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Heute lüften wir das Geheimnis der Remanenz. Was ist Remanenz, wie entsteht sie und was hat sie für Auswirkungen auf das Übertragungsverhalten eines Stromwandlers?
Schaut Euch dazu unseren neuen Video-Beitrag an oder lest den Artikel in voller Länge (Textbeitrag unter dem Video).
Das Phänomen der Remanenz, auch als Restmagnetismus bezeichnet, beschreibt die verbleibende Magnetisierung des Eisenkerns, nachdem die eigentliche Ursache, ein externes Magnetfeld, entfernt wurde. Im Falle eines Stromwandlers heißt das, der Kern bleibt magnetisiert, obwohl kein Strom mehr fließt.
Gehen wir also von unserem stromdurchflossenen Wandlermodell aus.
Das Magnetfeld der stromdurchflossenen Primärspule erzeugt einen magnetischen Fluss in einem zuvor magnetisch neutralen Eisenkern. Durch den magnetischen Fluss bzw. die im Kern wirkende magnetische Flussdichte wird der Eisenkern erheblich magnetisiert. Wenn wir nun den Stromfluss wieder unterbrechen, geht die magnetische Flussdichte im Eisenkern nicht wieder auf Null zurück, sondern bleibt auf ihrem Remanenzwert bestehen.
Um das Phänomen zu verstehen, müssen wir uns den Eisenkern im Detail ansehen.
Der Eisenkern stellt ein magnetisierbares Material dar, welches in seinem Inneren aus vielen kleinen Elementarmagneten besteht.
Elementarmagneten sind die Einheiten, die einen magnetischen Dipol feststehender Größe aufweisen und eine variable Richtung besitzen. Sind die Elementarmagnete in allen Richtungen gleich häufig vertreten, so heben sich ihre Magnetfelder auf und der Eisenkern tritt unmagnetisch in Erscheinung.
Sind die Elementarmagnete dagegen vermehrt längs einer bestimmten Richtung ausgerichtet, so bildet die Summe ihrer Magnetfelder ein außen am Kern messbares Gesamtmagnetfeld und der Kern ist magnetisiert.
Da Eisen zu den ferromagnetischen Werkstoffen gehört, sind die Elementarmagnete auch ohne das magnetische Feld der Spule in kleinen Bereichen zueinander parallel eingestellt. Diese Bereiche werden als Domänen bezeichnet und sind uns evtl. auch noch als „Weisssche Bezirke“ aus dem Physikunterricht bekannt. Dabei handelt es sich um circa 10 μm bis 1 mm große Bereiche, welche durch die sogenannten Bloch-Wände voneinander getrennt sind.
Betrachten wir nun den gesamten Zyklus eines Stromwandlers auf der Ebene der Elementarmagneten. Dabei gehen wir zunächst von einem vollständig entmagnetisierten Stromwandlerkern aus.
Wir nehmen den Wandler in Betrieb und schalten einen primären Stromfluss zu. Dadurch werden die Elementarmagnete entlang der Richtung der magnetischen Feldlinien ausgerichtet.
Wenn wir nun den Stromfluss wieder unterbrechen, wird das äußere Feld entfernt und die Elementarmagnete gehen nicht vollständig in ihre neutrale Ausgangsposition zurück. Vielmehr bilden sich nun die beschriebenen Domänen mit jeweils gleicher Richtungsausrichtung. Diese weissschen Bezirke sind der Grund für den verbleibenden Restmagnetismus im Eisenkern.
Besonders interessant wird es, wenn wir uns die Remanenz in Bezug auf den sinusförmigen Wechselstrom ansehen. In unserer nachstehenden Kennlinie ist der Punkt der Remanenz in der Ordinate gekennzeichnet. Wie wir sehen, fällt die Magnetisierung des Kernes im Moment des Stromnulldurchgangs nicht auf Null zurück, sondern beharrt auf dem Wert der Restmagnetisierung. Da im Verlauf des Flusses keine Sprünge auftreten können, beginnt die Aufmagnetisierung immer vom letzten Punkt weg.
Hohe Betriebsströme sowie jeder einzelne Kurzschluss fügen einem Wandler Remanenzfluss hinzu. Die im Laufe der Zeit akkumulierte Remanenz führt dazu, dass der Wandler bereits bei Fehlern mit geringen Kurzschlussstrom in die Sättigung geht. Je höher die Remanenz, umso weniger Kurzschlussstrom reicht aus, um den Wandler in die Sättigung zu treiben. Die Remanenz ist damit maßgebend für das transiente Übertragungsverhalten eines Stromwandlers entscheidend. Unter Punkt 3.6.2 „Stromwandlerklassen“ kommen wir auf die Unterschiede und Auswirkungen unterschiedlicher Remanenz- und Wandlerklassen zu sprechen.
Zusammenfassung:
🌐 Auch wenn kein Strom mehr durch den Wandler fließt, bleibt bei ferromagnetischen Kernmaterialien wie z.B. Eisen ein Remanenzfluss bestehen.
🌐 Vor allem Kurzschlüsse mit hohen Gleichstromgliedern fügen eisengeschlossenen Wandlern Remanenz hinzu.
🌐 Remanenz verringert die Übertragungsfähigkeit des Wandlers, da dieser eher in die Sättigung geht.
🌐 Remanenz kann mit einem oder mehreren Luftspalten im Kern begrenzt bzw. beseitigt werden.
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Das nächste große Kapitel ist dann die Stromwandlertheorie und das Übertragungsverhalten. Diesem Kapitel entstammt auch dieser Beitrag zum Thema Remanenz. Wir widmen uns hier außerdem sehr intensiv den elementar wichtigen Themen wie Stromflussrichtung, Ersatzschalt- und Zeigerbild und der Sättigung von Stromwandlern. Wir schauen uns detailliert die wesentlichen Kenngrößen, die Differentialgleichungen und das stationäre sowie transiente Übertragungsverhalten von Stromwandlern für Messzwecke und von Stromwandlern für Schutzzwecke an.
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist dann der Betrieb und die Schaltungsarten von Stromwandlern, sowie deren Erdung. Hierbei gehen wir auch auf die Besonderheiten von Umbauwandlern und der Holmgreenschaltung ein. Abschließend behandeln wir dann die norm- und fachgerechte Auslegung von Stromwandlern für Schutz- und Messzwecke.
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