Ferroresonanz in Stromkreisen
Im Jahr 1907 veröffentlichte der französische Ingenieur Joseph Bethenot einen Artikel „Über die Resonanz in Transformatoren“ (Sur le Transformateur? Résonance), in dem er erstmals auf das Phänomen der Ferroresonanz aufmerksam machte.
Direkt 13 Jahre später wurde der Begriff „Ferroresonanz“ auch von dem französischen Ingenieur und Lehrer für Elektrotechnik Paul Bouchereau in seinem Artikel „Die Existenz zweier Regime der Ferroresonanz“ (Öxistence de Deux Régimes en Ferroresonance) aus dem Jahr 1920 eingeführt. Bouchereau analysierte das Phänomen der Ferroresonanz und zeigte, dass es in einem Schaltkreis aus einem Kondensator, einem Widerstand und einer nichtlinearen Induktivität zwei stabile Resonanzfrequenzen gibt.
Daher hängt das Phänomen der Ferroresonanz mit der Nichtlinearität des induktiven Elements im Stromkreis zusammen. Die nichtlineare Resonanz, die in einem Stromkreis auftreten kann, wird als Ferroresonanz bezeichnet, und für ihr Auftreten ist es erforderlich, dass der Stromkreis Nichtlinearität enthält Induktivität und gewöhnliche Kapazität.
Offensichtlich ist Ferroresonanz linearen Schaltkreisen absolut nicht eigen. Wenn die Induktivität im Stromkreis linear und die Kapazität nichtlinear ist, ist ein Phänomen ähnlich der Ferroresonanz möglich.Das Hauptmerkmal der Ferroresonanz besteht darin, dass ein Schaltkreis je nach Art der Störung durch unterschiedliche Moden dieser nichtlinearen Resonanz gekennzeichnet ist.
Wie kann Induktivität nichtlinear sein? Vor allem deshalb, weil Magnetkreis Dieses Element besteht aus einem Material, das nichtlinear auf ein Magnetfeld reagiert. Normalerweise bestehen die Kerne aus Ferromagneten oder Ferrimagneten, und als der Begriff „Ferroresonanz“ von Paul Bouchereau eingeführt wurde, war die Theorie des Ferrimagnetismus noch nicht vollständig entwickelt und alle Materialien dieser Art wurden Ferromagnete genannt, weshalb für diese Bezeichnung der Begriff „Ferroresonanz“ entstand des Phänomens der Resonanz in einem Stromkreis mit einer nichtlinearen Induktivität.
Ferroresonanz nimmt Resonanz mit gesättigter Induktivität an... In einem herkömmlichen Resonanzkreis sind die kapazitiven und induktiven Widerstände immer gleich und die einzige Bedingung für das Auftreten von Überspannung oder Überstrom besteht darin, dass die Schwingungen mit der Resonanzfrequenz übereinstimmen, das ist gerechtfertigt ein stabiler Zustand und leicht zu verhindern, indem die Frequenz kontinuierlich überwacht oder aktiver Widerstand eingeführt wird.
Anders verhält es sich mit der Ferroresonanz. Der induktive Widerstand steht im Zusammenhang mit der magnetischen Flussdichte im Kern, beispielsweise im Eisenkern des Transformators, und es ergeben sich grundsätzlich zwei induktive Reaktanzen, abhängig von der Situation bezüglich der Sättigungskurve: lineare induktive Reaktanz und Sättigungsinduktionsreaktanz .
Ferroresonanz kann also wie Resonanz in einem RLC-Kreis zwei Haupttypen haben: Ferroresonanz von Strömen und Ferroresonanz von Spannungen... Bei der Reihenschaltung von Induktivität und Kapazität besteht die Tendenz zur Ferroresonanz von Spannungen, bei einer Parallelschaltung z Ferroresonanz von Strömen. Wenn der Stromkreis stark verzweigt ist und komplexe Verbindungen vorliegen, kann in diesem Fall nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob darin Ströme oder Spannungen vorhanden sind.
Der Ferroresonanzmodus kann fundamental, subharmonisch, quasiperiodisch oder chaotisch sein. Im Grundmodus entsprechen die Schwankungen der Ströme und Spannungen der Frequenz des Systems. Im subharmonischen Modus haben die Ströme und Spannungen eine niedrigere Frequenz, bei der die Grundfrequenz harmonisch ist. Quasiperiodische und chaotische Modi sind selten. Die Art des im System auftretenden Ferroresonanzmodus hängt von den Systemparametern und den Anfangsbedingungen ab.
Unter normalen Betriebsbedingungen von Drehstromnetzen ist eine Ferroresonanz unwahrscheinlich, da die Kapazitäten der Elemente, aus denen das Netz besteht, durch die Induktivität des Versorgungseingangsnetzes reduziert werden.
In Netzwerken mit einem ungeerdeten Neutralleiter tritt Ferroresonanz eher im unvollständigen Phasenmodus auf. Die Isolierung des Neutralleiters führt dazu, dass die Kapazität des Netzes gegenüber der Erde in Reihe mit dem Leistungstransformator liegt und solche Bedingungen die Ferroresonanz begünstigen. Ein solcher für die Ferroresonanz günstiger unvollständiger Phasenmodus tritt auf, wenn beispielsweise eine der Phasen unterbrochen ist, ein unvollständiger Phaseneinschluss vorliegt oder ein asymmetrischer Kurzschluss vorliegt.
Die plötzlich im Stromnetz auftretende Ferroresonanz ist schädlich und kann zu Geräteschäden führen.Am gefährlichsten ist der Grundmodus der Ferroresonanz, wenn seine Frequenz mit der Grundfrequenz des Systems übereinstimmt. Subharmonische Ferroresonanz bei Frequenzen von 1/5 und 1/3 der Grundfrequenz ist weniger gefährlich, da die Ströme kleiner sind. Daher sind viele Ausfälle in Stromnetzen und anderen Energiesystemen genau auf Ferroresonanz zurückzuführen, auch wenn die Ursache zunächst unklar erscheinen mag.
Unterbrechungen, Verbindungen, Transienten, Blitzstoß kann Ferroresonanz verursachen. Eine Änderung des Netzwerkbetriebsmodus oder ein äußerer Einfluss oder Unfall kann einen Ferroresonanzmodus auslösen, auch wenn dies möglicherweise über einen längeren Zeitraum hinweg nicht wahrnehmbar ist.
Schäden an Spannungswandlern werden häufig gerade durch Ferroresonanz verursacht, die durch die Einwirkung von Strömen, die alle möglichen Grenzwerte überschreiten, zu einer zerstörerischen Überhitzung führt. Um solche mit Überhitzung verbundenen Probleme zu vermeiden, werden technische Maßnahmen ergriffen, die eine dauerhafte oder vorübergehende Erhöhung des aktiven Verlusts im Resonanzkreis zur Minimierung des Resonanzeffekts bewirken. Solche technischen Maßnahmen bestehen beispielsweise darin, dass der Magnetkreis des Transformators teilweise aus dicken Stahlblechen besteht.