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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. 

Geschichte

Gewiss! Die Ursprünge der Transformatoren lassen sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als ihre grundlegenden Prinzipien erstmals entdeckt wurden.  

Im Jahr 1831 gelang dem englischen Wissenschaftler Michael Faraday mit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet des Elektromagnetismus. Diese Entdeckung zeigte, dass durch die Bewegung eines Magneten in einer Drahtspule ein elektrischer Strom im Draht erzeugt werden kann. Dieser Schlüsselmoment der Wissenschaftsgeschichte legte den Grundstein für die Entwicklung von Transformatoren. 

Der erste funktionstüchtige Transformator wurde 1885 von dem ungarischen Ingenieur Ottó Bláthy während seiner Tätigkeit bei der Firma Ganz Works in Budapest entwickelt. Bláthys Entwurf enthielt einen Eisenkern sowie getrennte Primär- und Sekundärwicklungen. 

Dieser Transformator erleichterte die Verteilung von Wechselstrom über große Entfernungen und wirkte sich grundlegend auf den Energiesektor aus.  

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfuhr die Transformatorentechnologie eine stetige Verbesserung. Es wurden ölgefüllte Transformatoren eingeführt, bei denen Mineralöl sowohl als Isolator als auch als Kühlmittel verwendet wurde. Dies führte zu einer verbesserten Effizienz und Zuverlässigkeit und zum Einsatz in zahlreichen Anwendungen der Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung.  

Zu den weiteren Fortschritten gehörte die Verwendung von Siliziumstahlkernen in der Transformatorenkonstruktion, was zu einem geringeren Energieverlust aufgrund von magnetischer Hysterese und Wirbelströmen führte und damit die Gesamteffizienz verbesserte.  

Mit dem Aufkommen der Computertechnologie im späten 20. Jahrhundert spielten Transformatoren eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung elektronischer Geräte wie Computer, Fernsehgeräte und Telekommunikationsanlagen. Der Bedarf an kleineren, effizienteren Transformatoren wuchs, was zur Entwicklung leichterer und stromlinienförmiger Designs führte. 

Auch heute noch sind Transformatoren ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher Branchen und Anwendungen. Neben der Stromübertragung und -verteilung kommen sie auch in Systemen für erneuerbare Energien wie Solar- und Windenergie zum Einsatz, wo sie den aus diesen Quellen erzeugten Strom umwandeln und verteilen.  

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Transformatoren - von Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion bis hin zu modernen, hocheffizienten Konstruktionen - die Energieversorgung unserer vernetzten Welt ermöglicht hat. 

  • 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 

Grundlegender Aufbau eines 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 

Verschiedene Konstruktionsformen

Mantelbauform

Beide Wicklungen befinden sich am mittleren Schenkel, entweder übereinander oder nebeneinander liegend. 

Vorteile: 

  • Höherer Wirkungsgrad 
  • Mehr Leistung 

Nachteile: 

  • Wartungsarbeiten sind sehr schwierig realisierbar 
  • Zwangskühlung unabdingbar 

 

Kernbauform

Der mittlere Schenkel fehlt, der Kern bildet die Form eines Rechtecks in der Seitenansicht. Die Wicklungen befinden sich normalerweise separat an den beiden äußeren Schenkeln. 

Vorteil:

  • Billiger 
  • Einfachere Wartung 

Nachteile: 

  • Höherer Streufluss 
  • 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.  

Unbelasteter Transformator 

  • Ist kein Verbraucher an der Sekundärwicklung angeschlossen, liegt Leerlauf vor --> der Transformator ist unbelastet 
  • Im Leerlauf sind die Eisenverluste aufgrund des nur geringen Eingangsstroms viel größer als die Kupferverluste durch den Leerlaufstrom in der Primärspule 
  • Dies kommt in der Praxis normalerweise nicht vor 

Belasteter Transformator 

  • Ist ein Verbraucher an der Sekundärwicklung angeschlossen, verursacht dieser einen Stromfluss durch die Sekundärspule 
  • Auf der Sekundärseite wird ein Strom, der eine Erhöhung des Primärstroms bewirkt. Dieser Sekundärstrom beeinflusst und verändert den Primärstrom. Beide Ströme werden in den Wicklungen in die entgegengesetzten Richtungen gerichtet 
  • Fließt der Primärstrom rechts durch die Spule, dann der fließt der Sekundärstrom links durch die Spule und umgekehrt 
  • Transformatoren können kurzzeitig stark überbelastet werden 

Kurzschlussspannung

  • Die Kurzschlussspannung hängt von der Konstruktion des Kerns und der Lage der Spulen zueinander ab  
  • Hohe Streuflüsse führen zu hohen Kurzschlussspannungen 
  • Der Streufluss beschreibt einen Teil eines magnetischen Flusses, der nur mit einer der Wicklungen gekoppelt ist, also „ein Magnetflussverlust”. Streuflüsse können durch die Impedanz berücksichtigt werden, die ihren magnetischen Pfad darstellt. Mehr Streuflussgrößere Impedanz höherer Spannungsabfall. 

Kurzschlussstrom 

  • Als Kurzschlussstrom wird jener Strom bezeichnet, der bei sekundärseitigem Kurzschluss und primärseitiger Nennspannung fließt. 
  • Er ist viel höher als der Bemessungsstrom und kann den Transformator in kurzer Zeit zerstören 
  • Der Kurzschlussstrom ist umso höher, je niedriger die Kurzschlussspannung ist 
  • Kurzschlussfest --> Bezeichnung für Transformatoren, die so ausgelegt sind, dass sie im Kurzschlussfall nicht zerstört werden 

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. 

Formel für die Berechnung

Typischer Wirkungsgrad verschiedener Transformatoren: 

  • Transformatoren mit hoher Bemessungsleistung: 99 % 
  • Kleintransformatoren: 80 % 
  • ​​​​​​​Miniaturtransformatoren: 50 % 

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  

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