahl), die so gestapelt sind, dass die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators umwickelt sind.

Teile des Kerns
Ein Transformatorkern ist eine Struktur aus dünnen, laminierten Blechen aus Eisenmetall (am häufigsten Siliziumstahl), die so gestapelt sind, dass die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators umwickelt sind.

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Glieder
Im obigen Beispiel sind die Schenkel des Kerns die vertikalen Abschnitte, um die herum die Spulen geformt sind. Bei einigen Kernausführungen können die Schenkel auch an der Außenseite der äußersten Spulen angebracht sein. Die Schenkel eines Transformatorkerns können auch als Beine bezeichnet werden.

Joch
Das Joch ist der horizontale Abschnitt des Kerns, der die Gliedmaßen miteinander verbindet. Das Joch und die Gliedmaßen bilden einen Weg für den freien Fluss des Magnetflusses.

Funktion des Transformatorkerns
Der Transformatorkern sorgt für eine effiziente magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen und erleichtert so die Übertragung elektrischer Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite.

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Wenn Sie zwei Drahtspulen nebeneinander haben und einen elektrischen Strom durch eine davon leiten, wird in der zweiten Spule ein elektromagnetisches Feld induziert, das durch mehrere symmetrische Linien dargestellt werden kann, deren Richtung vom Nord- zum Südpol verläuft – sogenannte Linien von Flussmittel. Wenn nur die Spulen verwendet werden, ist der Weg des Flusses unfokussiert und die Flussdichte ist gering.
Durch das Hinzufügen eines Eisenkerns in den Spulen wird der Fluss fokussiert und vergrößert, um eine effizientere Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärseite zu ermöglichen. Dies liegt daran, dass die Durchlässigkeit von Eisen viel höher ist als die von Luft. Wenn wir uns den elektromagnetischen Fluss wie eine Gruppe von Autos vorstellen, die von einem Ort zum anderen fahren, ist das Wickeln einer Spule um einen Eisenkern so, als würde man eine kurvenreiche unbefestigte Straße durch eine Autobahn ersetzen. Es ist viel effizienter.

Art des Kernmaterials
Die frühesten Transformatorkerne verwendeten massives Eisen. Im Laufe der Jahre wurden jedoch Methoden entwickelt, um Roheisenerz zu durchlässigeren Materialien wie Siliziumstahl zu veredeln, der heute aufgrund seiner höheren Permeabilität für Transformatorkernkonstruktionen verwendet wird. Außerdem reduziert die Verwendung vieler dicht gepackter laminierter Bleche Probleme mit zirkulierenden Strömen und Überhitzung, die durch Konstruktionen mit massivem Eisenkern verursacht werden. Weitere Verbesserungen des Kerndesigns werden durch Kaltwalzen, Glühen und die Verwendung von kornorientiertem Stahl erzielt.

1. Kaltwalzen
Siliziumstahl ist ein weicheres Metall. Kaltgewalztes Siliziumstahl erhöht seine Festigkeit und macht es haltbarer beim Zusammenbau von Kern und Spulen.

2.Glühen
Beim Glühprozess wird der Kernstahl auf eine hohe Temperatur erhitzt, um Verunreinigungen zu entfernen. Dieser Prozess erhöht die Weichheit und Duktilität des Metalls.

3. Kornorientierter Stahl
Siliziumstahl weist bereits eine sehr hohe Permeabilität auf, diese lässt sich jedoch noch steigern, indem man die Maserung des Stahls in die gleiche Richtung ausrichtet. Kornorientierter Stahl kann die Flussdichte um 30 % erhöhen.

Drei, vier und fünf Gliedmaßenkerne

Kern mit drei Gliedmaßen
Kerne mit drei Schenkeln werden häufig für Trockentransformatoren der Verteilungsklasse verwendet – sowohl für Nieder- als auch für Mittelspannungstransformatoren. Das dreigliedrige gestapelte Kerndesign wird auch für größere ölgefüllte Transformatoren der Leistungsklasse verwendet. Bei ölgefüllten Verteilungstransformatoren kommt es seltener vor, dass ein dreiarmiger Kern verwendet wird.

Aufgrund des Fehlens eines oder mehrerer Außenschenkel ist der dreibeinige Kern allein nicht für Stern-Transformator-Konfigurationen geeignet. Wie das Bild unten zeigt, gibt es keinen Rückweg für den Nullsystemfluss, der bei Sterntransformatorkonstruktionen vorhanden ist. Der Nullsystemstrom ohne ausreichenden Rückweg wird versuchen, einen alternativen Weg zu schaffen, entweder über Luftspalte oder den Transformatorkessel selbst, was schließlich zu Überhitzung und möglicherweise zum Ausfall des Transformators führen kann.

(Erfahren Sie, wie Transformatoren durch ihre Kühlklasse mit Wärme umgehen)

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Kern mit vier Gliedmaßen
Anstatt eine vergrabene Dreiecks-Tertiärwicklung zu verwenden, bietet ein Kerndesign mit vier Schenkeln einen äußeren Schenkel für den Rückfluss. Diese Art der Kernkonstruktion ist auch in ihrer Funktionalität einer Fünfschenkelkonstruktion sehr ähnlich, was dazu beiträgt, Überhitzung und zusätzliche Transformatorgeräusche zu reduzieren.

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Kern mit fünf Gliedmaßen

Fünfbeinige gewickelte Kernkonstruktionen sind heute der Standard für alle Verteilungstransformatoranwendungen (unabhängig davon, ob die Einheit Stern-Stern-Einheit ist oder nicht). Da die Querschnittsfläche der drei inneren Schenkel, die von den Spulen umgeben sind, doppelt so groß ist wie bei der Konstruktion mit drei Schenkeln, kann die Querschnittsfläche des Jochs und der äußeren Schenkel halb so groß sein wie die der inneren Schenkel. Dies trägt dazu bei, Material zu sparen und die Produktionskosten zu senken.


Zeitpunkt der Veröffentlichung: 05.08.2024