Entwicklung eines Simulationsmodells für Leistungstransformatoren zur Betrachtung magnetischer Flüsse bei Sättigung

Inhalt:
Für die Auslegung und das Design von Leistungstransformatoren wird stets von idealen symmetrischen, sinusförmigen Phasenspannung und -strömen ausgegangen. In der Praxis kann es jedoch vorkommen, dass Transformatoren in Hoch- und Höchstspannungsnetzen mit einem zusätzlichen, parasitären Gleichstrom (DC) belastet werden. Die Auswirkungen eines solchen parasitären DCs werden im Eisenkern eines Transformators deutlich. Der Gleichanteil verschiebt den magnetischen Arbeitspunkt des Kernmaterials und führt zu einer Halbwellensättigung des Kerns. Dies wiederum führt zu erhöhten Verlusten, einem Anstieg des Blindleistungsbedarfs, erhöhten Betriebsvibrationen und steigender Geräusche mit untypischen harmonischen Anteilen. Während der Sättigung des Eisenkerns ändert sich die Verteilung des magnetischen Flusses. Die nur wenig durchfluteten Streupfade werden dadurch mit einem erhöhten magnetischen Fluss beaufschlagt. Um die erhöhte Beanspruchung bereits während der Planungs- und Designphase berücksichtigen zu können wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches die Topologie des magnetischen Kreises mit allen flussführenden Elementen abbilden kann. Als Simulationsumgebung wird Matlab Simulink eingesetzt. Speziell für die elektrischen und magnetischen Kreise wird die Simscape Toolbox innerhalb Simulink eingesetzt. Eine erste Validierung des Modells wird anhand eines dreischenkligen 2 kVA, Yy0 Transformators durchgeführt. Um das Transformatorverhalten vor allem im Bereich der Sättigung validieren zu können wird der Transformator in einem einphasigen Messaufbau mit einem zusätzlichen Gleichstrom beaufschlagt.