Transformator Basics
Transformatoren sind unerlässliche elektrische Komponenten, um Strom zwischen verschiedenen Stromkreisen zu übertragen.
Im Laufe der Jahre wurden erhebliche Fortschritte erzielt, um den Energiesektor zu revolutionieren und die effektive Übertragung und Verteilung von Strom zu erleichtern.
Die Geschichte der Transformatoren, von ihren bescheidenen Anfängen bis in die heutige Zeit, belegt den menschlichen Erfindungsreichtum und das ständige Streben nach Innovation im Bereich der Elektrotechnik.
- Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselstrom (AC), nicht mit Gleichstrom (DC)!
- Die Primärseite ist mit der AC-Versorgung verbunden --> der Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld --> die durch das Magnetfeld in der Primärwicklung induzierte Spannung und die Versorgungsspannung halten sich im Gleichgewicht (= Induktionsgesetz)
- Durch den Eisenkern wird der magnetische Fluss zur Sekundärseite geleitet
- Nun wird auch die Sekundärwicklung von einem sich ändernden Magnetfeld durchdrungen --> der magnetische Fluss induziert eine Wechselspannung in der Sekundärspule
- Die induzierte Spannung ist in jeder Windung gleich / die induzierte Spannung beider Spulen ist proportional zur Anzahl ihrer Windungen = Übersetzungsverhältnis des Transformators
- Der Transformator besteht aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern
- Der Kern ist aus einem Stapel einzelner Bleche aufgebaut, welche gegeneinander isoliert sind > Wirbelstromverluste werden somit reduziert
- Primärwicklung = Eingangswicklung --> Spannungsanschluss
- Sekundärwicklung = Ausgangswicklung --> hier ist die elektrische Last angeschlossen
- Besteht im Vergleich zum Trenntransformator nur aus einer Spule, die zur Entnahme der Ausgangsspannung eine oder mehrere Anzapfungen hat
- Primär- und Sekundärseite sind in einer einzigen Spule vereint
- Keine galvanische Trennung
Vorteile:
- Kleinere Bauweise bei gleicher Leistung
- Höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Transformator mit zwei Wicklungen
Nachteile:
- Tritt ein Fehler auf, wie z. B. ein Kurzschluss auf der Primärseite, so ist dieser auch auf der Sekundärseite anzutreffen, da miteinander verbunden
Anwendungsbereich:
Wenn abweichende Spannungen bereitgestellt werden und diese nicht galvanisch getrennt werden müssen.
In der Realität gibt es keinen verlustfreien Transformator
- Verluste aufgrund von Widerständen in den Wicklungen und parasitären Kapazitäten
- Verluste in der metallischen Struktur verursacht durch Streuung des Magnetflusses
- Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste im Eisenkern
Dies führt zu Energieverlusten
Der Wirkungsgrad eines Transformators ist das Verhältnis der elektrischen Leistung, die den Transformator sekundärseitig verlässt, zur Leistung, die primärseitig in ihn hineinfließt. D. h. wie viel Energie „verloren” geht.
Je höher der Wirkungsgrad, umso geringer die Verluste, und umso effizienter arbeitet der Transformator.
Der Wirkungsgrad kann wegen der Eisen- und Kupferverluste niemals 1 sein. Er wird in % angegeben.
Transformatorberechnungen
Spannungen, Ströme und Wicklungen lassen sich mit folgender Formel berechnen:
V = Spannung in Volt (V)
I = Strom in Ampere (A)
N = Windungszahl
Das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung entspricht dem Verhältnis der Windungszahlen der Eingangs- zur Ausgangswicklung.
V1 = Eingangsspannung; V2 = Ausgangsspannung; I1 = Strom primärseitig; I2 = Strom sekundärseitig; N1 = Anzahl der Wicklungen primärseitig; N2 = Anzahl der Wicklungen sekundärseitig