53.35 Stromrichter, Transformatoren
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The active part of a transformer consists primarily of the core and the winding blocks. By definition, the active part includes all of the components that lead a current or are energized by an electromagnetic field and are required to transform the voltage from a higher level to a lower level or vice versa. A winding block consists of the winding itself, insulation materials and the clamping ring. Clamping rings that are located at the top of winding blocks consist of cellulose fibers. These rings are necessary in order to sustain the clamping force on the windings during operation so that a transformer can withstand high forces in case of short circuits or power line faults. Due to recent changes in the supplier’s production process, these clamping rings sometimes break during the transformers’ manufacturing process. Such breakages result in high costs. The aim of this study is to therefore identify the reasons behind the mechanical failure of clamping rings during the manufacturing process – when the clamping force is applied – in order to avoid future failure of these elements. For this purpose, a material model was developed to analyze the stress states which cause the clamping rings to fail. Furthermore, strength tests were conducted on the clamping ring material itself in order to establish the mechanical strengths. Numerous effects had to be considered since the material consisting of cellulose fibers exhibits a complex material behavior. The result of this study is an orthotropic material model which can be used to analyze stress states in clamping rings when the clamping force is applied. By comparing the simulated stress states to the established strengths, the limitations could be identified. As a result of identifying the critical stress states inside the clamping rings during the manufacturing process, measures can be derived and analyzed in order to generate a safe design for these components. In order to reduce mechanical stresses inside of the clamping rings during the clamping process, it is recommended that clamping base plates be designed and the alignment of the hydraulic jacks be modified.
Durch die Entscheidung zur Spezialisierung auf Nischenprodukte mit höheren Scheinleistungen ergeben sich neue Anforderungen an das Design der Transformatoren. Zur Sicherung der Marktposition soll die wirtschaftliche und einfache Bauform von Verteiltransformatoren aber bestmöglich beibehalten werden. Daher ist die Realisierung der Wicklung, welche eine essenzielle Baugruppe des Transformators darstellt, von zentraler Bedeutung. Mit steigender Scheinleistung sowie zunehmenden Überlasten stoßt das Design von Verteiltransformatoren früher oder später an die Grenzen der Betriebssicherheit. Dadurch ist es von hohem Interesse, die relevanten Kriterien zu eruieren und einen erzwungenen Wechsel auf das aufwändigere Design von Leistungstransformatoren hinauszuschieben. Der Fokus liegt daher bei den, für Verteiltransformatoren üblichen, Wicklungsarten Band- und Lagenwicklung sowie bei der Wendel- und Scheibenwicklung aus dem Bereich Leistungstransformatoren. Die Erarbeitung des jeweiligen Aufbaus und der individuellen Eigenschaften bildet dabei die Grundlage für die weiteren Untersuchungen. Im Zuge dieser Untersuchungen werden die Schwerpunkte thermische Beanspruchung, mechanische Beanspruchung, Spannungsfestigkeit und Herstellkosten behandelt und die Vor- und Nachteile der jeweiligen Wicklungsarten im Detail betrachtet. Die Untersuchungsergebnisse geben zum einen Aufschluss über die Eignung sowie Schwachstellen und ermöglichen zum anderen die Gegenüberstellung der Wicklungsarten. Dadurch ist die abschließende Empfehlung für die optimale Anwendung der jeweiligen Wicklungsart möglich.
Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Windkraft ist stark windabhängig und deswegen sehr volatil. Daraus folgende Übererregungsbedingungen aus Spannungs- und Frequenzanforderungen an das Energieversorgungsnetz, an Windenergieanlagen und ihren Komponenten haben auch Einfluss auf die Auslegung der Nennbetriebsflussdichte und Einfluss auf die Verluste des Eisenkerns und damit auf das Design des Transformators. Hohe magnetische Flussdichten führen zu höheren Verlusten. Durch größere Kerne werden die Verluste verringert, da dies eine Senkung der magnetischen Flussdichte zur Folge hat. Damit steigen wiederum die Kosten und das Gewicht. Darüber hinaus nehmen Abweichungen zwischen der Verlustberechnung und den Messergebnissen Einfluss auf das Gewicht und die Kosten. Der Eisenkern muss so klein wie möglich und so groß wie nötig ausgelegt sein. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Auslegung der maximalen Nennbetriebsflussdichte für Eisenkerne. Darüber hinaus thematisiert diese Arbeit die Identifizierung der Abweichung für eine bestimmte Auslegung und zeigt die mögliche Einsparung. Die Herkunft der Übererregungsbedingungen und ihre Grenzwerte sind aus diesem Grund ausgearbeitet. Die gemessene Magnetisierungskurve veranschaulicht die Einschränkungen der Nennbetriebsflussdichte. Die Messungen zeigen auch die Abweichung einer Verlustberechnung von den Messergebnissen. Darüber hinaus wird die Kernquerschnittsfläche eines Eisenkerns optimiert und das Kosteneinsparungspotential gezeigt. Zudem wird dieser Kern mit alternativen Kernverlustberechnungen analysiert. Die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung können zur Optimierung der Nennbetriebsflussdichte angewendet und darüber hinaus die gezeigten Ansätze alternativer Kernverlustberechnungen für weitere Analysen und Verlustoptimierungen genutzt werden.
Automatisierung in der Transformatorenproduktion ist aufgrund der individuellen Fertigung eine große Herausforderung, jedoch für den nachhaltigen Unternehmenserfolg unumgänglich. Deshalb wird punktuell in jenen Bereichen automatisiert, die sich als geeignet erweisen. Die Systemanforderungen sind hierbei vor allem der Umgang mit einer großen Bandbreite an verschiedenen Bauformen. Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Automatisierung der Aktivteil-Vormessung von Transformatoren. Besonders wird auf die Realisierung einer autonomen Umschaltvorrichtung für den Stufenschalter während des Prüfprozesses eingegangen. Dafür wird zuerst die Funktionsweise und der Aufbau der verschiedenen Stufenschalter-Bauformen behandelt und mittels Versuche deren benötigter Kraft- und Momentaufwand für eine Schalthandlung erfasst. Daraus folgend wird die geeignete Antriebstechnik und Sensorik eruiert und verschiedene Konstruktionskonzepte der Umschaltvorrichtung evaluiert. Das geeignetste Konzept wird umgesetzt, über eine Simatic S7 SPS gesteuert und in einem Versuchsaufbau getestet. Mit dem dadurch entwickelten und optimierten GRAPH-Programm ist der Prototyp in der Lage, verschiedenste Bauformen von Stufenschalter zu bedienen. Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die Konzeptionierung einer automatisierungs- und normgerechten Prüfzelle, um Messungen ohne Anwesenheit von Personal durchführen zu können. Die Ergebnisse dieser Versuche helfen bei der Verbesserung von Hard- und Software und zeigen Herausforderungen und Lösungswege für die Implementierung in die Fertigungslinie auf.
