Ein Transformator ist ein elektromagnetisches Gerät, das dazu dient, Wechselstrom mit einer bestimmten Spannung und Frequenz in Wechselstrom mit einer anderen (oder gleichen) Spannung und der gleichen Frequenz umzuwandeln.
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Aufbau und Funktion eines Transformators
Im einfachsten Fall Transformator enthält eine Primärwicklung mit der Windungszahl W1 und ein Sekundärteil mit W2. Die Energie wird an die Primärwicklung, die Last an die Sekundärwicklung angeschlossen. Die Energieübertragung erfolgt durch elektromagnetische Induktion. Um die elektromagnetische Kopplung zu verbessern, werden die Wicklungen in der Regel auf einen geschlossenen Kern (Magnetkern) montiert.
Wenn die Wechselspannung U1an die Primärwicklung angelegt wird, wird der Wechselstrom I1der im Kern einen magnetischen Fluss F mit der gleichen Form induziert. Dieser magnetische Fluss induziert eine EMK in der Sekundärwicklung. Wenn eine Last an den Sekundärkreis angeschlossen ist, wird ein Sekundärstrom I2.
Die Spannung in der Sekundärwicklung wird bestimmt durch das Verhältnis der Windungen W1 und W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, wobei k Transformationsverhältnis.
Wenn k<1 dann U2>U1und ein solcher Transformator wird als Aufwärtstransformator bezeichnet. Wenn k>1 , dann U2
Ein Transformator kann mehr als eine Sekundärwicklung mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen haben. Ein 220-Volt-Transformator zur Versorgung von Haushaltsglühbirnen kann beispielsweise eine Sekundärwicklung haben, z. B. 500 Volt zur Versorgung der Anodenkreise und 6 Volt zur Versorgung der Glühkreise. Im ersten Fall ist k<1, im zweiten Fall k>1.
Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselspannungen - der magnetische Fluss muss sich ändern, damit eine EMK in der Sekundärwicklung entsteht.
Kerntypen für Transformatoren
In der Praxis werden nicht nur Kerne mit der angegebenen Form verwendet. Je nach Verwendungszweck des Geräts können die Magnetkerne auf unterschiedliche Weise hergestellt werden.
Kerne Kerne
Die Kerne von Niederfrequenztransformatoren werden aus Stahl mit ausgeprägten magnetischen Eigenschaften hergestellt. Um Wirbelströme zu reduzieren, besteht das Kernfeld aus einzelnen Platten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Für hohe Frequenzen werden andere Materialien wie Ferrit verwendet.
Der oben beschriebene Kern wird als Kernfeld bezeichnet und besteht aus zwei Stäben. Bei Einphasentransformatoren werden auch dreiadrige Kerne verwendet. Sie haben einen geringeren magnetischen Streufluss und einen höheren Wirkungsgrad. In diesem Fall sind sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen auf dem zentralen Kern angeordnet.
Dreiphasentransformatoren werden auch auf Dreiphasenkernen hergestellt. Die Primär- und Sekundärwicklungen jeder Phase befinden sich jeweils auf einem eigenen Kern. In einigen Fällen werden fünf Kerne verwendet. Sie haben die gleiche Anordnung, wobei sich die Primär- und Sekundärkerne auf jeder Seite des Kerns befinden und die beiden äußersten Kerne auf jeder Seite zur Kopplung der Magnetflüsse bei bestimmten Vorgängen verwendet werden.
Gepanzerte Kerne
Einphasentransformatoren werden mit gepanzerten Kernen hergestellt - beide Spulen befinden sich auf dem zentralen Kern des Magnetkerns. Der magnetische Fluss in diesem Kern ist ähnlich wie bei einem Dreikerngerät gekoppelt, d. h. über die Seitenwände. Der Streufluss ist in diesem Fall sehr gering.
Der Vorteil dieser Konstruktion ist ein gewisser Zugewinn an Größe und Gewicht, da das Kernfenster dichter mit Wicklungen gefüllt werden kann, so dass es vorteilhaft ist, gepanzerte Kerne für Transformatoren mit geringer Leistung zu verwenden. Die Folge davon ist auch ein kürzerer Magnetkreis, was zu geringeren Leerlaufverlusten führt.
Die Nachteile bestehen darin, dass die Wicklungen für Inspektionen und Reparaturen schwerer zugänglich sind und die Isolierung für hohe Spannungen aufwändiger zu fertigen ist.
Toroidal
Bei Ringkernen ist der magnetische Fluss vollständig im Kern eingeschlossen und es gibt praktisch keinen magnetischen Streufluss. Diese Transformatoren sind jedoch schwer zu wickeln und werden daher nur selten verwendet, z. B. in geregelten Spartransformatoren mit kleinen Leistungen oder in Hochfrequenzanwendungen, bei denen die Störfestigkeit wichtig ist.
Spartransformator
In einigen Fällen ist es ratsam, Transformatoren zu verwenden, bei denen die Wicklungen nicht nur magnetisch, sondern auch elektrisch verbunden sind. Das heißt, dass bei einer Aufwärtsschaltung die Primärwicklung Teil der Sekundärwicklung ist und bei einer Abwärtsschaltung die Sekundärwicklung Teil der Primärwicklung ist. Ein solches Gerät wird als Spartransformator (AT) bezeichnet.
Ein Abwärts-Spartransformator ist kein einfacher Spannungsteiler - bei der Übertragung von Energie auf den Sekundärkreis ist auch eine magnetische Kopplung beteiligt.
Die Vorteile von Spartransformatoren sind:
- geringere Verluste;
- die Möglichkeit der stufenlosen Spannungsregelung;
- geringere Abmessungen (Autotransformatoren sind billiger und leichter zu transportieren);
- Geringere Kosten aufgrund des geringeren Materialbedarfs.
Zu den Nachteilen gehören die Notwendigkeit einer höheren Spannungsisolierung beider Wicklungen und das Fehlen einer galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang, wodurch Witterungseinflüsse vom Primär- auf den Sekundärkreis übertragen werden können. Gleichzeitig dürfen die Elemente des Sekundärkreises nicht geerdet werden. Auch die erhöhten Kurzschlussströme werden als Nachteil des AT angesehen. Bei dreiphasigen Spartransformatoren werden die Wicklungen in der Regel in Sternschaltung mit geerdetem Nullleiter angeschlossen, andere Anschlussschemata sind möglich, aber zu kompliziert und umständlich. Dies ist auch ein Nachteil, der die Verwendung von Spartransformatoren einschränken kann.
Anwendungen für Transformatoren
Die Eigenschaft von Transformatoren, die Spannung zu erhöhen oder zu verringern, wird in der Industrie und in Privathaushalten häufig genutzt.
Spannungsumwandlung
Die industrielle Spannungsebene hat in verschiedenen Phasen unterschiedliche Anforderungen. Aus verschiedenen Gründen ist es nicht rentabel, Hochspannungsgeneratoren für die Stromerzeugung einzusetzen. Deshalb werden z. B. in Wasserkraftwerken Generatoren von 6...35 kV eingesetzt. Für den Stromtransport sind dagegen höhere Spannungen erforderlich - je nach Entfernung zwischen 110 kV und 1.150 kV. Diese Spannung wird dann wieder auf 6...10 kV reduziert, an lokale Umspannwerke verteilt, von wo aus sie auf 380 (220) Volt reduziert und an den Endverbraucher geliefert wird. Für Haushalts- und Industriegeräte muss sie weiter reduziert werden, normalerweise auf 3...36 Volt.
Alle diese Schritte werden mit Hilfe von Leistungstransformatoren. Diese können trocken oder in Öl ausgeführt sein. Bei letzteren befinden sich der Kern und die Wicklungen in einem Öltank, der als Isolier- und Kühlmedium dient.
Galvanische Isolierung
Die galvanische Isolierung erhöht die Sicherheit der elektrischen Geräte. Wenn das Gerät nicht direkt vom 220-Volt-Netz gespeist wird, bei dem einer der Leiter mit der Erde verbunden ist, sondern über einen 220/220-Volt-Transformator, bleibt die Versorgungsspannung gleich. Wenn sich jedoch die Erde und die sekundären stromführenden Teile gleichzeitig berühren, kann der Strom nicht fließen und die Gefahr eines Stromschlags ist viel geringer.
Messung der Spannung
In allen elektrischen Anlagen muss die Spannungshöhe überwacht werden. Wird eine Spannungsklasse bis 1000 Volt verwendet, werden Voltmeter direkt an spannungsführenden Teilen angebracht. In Anlagen über 1000 Volt ist dies nicht möglich - die Geräte sind zu schwerfällig und im Falle eines Isolationsfehlers möglicherweise nicht sicher. Daher werden in solchen Systemen die Voltmeter über Transformatoren mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis an Hochspannungsleitungen angeschlossen. Für 10-kV-Netze werden beispielsweise 1:100-Transformatoren verwendet, und die Ausgangsspannung beträgt standardmäßig 100 Volt. Ändert sich die Amplitude der Primärspannung, so ändert sie sich gleichzeitig auch in der Sekundärspannung. Die Skala eines Voltmeters ist in der Regel in den Primärspannungsbereich eingeteilt.
Transformatoren sind recht komplex und teuer in der Herstellung und Wartung. Bei vielen Anwendungen sind diese Geräte jedoch unverzichtbar und es gibt keine Alternative.
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